Gennemsigtige grafenelektroder kan føre til en ny generation af solceller

En ny måde at lave store ark af høj kvalitet på, atomisk tynd grafen kan føre til ultralet, fleksible solceller, og til nye klasser af lysemitterende enheder og anden tyndfilmselektronik.

Den nye fremstillingsproces, som blev udviklet på MIT og skulle være relativt let at skalere op til industriel produktion, involverer et mellemliggende "buffer" lag af materiale, der er nøglen til teknikkens succes. Bufferen tillader det ultratynde grafenark, mindre end en nanometer (milliardtedel af en meter) tyk, let at blive løftet af fra sit underlag, giver mulighed for hurtig rulle-til-rulle-fremstilling.

Processen er detaljeret beskrevet i et papir offentliggjort i går i Avancerede funktionelle materialer , af MIT postdocs Giovanni Azzellino og Mahdi Tavakoli; professorer Jing Kong, Tomas Palacios, og Markus Buehler; og fem andre på MIT.

At finde en måde at gøre tynd, stort område, gennemsigtige elektroder, der er stabile i fri luft, har været en stor søgen inden for tyndfilmselektronik i de seneste år, til en række forskellige anvendelser i optoelektroniske enheder - ting, der enten udsender lys, som computer- og smartphoneskærme, eller høste det, som solceller. Dagens standard for sådanne applikationer er indiumtinoxid (ITO), et materiale baseret på sjældne og dyre kemiske grundstoffer.

Mange forskergrupper har arbejdet på at finde en erstatning for ITO, med fokus på både organiske og uorganiske kandidatmaterialer. grafen, en form for rent kulstof, hvis atomer er arrangeret i en flad sekskantet række, har ekstremt gode elektriske og mekaniske egenskaber, alligevel er den forsvindende tynd, fysisk fleksibel, og lavet af en overflod, billigt materiale. Desuden, det kan let dyrkes i form af store plader ved kemisk dampaflejring (CVD), bruge kobber som frølag, som Kongs gruppe har demonstreret. Imidlertid, til enhedsapplikationer, den sværeste del har været at finde måder at frigøre den CVD-dyrkede grafen fra dets oprindelige kobbersubstrat.

Denne udgivelse, kendt som grafenoverførselsproces, har en tendens til at resultere i et net af tårer, rynker, og defekter i pladerne, hvilket forstyrrer filmens kontinuitet og derfor drastisk reducerer deres elektriske ledningsevne. Men med den nye teknologi, Azzellino siger, "nu er vi i stand til pålideligt at fremstille grafenplader med stort areal, overføre dem til det underlag, vi ønsker, og den måde, vi overfører dem på, påvirker ikke de elektriske og mekaniske egenskaber af den uberørte grafen."

Nøglen er bufferlaget, lavet af et polymermateriale kaldet parylen, der på atomniveau stemmer overens med grafenpladerne, hvorpå det er placeret. Ligesom grafen, parylen produceres af CVD, hvilket forenkler fremstillingsprocessen og skalerbarheden.

Som en demonstration af denne teknologi, holdet lavede proof-of-concept solceller, vedtagelse af et tyndfilm polymert solcellemateriale, sammen med det nydannede grafenlag til en af ​​cellens to elektroder, og et parylenlag, der også tjener som et enhedssubstrat. De målte en optisk transmittans tæt på 90 procent for grafenfilmen under synligt lys.

Den prototypegrafenbaserede solcelle forbedres med omkring 36 gange den leverede effekt pr. vægt, sammenlignet med ITO-baserede state-of-the-art enheder. Den bruger også 1/200 af mængden af ​​materiale pr. arealenhed til den transparente elektrode. Og, der er en yderligere fundamental fordel sammenlignet med ITO:"Graphene kommer næsten gratis, " siger Azzellino.

"Ultra-lette grafen-baserede enheder kan bane vejen for en ny generation af applikationer, " siger han. "Så hvis du tænker på bærbare enheder, kraften pr. vægt bliver en meget vigtig værdi. Hvad hvis vi kunne implementere en gennemsigtig solcelle på din tablet, der er i stand til at tænde selv for tabletten?" Selvom der ville være behov for yderligere udvikling, sådanne applikationer skulle i sidste ende være mulige med denne nye metode, han siger.

Buffermaterialet, parylen, er meget udbredt i mikroelektronikindustrien, normalt for at indkapsle og beskytte elektroniske enheder. Så forsyningskæderne og udstyret til at bruge materialet er allerede udbredt, siger Azzellino. Af de tre eksisterende typer af parylen, holdets test viste, at en af ​​dem, som indeholder flere kloratomer, var langt den mest effektive til denne applikation.

Den atomære nærhed af klorrig parylen til den underliggende grafen, når lagene er klemt sammen, giver en yderligere fordel, ved at tilbyde en slags "doping" for grafen, endelig at give en mere pålidelig og ikke-destruktiv tilgang til ledningsevneforbedring af grafen med stort område, i modsætning til mange andre, der er blevet testet og rapporteret indtil videre.

"Grafen- og parylenfilmene er altid ansigt til ansigt, " siger Azzellino. "Så dybest set, dopinghandlingen er der altid, og derfor er fordelen permanent."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.