Imagínese un futuro en el que las células solares estén a nuestro alrededor, en ventanas y paredes, celulares, laptops, y más. Un nuevo flexible La célula solar transparente desarrollada en el MIT está acercando ese futuro un paso más.

El dispositivo combina materiales orgánicos (que contienen carbono) de bajo costo con electrodos de grafeno, un flexible material transparente hecho de fuentes de carbono abundantes y económicas. Este avance en la tecnología solar fue posible gracias a un método novedoso de depositar una capa de grafeno de un átomo de espesor en la célula solar, sin dañar los materiales orgánicos sensibles cercanos. Hasta ahora, los desarrolladores de células solares transparentes han confiado típicamente en costosos, electrodos quebradizos que tienden a agrietarse cuando se flexiona el dispositivo. La capacidad de usar grafeno en su lugar hace posible que sea realmente flexible, bajo costo, células solares transparentes que pueden convertir prácticamente cualquier superficie en una fuente de energía eléctrica.

Las células solares fotovoltaicas hechas de compuestos orgánicos ofrecerían una variedad de ventajas sobre las células solares de silicio inorgánico actuales. Serían más baratos y fáciles de fabricar. Serían ligeros y flexibles en lugar de pesados, rígido, y frágil, y así sería más fácil de transportar, incluso a regiones remotas sin red eléctrica central. Y podrían ser transparentes. Muchos materiales orgánicos absorben los componentes ultravioleta e infrarrojo de la luz solar, pero transmiten la parte visible que nuestros ojos pueden detectar. Por lo tanto, las células solares orgánicas podrían montarse en superficies a nuestro alrededor y recolectar energía sin que nos demos cuenta.

Los investigadores han logrado avances significativos durante la última década hacia el desarrollo de células solares orgánicas transparentes. Pero se han encontrado con un obstáculo persistente:encontrar materiales adecuados para los electrodos que llevan la corriente fuera de la celda.

"Es raro encontrar materiales en la naturaleza que sean tanto eléctricamente conductores como ópticamente transparentes, "dice el profesor Jing Kong del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS).

La opción actual más utilizada es el óxido de indio y estaño (ITO). ITO es conductor y transparente, pero también es rígido y quebradizo, así que cuando la célula solar orgánica se dobla, el electrodo ITO tiende a agrietarse y desprenderse. Además, el indio es caro y relativamente raro.

Una alternativa prometedora a la ITO es el grafeno, una forma de carbono que se encuentra en láminas de un átomo de espesor y tiene características notables. Es altamente conductivo flexible, robusto, y transparente; y está hecho de carbono barato y omnipresente. Además, un electrodo de grafeno puede tener un grosor de solo 1 nanómetro, una fracción del grosor de un electrodo ITO y una combinación mucho mejor para la propia célula solar orgánica delgada.

Desafíos del grafeno

Dos problemas clave han ralentizado la adopción generalizada de electrodos de grafeno. El primer problema es depositar los electrodos de grafeno en la celda solar. La mayoría de las células solares están construidas sobre sustratos como vidrio o plástico. El electrodo de grafeno inferior se deposita directamente sobre ese sustrato, una tarea que se puede lograr mediante procesos que involucran agua, solventes, Y calor. Luego se agregan las otras capas, terminando con el electrodo de grafeno superior. Pero colocar ese electrodo superior sobre la superficie de la llamada capa de transporte de agujeros (HTL) es complicado.

"El HTL se disuelve en agua, y los materiales orgánicos justo debajo son sensibles a casi cualquier cosa, incluyendo agua, solventes, Y calor, "dice el estudiante graduado de EECS, Yi Song, Becario de Energía Eni-MIT 2016-2017 y miembro del Grupo de Nanomateriales y Electrónica de Kong. Como resultado, los investigadores han persistido típicamente en usar un electrodo ITO en la parte superior.

El segundo problema con el uso del grafeno es que los dos electrodos deben desempeñar funciones diferentes. La facilidad con la que un material dado suelta electrones es una propiedad establecida llamada función de trabajo. Pero en la celda solar, solo uno de los electrodos debe permitir que los electrones fluyan fácilmente. Como resultado, tener ambos electrodos hechos de grafeno requeriría cambiar la función de trabajo de uno de ellos para que los electrones supieran qué camino tomar, y cambiar la función de trabajo de cualquier material no es sencillo.

Una suave transferencia de grafeno

Por los últimos tres años, Kong y Song han estado trabajando para resolver estos problemas. Primero desarrollaron y optimizaron un proceso para colocar el electrodo inferior en su sustrato.

En ese proceso, crecen una hoja de grafeno sobre una lámina de cobre. Luego lo transfieren al sustrato usando una técnica demostrada por Kong y sus colegas en 2008. Depositan una capa de polímero sobre la hoja de grafeno para sostenerla y luego usan una solución ácida para grabar la lámina de cobre de la parte posterior. terminando con una pila de polímero de grafeno que transfieren al agua para enjuagar. Luego, simplemente recogen la pila flotante de polímero de grafeno con el sustrato y eliminan la capa de polímero con calor o un enjuague con acetona. El resultado:un electrodo de grafeno apoyado sobre el sustrato.

