Källa: news.mit
MIT-forskare har förbättrat ett transparent, ledande beläggningsmaterial, vilket ger en tiofaldig förstärkning av dess elektriska konduktivitet. När det införlivades i en typ av högeffektiv solcell ökade materialet cellens effektivitet och stabilitet.
De nya resultaten redovisas idag i tidskriften Science Advances, i en artikel av MIT postdoc Meysam Heydari Gharahcheshmeh, professorerna Karen Gleason och Jing Kong och tre andra.
"Målet är att hitta ett material som är elektriskt ledande och genomskinligt", förklarar Gleason, vilket skulle vara "användbart i en rad applikationer, inklusive pekskärmar och solceller." Det material som används mest idag för sådana ändamål är känd som ITO, för indiumtitanoxid, men det materialet är ganska sprött och kan spricka efter en tids användning, säger hon.
Gleason och hennes medforskare förbättrade en flexibel version av ett genomskinligt, ledande material för två år sedan och publicerade sina resultat, men detta material föll fortfarande inte så bra som att matcha ITO: s kombination av hög optisk transparens och elektrisk ledningsförmåga. Det nya, mer beställda materialet, säger hon, är mer än tio gånger bättre än den tidigare versionen.
Den kombinerade transparensen och konduktiviteten mäts i enheter av Siemens per centimeter. ITO sträcker sig från 6 000 till 10 000, och även om ingen förväntade sig att ett nytt material skulle matcha dessa siffror var målet med forskningen att hitta ett material som kunde nå minst ett värde på 35. Den tidigare publikationen överskred det genom att visa ett värde på 50 , och det nya materialet har hoppat upp det resultatet, nu klockat in på 3 000; teamet arbetar fortfarande med att finjustera processen för att höja det ytterligare.
Det högpresterande flexibla materialet, en organisk polymer känd som PEDOT, avsätts i ett ultratinskikt med bara några få nanometer med användning av en process som kallas oxidativ kemisk ångavsättning (oCVD). Denna process resulterar i ett lager där strukturen för de små kristallerna som bildar polymeren är alla perfekt inriktade horisontellt, vilket ger materialet dess höga konduktivitet. Dessutom kan oCVD-metoden minska staplingsavståndet mellan polymerkedjor inom kristalliterna, vilket också förbättrar den elektriska konduktiviteten.
För att demonstrera materialets potentiella användbarhet införlivade teamet ett lager av den starkt anpassade PEDOT i en perovskitbaserad solcell. Sådana celler betraktas som ett mycket lovande alternativ till kisel på grund av deras höga effektivitet och lätta tillverkning, men deras brist på hållbarhet har varit en stor nackdel. Med den nya oCVD-anpassade PEDOT förbättrades perovskites effektivitet och stabiliteten fördubblades.
I de första testerna applicerades oCVD-skiktet på underlag med en diameter på 6 tum, men processen kunde appliceras direkt på en storskalig, framställningsprocess för rullning till rullning, säger Heydari Gharahcheshmeh. "Det är nu lätt att anpassa sig för industriell uppskalning", säger han. Detta underlättas av det faktum att beläggningen kan bearbetas vid 140 grader Celsius - en mycket lägre temperatur än alternativa material kräver.
OCVD PEDOT är en mild, enstegsprocess som möjliggör direkt avsättning på plastsubstrat, efter önskemål för flexibla solceller och skärmar. Däremot kräver de aggressiva tillväxtbetingelserna för många andra transparenta ledande material en initial avsättning på ett annat, mer robust underlag, följt av komplexa processer för att lyfta upp skiktet och överföra det till plast.
Eftersom materialet tillverkas genom en torr ångavsättningsprocess kan de producerade tunna skikten följa till och med de finaste konturerna på en yta, belägga dem alla jämnt, vilket kan vara användbart i vissa tillämpningar. Till exempel kan det beläggas på tyg och täcka varje fiber men ändå låta tyget andas.
Teamet behöver fortfarande demonstrera systemet i större skalor och bevisa dess stabilitet under längre perioder och under olika förhållanden, så forskningen pågår. Men ”det finns ingen teknisk hinder för att föra detta framåt. Det handlar egentligen bara om vem som kommer att investera för att ta det till marknaden, säger Gleason.
Forskningsteamet inkluderade MIT-postdokaler Mohammad Mahdi Tavakoli och Maxwell Robinson och forskningsförbundet Edward Gleason. Arbetet stöds av Eni SpA under Eni-MIT Alliance Solar Frontiers-programmet.
