Stel je een toekomst voor waarin zonnecellen overal om ons heen zijn - op ramen en muren, telefoons, laptops, en meer. Een nieuwe flexibele transparante zonnecel ontwikkeld aan het MIT brengt die toekomst een stap dichterbij.

Het apparaat combineert goedkope organische (koolstofhoudende) materialen met elektroden van grafeen, een flexibele, transparant materiaal gemaakt van goedkope en overvloedige koolstofbronnen. Deze vooruitgang in zonnetechnologie werd mogelijk gemaakt door een nieuwe methode om een ​​één atoom dikke laag grafeen op de zonnecel af te zetten - zonder nabijgelegen gevoelige organische materialen te beschadigen. Tot nu, ontwikkelaars van transparante zonnecellen vertrouwden doorgaans op dure, broze elektroden die de neiging hebben te barsten wanneer het apparaat wordt gebogen. De mogelijkheid om in plaats daarvan grafeen te gebruiken, maakt echt flexibel, goedkoop, transparante zonnecellen die van vrijwel elk oppervlak een elektrische energiebron kunnen maken.

Fotovoltaïsche zonnecellen gemaakt van organische verbindingen zouden een aantal voordelen bieden ten opzichte van de huidige anorganische siliciumzonnecellen. Ze zouden goedkoper en gemakkelijker te vervaardigen zijn. Ze zouden licht en flexibel zijn in plaats van zwaar, onbuigzaam, en breekbaar, en dus gemakkelijker te vervoeren zou zijn, ook naar afgelegen regio's zonder centraal elektriciteitsnet. En ze kunnen transparant zijn. Veel organische materialen absorberen de ultraviolette en infrarode componenten van zonlicht, maar zenden het zichtbare deel uit dat onze ogen kunnen detecteren. Organische zonnecellen kunnen daarom overal om ons heen op oppervlakken worden gemonteerd en energie oogsten zonder dat we het merken.

Onderzoekers hebben het afgelopen decennium aanzienlijke vooruitgang geboekt in de richting van de ontwikkeling van transparante organische zonnecellen. Maar ze zijn één hardnekkig struikelblok tegengekomen:het vinden van geschikte materialen voor de elektroden die stroom uit de cel voeren.

"Het is zeldzaam om materialen in de natuur te vinden die zowel elektrisch geleidend als optisch transparant zijn, ", zegt professor Jing Kong van de afdeling Elektrotechniek en Informatica (EECS).

De meest gebruikte huidige optie is indiumtinoxide (ITO). ITO is geleidend en transparant, maar het is ook stijf en broos, dus als de organische zonnecel buigt, de ITO-elektrode heeft de neiging te barsten en op te stijgen. In aanvulling, indium is duur en relatief zeldzaam.

Een veelbelovend alternatief voor ITO is grafeen, een vorm van koolstof die voorkomt in platen van één atoom dik en opmerkelijke eigenschappen heeft. Het is zeer geleidend, flexibel, robuust, en transparant; en het is gemaakt van goedkope en alomtegenwoordige koolstof. In aanvulling, een grafeenelektrode kan slechts 1 nanometer dik zijn - een fractie zo dik als een ITO-elektrode en een veel betere match voor de dunne organische zonnecel zelf.

Grafeen uitdagingen

Twee belangrijke problemen hebben de grootschalige acceptatie van grafeenelektroden vertraagd. Het eerste probleem is het afzetten van de grafeenelektroden op de zonnecel. De meeste zonnecellen zijn gebouwd op substraten zoals glas of plastic. De onderste grafeenelektrode wordt direct op dat substraat afgezet - een taak die kan worden bereikt door processen waarbij water, oplosmiddelen, en warmte. De andere lagen worden dan toegevoegd, eindigend met de bovenste grafeenelektrode. Maar die bovenste elektrode op het oppervlak van de zogenaamde gatentransportlaag (HTL) plaatsen is lastig.

"De HTL lost op in water, en de organische materialen eronder zijn gevoelig voor vrijwel alles, inclusief water, oplosmiddelen, en warmte, " zegt EECS-afgestudeerde student Yi Song, een Eni-MIT Energy Fellow 2016-2017 en lid van Kong's Nanomaterials and Electronics Group. Als resultaat, onderzoekers hebben meestal volhard in het gebruik van een ITO-elektrode aan de bovenkant.

Het tweede probleem met het gebruik van grafeen is dat de twee elektroden verschillende rollen moeten spelen. Het gemak waarmee een bepaald materiaal elektronen loslaat, is een vaste eigenschap die de werkfunctie wordt genoemd. Maar in de zonnecel slechts één van de elektroden zou elektronen gemakkelijk naar buiten moeten laten stromen. Als resultaat, om beide elektroden van grafeen te hebben, zou de werkfunctie van een van hen moeten worden gewijzigd, zodat de elektronen weten welke weg ze moeten gaan - en het veranderen van de werkfunctie van welk materiaal dan ook is niet eenvoudig.

