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MIT-Forscher haben ein transparentes, leitfähiges Beschichtungsmaterial verbessert und dessen elektrische Leitfähigkeit verzehnfacht. Beim Einbau in eine Art hocheffiziente Solarzelle erhöhte das Material die Effizienz und Stabilität der Zelle.
Die neuen Erkenntnisse werden heute in der Zeitschrift Science Advances in einem Artikel von MIT-Postdoc Meysam Heydari Gharahcheshmeh, den Professoren Karen Gleason und Jing Kong sowie drei weiteren veröffentlicht.
"Ziel ist es, ein Material zu finden, das sowohl elektrisch leitfähig als auch transparent ist", erklärt Gleason. "Dies ist in einer Reihe von Anwendungen, einschließlich Touchscreens und Solarzellen, nützlich." Bekannt als ITO für Indiumtitanoxid, aber dieses Material ist ziemlich spröde und kann nach einer gewissen Nutzungsdauer Risse bekommen, sagt sie.
Vor zwei Jahren haben Gleason und ihre Co-Forscher eine flexible Version eines transparenten, leitfähigen Materials verbessert und ihre Ergebnisse veröffentlicht. Dieses Material entsprach jedoch noch nicht der Kombination aus hoher optischer Transparenz und elektrischer Leitfähigkeit von ITO. Das neue, besser geordnete Material sei mehr als zehnmal besser als die Vorgängerversion.
Die kombinierte Transparenz und Leitfähigkeit wird in Einheiten von Siemens pro Zentimeter gemessen. ITO liegt zwischen 6.000 und 10.000, und obwohl niemand erwartet hatte, dass ein neues Material mit diesen Zahlen übereinstimmt, bestand das Ziel der Untersuchung darin, ein Material zu finden, das mindestens einen Wert von 35 erreichen konnte. Die frühere Veröffentlichung übertraf dies, indem ein Wert von 50 nachgewiesen wurde und das neue Material hat dieses Ergebnis übersprungen und liegt nun bei 3.000. Das Team arbeitet immer noch an der Feinabstimmung des Prozesses, um dies weiter voranzutreiben.
Das hochleistungsfähige flexible Material, ein als PEDOT bekanntes organisches Polymer, wird in einer ultradünnen Schicht mit einer Dicke von nur wenigen Nanometern unter Verwendung eines als oxidative chemische Gasphasenabscheidung (oCVD) bezeichneten Prozesses abgeschieden. Dieser Prozess führt zu einer Schicht, in der die Struktur der winzigen Kristalle, aus denen das Polymer besteht, horizontal perfekt ausgerichtet ist, wodurch das Material seine hohe Leitfähigkeit erhält. Zusätzlich kann das oCVD-Verfahren den Stapelabstand zwischen Polymerketten innerhalb der Kristallite verringern, was auch die elektrische Leitfähigkeit verbessert.
Um den potenziellen Nutzen des Materials zu demonstrieren, integrierte das Team eine Schicht des hoch ausgerichteten PEDOT in eine Solarzelle auf Perowskit-Basis. Solche Zellen werden aufgrund ihrer hohen Effizienz und einfachen Herstellung als vielversprechende Alternative zu Silizium angesehen, aber ihre mangelnde Haltbarkeit war ein Hauptnachteil. Mit dem neuen PEDOT mit OCVD-Ausrichtung verbesserte sich die Effizienz des Perowskits und seine Stabilität verdoppelte sich.
In den ersten Tests wurde die oCVD-Schicht auf Substrate mit einem Durchmesser von 6 Zoll aufgebracht, der Prozess könne jedoch auch direkt auf einen großtechnischen Produktionsprozess im Rolle-zu-Rolle-Maßstab angewendet werden, so Heydari Gharahcheshmeh. "Es ist jetzt einfach, sich für die industrielle Vergrößerung anzupassen", sagt er. Dies wird durch die Tatsache erleichtert, dass die Beschichtung bei 140 Grad Celsius verarbeitet werden kann - eine viel niedrigere Temperatur als für alternative Materialien erforderlich.
Der oCVD PEDOT ist ein mildes, einstufiges Verfahren, das die direkte Abscheidung auf Kunststoffsubstraten ermöglicht, wie es für flexible Solarzellen und Displays gewünscht wird. Im Gegensatz dazu erfordern die aggressiven Wachstumsbedingungen vieler anderer transparenter leitender Materialien eine anfängliche Abscheidung auf einem anderen, robusteren Substrat, gefolgt von komplexen Prozessen, um die Schicht abzuheben und auf Kunststoff zu übertragen.
Da das Material durch ein Trockenaufdampfungsverfahren hergestellt wird, können die erzeugten dünnen Schichten selbst den feinsten Konturen einer Oberfläche folgen und sie alle gleichmäßig beschichten, was in einigen Anwendungen nützlich sein könnte. Zum Beispiel könnte es auf Stoff aufgetragen werden und jede Faser bedecken, aber den Stoff trotzdem atmen lassen.
Das Team muss das System noch in größerem Maßstab demonstrieren und seine Stabilität über längere Zeiträume und unter verschiedenen Bedingungen nachweisen, sodass die Forschung fortgesetzt wird. Aber „es gibt keine technische Barriere, um dies voranzutreiben. Es ist wirklich nur eine Frage der Investition, um es auf den Markt zu bringen “, sagt Gleason.
Das Forschungsteam bestand aus den MIT-Postdocs Mohammad Mahdi Tavakoli und Maxwell Robinson sowie dem Forschungsteilnehmer Edward Gleason. Die Arbeit wurde von Eni SpA im Rahmen des Solar Frontiers-Programms der Eni-MIT Alliance unterstützt.
