Новая технология производства графена может революционизировать солнечную энергию, создавая сверхлегкие гибкие солнечные панели.

Новая технология, разработанная исследователями из Мичиганского технологического института (MIT), которая позволяет создавать большие листы графена – слой одиночных атомов углерода, извлеченных из графита – может оказать существенное влияние на развитие будущих электронных устройства.

В частности, разработка может дать значительный импульс в области солнечной энергии, где графен используется в качестве замены оксида индия и олова (ITO) при создании электродов. Получающиеся в результате прозрачные и легкие электроды могут изгибаться до 78 ⁰ – гораздо более гибкие, чем традиционные электроды ITO.

Эти электроды используются в прозрачных проводящих пленках (TCF) – тонких пленках, которые являются электропроводящими и должны быть максимально прозрачными для света, чтобы быть максимально эффективными. TCF жизненно важны для ряда электронных устройств, включая сенсорные экраны, OLED и, что особенно важно, для оптоэлектроники – устройств, которые излучают, обнаруживают и контролируют свет. Особое значение в этой последней категории; солнечные элементы.

Сверхлегкие устройства на основе графена могут проложить путь к новому поколению приложений.

Джованни Аззеллино, Postdoc, MIT

Команда, возглавляемая Аззеллино и его коллегой постдоком Махди Таваколи, в дополнение к профессорам Цзин Конгу, Томасу Паласиосу и Маркусу Бюлеру, решила конкретную проблему, которая вызывает разрывание и складывание тонких в атомах листов графена, с использованием «буферный» материал.

Теперь мы можем надежно изготавливать графеновые листы большой площади, переносить их на любую подложку, какую хотим, и способ их переноса не влияет на электрические и механические свойства первичного графена.

Джованни Аззеллино, Postdoc, MIT

Исследователи описывают свою технику в статье, опубликованной в журнале Расширенные функциональные материалы.

Решение проблемы «под открытым небом» в оптоэлектронике

Одной из основных проблем, которые преследовали развитие оптоэлектронных устройств, была борьба за создание тонких прозрачных электродов большой площади, которые также были бы устойчивы на открытом воздухе.

Одним из решений этой проблемы, которое решили многие исследователи, является замена оксида индия и олова (ITO), материала, который имеет несколько ограничений, не в последнюю очередь из-за того, что элементы, которые его составляют, являются чрезмерно дорогими ,

Широкий спектр материалов был исследован как потенциальная замена ITO, при этом ученые тестировали как неорганические, так и органические вещества. Одним из основных кандидатов на такую ​​замену является графен. Как тонкий слой атома, с точки зрения гибкости, этот материал, извлеченный из графита, трудно разбить. Кроме того, поскольку лист графена имеет толщину всего в один атом, с точки зрения прозрачности он также впечатляет.

В настоящее время исследователи оценивают, что один лист графена – аллотроп углерода – поглощает всего 2% света, который проходит через него. Это означает, что буквально сотни слоев делают графен непрозрачным.

Однако у этого удивительного материала все еще есть некоторые недостатки.

Медные осложнения

Графен выращивают в больших листах в процессе, известном как химическое осаждение из паровой фазы (CVD), при котором медь используется в качестве «затравочного слоя».

Проблема возникает из-за того, что графен может быть трудно «отслоиться» от медной подложки. Процесс высвобождения графена, известный как процесс переноса графена, может привести к крайне нежелательным и дорогостоящим смятиям и разрывам. Эти эффекты значительно снижают эффективность электропроводности графена.

Революционное предложение команды – использование «буферного» материала. Они проверили такой материал, изготовленный из тонкого полимера, называемого периленом, который, по совпадению, также изготавливается методом CVD. Перилен лучше соответствует атомному слою графена и, таким образом, позволяет его извлекать из медной подложки без разрывов, тем самым сохраняя непрерывность материала.

Из трех типов перилена, производимых в настоящее время, команда обнаружила, что версия, содержащая относительное количество атомов хлора, была наиболее эффективной в их процессе. Наличие этого богатого хлором перилена, связанного с графеном в расположении, аналогичном легированию – добавлению примесей в полупроводник – но для графена, означает, что проводимость была улучшенной и неразрушающей на большей площади поверхности.

Это означает, что технология позволяет значительно расширить процесс производства графена.

Подтверждение концепции и будущие приложения

Команда продемонстрировала технику и ее жизнеспособность, создав солнечные элементы с графеновым слоем и периленовой подложкой, содержащей один из двух электродов внутри устройства.

Используя эту ячейку «доказательства концепции», команда сообщает, что им удалось достичь 90% оптического пропускания. Это значительное улучшение, примерно в 36 раз превышающее передачу, достигаемое нынешним поколением ячеек ITO сопоставимого масштаба.

Другим огромным преимуществом системы перед ITO является тот факт, что при использовании этого процесса потребляется 1/200 материала, необходимого для этих устройств, и, как отмечает Аззелино, «графен практически свободен». В настоящее время также существует основа для доставки перилена, причем этот материал уже широко используется в микроэлектронике.

Однако, до широкого применения прозрачных электродов на основе графена, были другие проблемы, которые решались. Производство графена с помощью сердечно-сосудистых заболеваний потребляет гораздо больше меди, чем сырье, которое используется при производстве электродов на основе ITO. Таким образом, скорость потребления меди, требуемая для этого процесса, в настоящее время все еще неустойчива, согласно статье, опубликованной в журнале Nature .

Несмотря на это, команда MIT сделала большой шаг вперед в развертывании экономичных, гибких, прозрачных электродов. Поэтому, благодаря графену, будущее солнечной энергии действительно очень светлое.

Источники и дополнительные материалы

Чандлер. Д.Л., [2020]«Прозрачные графеновые электроды могут привести к появлению солнечных батарей нового поколения», Информационный офис MIT [http://news.mit.edu/2020/transparent-graphene-electrodes-solar-cells-0605]

Адамс. F, Барбанте. С, [2015]«Оптоэлектронные устройства», Комплексная аналитическая химия.

Chun. А.Л., [2015]«Оценка жизненного цикла: должен ли графен заменить ITO?» Природная нанотехнология.

Никол. W, [2019]«Что такое графен», Digital Trends, [https://www.digitaltrends.com/cool-tech/what-is-graphene/]