Een soepele grafeenoverdracht

De afgelopen drie jaar, Kong en Song hebben gewerkt om deze problemen op te lossen. Ze ontwikkelden en optimaliseerden eerst een proces om de onderste elektrode op hun substraat te leggen.

In dat proces, ze laten een vel grafeen groeien op koperfolie. Ze brengen het vervolgens over op het substraat met behulp van een techniek die Kong en haar collega's in 2008 hebben gedemonstreerd. Ze leggen een laag polymeer bovenop de grafeenplaat om het te ondersteunen en gebruiken vervolgens een zure oplossing om de koperfolie van de achterkant te etsen, eindigen met een grafeen-polymeerstapel die ze overbrengen naar water om te spoelen. Ze scheppen dan eenvoudig de zwevende grafeen-polymeerstapel met het substraat op en verwijderen de polymeerlaag met warmte of een acetonspoeling. Het resultaat:een grafeenelektrode die op het substraat rust.

Maar de bovenste elektrode uit het water scheppen is niet haalbaar. Dus in plaats daarvan veranderen ze de zwevende grafeen-polymeerstapel in een soort stempel, door er een halve millimeter dik frame van siliconenrubber op te drukken. Het frame vastpakken met een pincet, ze tillen de stapel eruit, droog het af, en zet hem op de HTL. Vervolgens, met minimale opwarming, ze kunnen de siliconenrubberstempel en de polymeersteunlaag afpellen, het grafeen achterlatend op de HTL.

aanvankelijk, de elektroden die Song en Kong met dit proces maakten, presteerden niet goed. Tests toonden aan dat de grafeenlaag niet goed hechtte aan de HTL, dus stroom kon niet efficiënt wegvloeien. De voor de hand liggende oplossingen voor dit probleem zouden niet werken. Door de structuur voldoende te verwarmen om het grafeen te laten hechten, zouden de gevoelige organische stoffen worden beschadigd. En als je een soort lijm op de bodem van het grafeen legt voordat je het op de HTL legt, blijven de twee lagen aan elkaar plakken, maar zou eindigen als een toegevoegde laag ertussen, het grensvlakcontact te verminderen in plaats van te vergroten.

Song besloot dat het misschien de beste keuze was om lijm aan de stempel toe te voegen, maar niet als een laag onder het grafeen.

"Wij dachten, wat gebeurt er als we dit heel zacht spuiten, kleverige polymeer bovenop het grafeen?" zegt hij. "Het zou niet in direct contact komen met de gatentransportlaag, maar omdat grafeen zo dun is, misschien blijven de hechtende eigenschappen intact door het grafeen."

Om het idee te testen, de onderzoekers verwerkten een laag ethyleen-vinylacetaat, of EVA, in hun stempel, bovenop het grafeen. De EVA-laag is erg flexibel en dun - een soort voedselverpakking - en kan gemakkelijk uit elkaar scheuren. Maar ze ontdekten dat de polymeerlaag die daarna komt het bij elkaar houdt, en het arrangement werkte precies zoals Song had gehoopt:de EVA-film hecht stevig aan de HTL, zich conformeren aan alle microscopische ruwe kenmerken op het oppervlak en de fijne laag grafeen eronder dwingen hetzelfde te doen.

Het proces verbeterde niet alleen de prestaties, maar bracht ook een onverwacht nevenvoordeel met zich mee. De onderzoekers dachten dat hun volgende taak zou zijn om een ​​manier te vinden om de werkfunctie van de bovenste grafeenelektrode te veranderen, zodat deze zou verschillen van die van de onderste, zorgen voor een vlotte elektronenstroom. Maar die stap was niet nodig. Hun techniek om het grafeen op de HTL te leggen, verandert de werkfunctie van de elektrode in precies wat ze nodig hebben.

"We hebben geluk gehad, " zegt Song. "Onze boven- en onderelektroden hebben toevallig de juiste werkfuncties als resultaat van de processen die we gebruiken om ze te maken."

De elektroden op de proef stellen

Om te zien hoe goed hun grafeenelektroden in de praktijk zouden presteren, de onderzoekers moesten ze opnemen in functionerende organische zonnecellen. Voor die taak, ze wendden zich tot de fabricage- en testfaciliteiten voor zonnecellen van hun collega Vladimir Bulović, de Fariborz Maseeh (1990) hoogleraar Emerging Technology en Associate Dean for Innovation voor de School of Engineering.

