Duidelijke, geleidende coating kan geavanceerde zonnecellen en aanraakschermen beschermen

- Nov 30, 2019-

Bron: news.mit


Clear, conductive coating could protect advanced solar cells, touch screens


MIT-onderzoekers hebben een transparant, geleidend coatingmateriaal verbeterd, waardoor de elektrische geleidbaarheid tienvoudig is toegenomen. Bij opname in een soort hoogrenderende zonnecel verhoogde het materiaal de efficiëntie en stabiliteit van de cel.


De nieuwe bevindingen worden vandaag gerapporteerd in het tijdschrift Science Advances, in een paper van MIT postdoc Meysam Heydari Gharahcheshmeh, professoren Karen Gleason en Jing Kong, en drie anderen.


"Het doel is om een materiaal te vinden dat zowel elektrisch geleidend als transparant is", legt Gleason uit, dat "nuttig zou kunnen zijn in een reeks toepassingen, waaronder aanraakschermen en zonnecellen." Het materiaal dat tegenwoordig het meest wordt gebruikt voor dergelijke doeleinden, is bekend als ITO, voor indiumtitaniumoxide, maar dat materiaal is behoorlijk bros en kan na een periode van gebruik barsten, zegt ze.


Gleason en haar mede-onderzoekers verbeterden twee jaar geleden een flexibele versie van een transparant, geleidend materiaal en publiceerden hun bevindingen, maar dit materiaal kwam nog lang niet overeen met de combinatie van hoge optische transparantie en elektrische geleidbaarheid door ITO. Het nieuwe, meer geordende materiaal, zegt ze, is meer dan 10 keer beter dan de vorige versie.


De gecombineerde transparantie en geleidbaarheid wordt gemeten in eenheden van Siemens per centimeter. ITO varieert van 6.000 tot 10.000, en hoewel niemand verwachtte dat een nieuw materiaal bij die aantallen zou passen, was het doel van het onderzoek om een materiaal te vinden dat minstens een waarde van 35 kon bereiken. De eerdere publicatie overtrof dat door een waarde van 50 aan te tonen , en het nieuwe materiaal heeft dat resultaat overtroffen en komt nu uit op 3.000; het team werkt nog steeds aan het verfijnen van het proces om dat verder te verhogen.

Het hoogwaardige flexibele materiaal, een organisch polymeer bekend als PEDOT, wordt afgezet in een ultradunne laag van slechts enkele nanometers dik, met behulp van een proces dat oxidatieve chemische dampafzetting (oCVD) wordt genoemd. Dit proces resulteert in een laag waar de structuur van de kleine kristallen die het polymeer vormen allemaal perfect horizontaal zijn uitgelijnd, waardoor het materiaal zijn hoge geleidbaarheid heeft. Bovendien kan de oCVD-methode de stapelafstand tussen polymeerketens in de kristallieten verkleinen, wat ook de elektrische geleidbaarheid verbetert.


Om het potentiële nut van het materiaal aan te tonen, heeft het team een laag van de sterk uitgelijnde PEDOT in een op perovskiet gebaseerde zonnecel verwerkt. Dergelijke cellen worden beschouwd als een veelbelovend alternatief voor silicium vanwege hun hoge efficiëntie en gemak van vervaardiging, maar hun gebrek aan duurzaamheid is een groot nadeel. Met de nieuwe oCVD uitgelijnde PEDOT verbeterde de efficiëntie van de perovskiet en verdubbelde de stabiliteit.


In de eerste tests werd de oCVD-laag aangebracht op substraten met een diameter van 6 inch, maar het proces kon rechtstreeks worden toegepast op een grootschalig, roll-to-roll productieproces op industriële schaal, zegt Heydari Gharahcheshmeh. "Het is nu eenvoudig aan te passen voor industriële opschaling", zegt hij. Dat wordt mogelijk gemaakt door het feit dat de coating kan worden verwerkt bij 140 graden Celsius - een veel lagere temperatuur dan alternatieve materialen vereisen.


De oCVD PEDOT is een mild, eenstapsproces, dat directe afzetting op plastic substraten mogelijk maakt, zoals gewenst voor flexibele zonnecellen en displays. Daarentegen vereisen de agressieve groeiomstandigheden van veel andere transparante geleidende materialen een initiële afzetting op een ander, robuuster substraat, gevolgd door complexe processen om de laag op te tillen en op kunststof over te brengen.


Omdat het materiaal is gemaakt door een droog opdampingsproces, kunnen de geproduceerde dunne lagen zelfs de fijnste contouren van een oppervlak volgen en ze allemaal gelijkmatig coaten, wat bij sommige toepassingen nuttig kan zijn. Het kan bijvoorbeeld op het weefsel worden aangebracht en elke vezel bedekken, maar het weefsel toch laten ademen.


Het team moet het systeem nog steeds op grotere schaal demonstreren en zijn stabiliteit over langere periodes en onder verschillende omstandigheden bewijzen, dus het onderzoek is aan de gang. Maar “er is geen technische barrière om dit vooruit te helpen. Het is echt slechts een kwestie van wie zal investeren om het op de markt te brengen, ”zegt Gleason.


Het onderzoeksteam omvatte MIT postdocs Mohammad Mahdi Tavakoli en Maxwell Robinson, en onderzoeksfiliaal Edward Gleason. Het werk werd ondersteund door Eni SpA in het kader van het Eni-MIT Alliance Solar Frontiers-programma.