О новых открытиях сообщается в журнале Science Advances, в статье постдока Массачусетского технологического института Мейсама Хейдари Гарахчешме, профессоров Карен Глисон и Джинг Конга и трех других.
«Цель состоит в том, чтобы найти материал, который был бы электропроводным, а также прозрачным», – объясняет Глисон, который был бы «полезен в ряде приложений, включая сенсорные экраны и солнечные элементы.«Материал, наиболее широко используемый сегодня для таких целей, известен как ITO, оксид индия и титана, но этот материал довольно хрупкий и может треснуть после определенного периода использования, – говорит она.
Глисон и ее соавторы улучшили гибкую версию прозрачного проводящего материала два года назад и опубликовали свои результаты, но этот материал все еще не соответствовал сочетанию высокой оптической прозрачности и электропроводности ITO.
По ее словам, новый, более заказный материал более чем в 10 раз лучше предыдущей версии.
Суммарная прозрачность и проводимость измеряется в единицах Сименс на сантиметр.
ITO варьируется от 6000 до 10000, и хотя никто не ожидал, что новый материал будет соответствовать этим числам, цель исследования заключалась в том, чтобы найти материал, который мог бы достичь как минимум 35. Более ранняя публикация превысила это значение, продемонстрировав значение 50, а новый материал обогнал этот результат и теперь достигает 3000; команда все еще работает над точной настройкой процесса, чтобы поднять этот.
Высокоэффективный гибкий материал, органический полимер, известный как PEDOT, осаждается в ультратонком слое толщиной всего несколько нанометров с использованием процесса, называемого окислительным химическим осаждением из паровой фазы (oCVD).
В результате этого процесса образуется слой, в котором структура крошечных кристаллов, образующих полимер, идеально выровнена по горизонтали, что придает материалу высокую проводимость. Кроме того, метод oCVD может уменьшить расстояние между полимерными цепями внутри кристаллитов, что также увеличивает электрическую проводимость.
Чтобы продемонстрировать потенциальную полезность материала, команда включила слой высокоорганизованного PEDOT в солнечную батарею на основе перовскита. Такие элементы считаются очень многообещающей альтернативой кремнию из-за их высокой эффективности и простоты изготовления, но их недостаточная долговечность была серьезным недостатком.
Благодаря новому OCVD-согласованному PEDOT эффективность перовскита повысилась, а его стабильность увеличилась вдвое.
В первоначальных испытаниях слой oCVD наносился на подложки диаметром 6 дюймов, но этот процесс можно было применить непосредственно в крупномасштабном промышленном процессе производства рулонов, говорит Хейдари Гарахчешмех. «Теперь легко адаптироваться к промышленному масштабированию», – говорит он. Этому способствует тот факт, что покрытие можно обрабатывать при 140 градусах Цельсия – это намного более низкая температура, чем требуется для альтернативных материалов.
OCVD PEDOT – это мягкий одностадийный процесс, позволяющий прямое осаждение на пластиковые подложки, что требуется для гибких солнечных элементов и дисплеев. Напротив, агрессивные условия роста многих других прозрачных проводящих материалов требуют первоначального осаждения на другую, более прочную подложку с последующими сложными процессами для снятия слоя и переноса его на пластик.
Поскольку материал изготавливается методом сухого осаждения из паровой фазы, полученные тонкие слои могут повторять даже самые тонкие контуры поверхности, покрывая их все равномерно, что может быть полезно в некоторых приложениях. Например, его можно нанести на ткань и покрыть каждое волокно, но при этом позволить ткани дышать.
Команде все еще необходимо продемонстрировать систему в более крупных масштабах и доказать ее стабильность в течение более длительных периодов времени и в различных условиях, поэтому исследования продолжаются. Но «нет технических препятствий для продвижения вперед.
На самом деле вопрос лишь в том, кто будет инвестировать, чтобы вывести его на рынок », – говорит Глисон.
В исследовательскую группу вошли постдоки Массачусетского технологического института Мохаммад Махди Таваколи и Максвелл Робинсон, а также научный сотрудник Эдвард Глисон.
Работа поддержана Eni S.п.А. в рамках программы Eni-MIT Alliance Solar Frontiers.