Ter vergelijking, ze bouwden een reeks zonnecellen op harde glassubstraten met elektroden van grafeen, ITO, en aluminium (een standaard elektrodemateriaal). De stroomdichtheden (of cd's, de hoeveelheid stroom die per oppervlakte-eenheid vloeit) en de efficiëntie van de stroomconversie (of PCE's, de fractie van inkomende zonne-energie omgezet in elektriciteit) voor de nieuwe flexibele grafeen/grafeen-apparaten en de standaard rigide ITO/grafeen-apparaten waren vergelijkbaar. Ze waren lager dan die van de apparaten met één aluminium elektrode, maar dat was een bevinding die ze verwachtten.

"Een aluminium elektrode aan de onderkant zal een deel van het binnenkomende licht terugkaatsen naar de zonnecel, zodat het apparaat in het algemeen meer van de zonne-energie kan absorberen dan een transparant apparaat, " zegt Kong.

De PCE's voor al hun grafeen / grafeen-apparaten - op zowel harde glassubstraten als flexibele substraten - varieerden van 2,8 procent tot 4,1 procent. Hoewel die waarden ver onder de PCE's van bestaande commerciële zonnepanelen liggen, ze zijn een aanzienlijke verbetering ten opzichte van PCE's die zijn bereikt in eerder werk met semi-transparante apparaten met volledig grafeenelektroden, zeggen de onderzoekers.

Metingen van de transparantie van hun grafeen / grafeen-apparaten leverden verdere bemoedigende resultaten op. Het menselijk oog kan licht detecteren met golflengten tussen ongeveer 400 nanometer en 700 nanometer. De volledig uit grafeen vervaardigde apparaten vertoonden een optische transmissie van 61 procent over het hele zichtbare regime en tot 69 procent bij 550 nanometer. "Die waarden [voor transmissie] behoren tot de hoogste voor transparante zonnecellen met vergelijkbare energieconversie-efficiënties in de literatuur, " zegt Kong.

Flexibele ondergronden, buiggedrag

De onderzoekers merken op dat hun organische zonnecel op elk soort oppervlak kan worden afgezet, stijf of flexibel, transparant of niet. "Als je het op het oppervlak van je auto wilt plaatsen, bijvoorbeeld, het zal er niet slecht uitzien, "zegt Kong. "Je kunt zien wat er oorspronkelijk was."

Om die veelzijdigheid aan te tonen, ze deponeerden hun grafeen-grafeen-apparaten op flexibele substraten, waaronder plastic, ondoorzichtig papier, en doorschijnende Kapton-tape. Uit metingen blijkt dat de prestaties van de apparaten ongeveer gelijk zijn op de drie flexibele substraten - en slechts iets lager dan die op glas, waarschijnlijk omdat de oppervlakken ruwer zijn, dus er is een groter risico op slecht contact.

De mogelijkheid om de zonnecel op elk oppervlak te deponeren, maakt hem veelbelovend voor gebruik in consumentenelektronica - een veld dat wereldwijd snel groeit. Bijvoorbeeld, zonnecellen kunnen rechtstreeks op mobiele telefoons en laptops worden gefabriceerd in plaats van afzonderlijk te worden gemaakt en vervolgens te worden geïnstalleerd, een verandering die de productiekosten aanzienlijk zou verlagen.

Ze zouden ook zeer geschikt zijn voor toekomstige apparaten zoals peel-and-stick zonnecellen en papierelektronica. Aangezien die apparaten onvermijdelijk zouden worden gebogen en gevouwen, de onderzoekers onderwierpen hun monsters aan dezelfde behandeling. Hoewel al hun apparaten, inclusief die met ITO-elektroden, herhaaldelijk konden worden opgevouwen, die met grafeenelektroden zouden veel strakker kunnen worden gebogen voordat hun output begon af te nemen.

Toekomstige doelen

De onderzoekers werken nu aan het verbeteren van de efficiëntie van hun op grafeen gebaseerde organische zonnecellen zonder in te boeten aan transparantie. (Het vergroten van de hoeveelheid actief gebied zou de PCE omhoog duwen, maar de transparantie zou afnemen.) Volgens hun berekeningen, de maximale theoretische PCE die haalbaar is op hun huidige transparantieniveau is 10 procent.

"Onze beste PCE is ongeveer 4 procent, dus we hebben nog een lange weg te gaan " zegt Lied.

Ze overwegen nu ook hoe ze hun zonnecellen het beste kunnen opschalen tot apparaten met een groot oppervlak die nodig zijn om hele ramen en muren te bedekken. waar ze efficiënt stroom konden opwekken terwijl ze vrijwel onzichtbaar bleven voor het menselijk oog.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.