Eletrodos de Grafeno! A NOVA GERAÇÃO de Células Solares


O novo método de produção rolo a rolo pode permitir dispositivos solares leves e flexíveis e uma nova geração de telas de exibição.

Uma nova maneira de produzir grandes folhas de grafeno atomicamente fino de alta qualidade pode levar a células solares ultra leves e flexíveis e a novas classes de dispositivos emissores de luz e outros eletrônicos de película fina.


O novo processo de fabricação, desenvolvido no MIT e deve ser relativamente fácil de expandir para a produção industrial, envolve uma camada intermediária de "buffer" de material, essencial para o sucesso da técnica. O buffer permite que a folha de grafeno ultrafino, com menos de um nanômetro (bilionésimo de metro) de espessura, seja facilmente removida de seu substrato, permitindo uma fabricação rápida de rolo a rolo.

O processo está detalhado em um artigo publicado ontem em Advanced Functional Materials, pelos pós-docs do MIT Giovanni Azzellino e Mahdi Tavakoli; professores Jing Kong, Tomas Palacios e Markus Buehler; e outros cinco no MIT.


Encontrar uma maneira de fabricar eletrodos finos, transparentes e de grande área, estáveis ​​ao ar livre tem sido uma grande busca na eletrônica de filmes finos nos últimos anos, para uma variedade de aplicações em dispositivos optoeletrônicos - coisas que emitem luz, como o computador e telas de smartphones, ou colhê-las, como células solares. O padrão atual para tais aplicações é o óxido de índio e estanho (ITO), um material baseado em elementos químicos raros e caros.


Muitos grupos de pesquisa trabalharam para encontrar um substituto para a ITO, concentrando-se em materiais candidatos orgânicos e inorgânicos. O grafeno, uma forma de carbono puro cujos átomos são dispostos em uma matriz hexagonal plana, tem propriedades elétricas e mecânicas extremamente boas, mas é extremamente fino, fisicamente flexível e feito de um material abundante e barato. Além disso, ele pode ser facilmente cultivado na forma de grandes folhas por deposição de vapor químico (CVD), usando cobre como camada de semente, como o grupo de Kong demonstrou. No entanto, para aplicações em dispositivos, a parte mais complicada foi encontrar maneiras de liberar o grafeno produzido por CVD de seu substrato de cobre nativo.



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Esse lançamento, conhecido como processo de transferência de grafeno, tende a resultar em uma rede de lágrimas, rugas e defeitos nas folhas, o que interrompe a continuidade do filme e, portanto, reduz drasticamente sua condutividade elétrica. Mas com a nova tecnologia, diz Azzellino, “agora somos capazes de fabricar folhas de grafeno de grandes áreas com segurança, transferi-las para o substrato que quisermos, e a maneira como as transferimos não afeta as propriedades elétricas e mecânicas do grafeno primitivo. "


A chave é a camada tampão, feita de um material polimérico chamado parileno, que se adapta no nível atômico às folhas de grafeno nas quais é implantado. Como o grafeno, o parileno é produzido pela CVD, o que simplifica o processo de fabricação e a escalabilidade.


Como demonstração dessa tecnologia, a equipe fez células solares à prova de conceito, adotando um material de célula solar polimérica de película fina, juntamente com a camada de grafeno recém-formada para um dos dois eletrodos da célula e uma camada de parileno que também serve como um substrato do dispositivo. Eles mediram uma transmitância óptica próxima a 90% para o filme de grafeno sob luz visível.


A célula solar baseada em grafeno prototipada melhora em aproximadamente 36 vezes a energia fornecida por peso, em comparação com os dispositivos de última geração baseados em ITO. Ele também usa 1/200 da quantidade de material por unidade de área para o eletrodo transparente. E, há uma outra vantagem fundamental em comparação com a ITO: "O grafeno chega quase de graça", diz Azzellino.


"Os dispositivos ultraleves baseados em grafeno podem abrir caminho para uma nova geração de aplicativos", diz ele. “Então, se você pensa em dispositivos portáteis, a potência por peso se torna uma figura de mérito muito importante. E se pudéssemos implantar uma célula solar transparente em seu tablet capaz de ligar o próprio tablet? ” Embora algum desenvolvimento adicional seja necessário, esses aplicativos devem ser viáveis ​​com esse novo método, diz ele.


O material tampão, parileno, é amplamente utilizado na indústria de microeletrônica, geralmente para encapsular e proteger dispositivos eletrônicos. Portanto, as cadeias de suprimentos e equipamentos para o uso do material já estão disseminados, diz Azzellino. Dos três tipos existentes de parileno, os testes da equipe mostraram que um deles, que contém mais átomos de cloro, era de longe o mais eficaz para essa aplicação.


A proximidade atômica do parileno rico em cloro em relação ao grafeno subjacente à medida que as camadas são ensanduichadas fornece uma vantagem adicional, oferecendo uma espécie de "doping" para grafeno, finalmente fornecendo uma abordagem mais confiável e não destrutiva para a melhoria da condutividade do grafeno em grandes áreas , ao contrário de muitos outros que foram testados e relatados até o momento.


"O grafeno e os filmes de parileno estão sempre cara a cara", diz Azzellino. "Então, basicamente, a ação antidoping está sempre presente e, portanto, a vantagem é permanente."

A equipe de pesquisa também incluiu Marek Hempel, Ang-Yu Lu, Francisco Martin-Martinez, Jiayuan Zhao e Jingjie Yeo, todos no MIT. O trabalho foi financiado pela Eni SpA por meio da Iniciativa MIT Energy, pelo Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA através do Instituto de Nanotecnologias de Soldados e pelo Escritório de Pesquisa Naval.



MIT News

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