Pero sacar el electrodo superior del agua no es factible. Entonces, en su lugar, convierten la pila flotante de polímero de grafeno en una especie de sello, presionando un marco de caucho de silicona de medio milímetro de espesor sobre él. Agarrando el marco con pinzas, levantan la pila, secarlo, y colóquelo encima del HTL. Luego, con un calentamiento mínimo, Pueden despegar el sello de caucho de silicona y la capa de soporte de polímero, dejando el grafeno depositado en el HTL.

Inicialmente, los electrodos que Song y Kong fabricaron utilizando este proceso no funcionaron bien. Las pruebas mostraron que la capa de grafeno no se adhirió firmemente al HTL, por lo que la corriente no podía fluir de manera eficiente. Las soluciones obvias a este problema no funcionarían. Calentar la estructura lo suficiente para hacer que el grafeno se adhiera dañaría los componentes orgánicos sensibles. Y poner algún tipo de pegamento en la parte inferior del grafeno antes de colocarlo sobre el HTL pegaría las dos capas, pero terminaría como una capa adicional entre ellos, disminuyendo en lugar de aumentar el contacto interfacial.

Song decidió que agregar pegamento al sello podría ser el camino a seguir, pero no como una capa debajo del grafeno.

"Pensamos, que pasa si rociamos esto muy suave, ¿polímero pegajoso encima del grafeno? ", dice." No estaría en contacto directo con la capa de transporte del agujero, pero debido a que el grafeno es tan delgado, quizás sus propiedades adhesivas permanezcan intactas a través del grafeno ".

Para probar la idea, los investigadores incorporaron una capa de etileno-acetato de vinilo, o EVA, en su sello, justo encima del grafeno. La capa de EVA es muy flexible y delgada, una especie de envoltura para alimentos, y puede romperse fácilmente. Pero descubrieron que la capa de polímero que viene a continuación lo mantiene unido, y el arreglo funcionó tal como Song esperaba:la película de EVA se adhiere firmemente al HTL, adaptándose a cualquier característica rugosa microscópica en la superficie y obligando a la fina capa de grafeno debajo de ella a hacer lo mismo.

El proceso no solo mejoró el rendimiento, sino que también trajo un beneficio secundario inesperado. Los investigadores pensaron que su próxima tarea sería encontrar una manera de cambiar la función de trabajo del electrodo de grafeno superior para que difiera de la del inferior. asegurando un flujo suave de electrones. Pero ese paso no fue necesario. Su técnica para depositar el grafeno en el HTL en realidad cambia la función de trabajo del electrodo a exactamente lo que necesitan.

"Tuvimos suerte, "dice Song." Nuestros electrodos superior e inferior simplemente tienen las funciones de trabajo correctas como resultado de los procesos que usamos para fabricarlos ".

Poniendo los electrodos a prueba

Para ver qué tan bien funcionarían sus electrodos de grafeno en la práctica, los investigadores necesitaban incorporarlos en células solares orgánicas en funcionamiento. Para esa tarea, recurrieron a las instalaciones de fabricación y prueba de células solares de su colega Vladimir Bulović, el Profesor Fariborz Maseeh (1990) de Tecnología Emergente y Decano Asociado de Innovación de la Escuela de Ingeniería.

Para comparacion, construyeron una serie de células solares sobre sustratos de vidrio rígido con electrodos hechos de grafeno, ITO, y aluminio (un material de electrodo estándar). Las densidades actuales (o CD, la cantidad de corriente que fluye por unidad de área) y las eficiencias de conversión de energía (o PCE, la fracción de energía solar entrante convertida en electricidad) para los nuevos dispositivos flexibles de grafeno / grafeno y los dispositivos rígidos estándar de ITO / grafeno fueron comparables. Eran más bajos que los de los dispositivos con un electrodo de aluminio, pero ese era un hallazgo que esperaban.

"Un electrodo de aluminio en la parte inferior reflejará parte de la luz entrante de regreso a la celda solar, para que el dispositivo en general pueda absorber más energía del sol que un dispositivo transparente, "dice Kong.

Los PCE para todos sus dispositivos de grafeno / grafeno, tanto en sustratos de vidrio rígido como en sustratos flexibles, oscilaron entre el 2,8 por ciento y el 4,1 por ciento. Si bien esos valores están muy por debajo de los PCE de los paneles solares comerciales existentes, son una mejora significativa con respecto a los PCE logrados en trabajos anteriores que involucran dispositivos semitransparentes con electrodos de grafeno, dicen los investigadores.

Las mediciones de la transparencia de sus dispositivos de grafeno / grafeno arrojaron resultados más alentadores. El ojo humano puede detectar luz en longitudes de onda entre aproximadamente 400 nanómetros y 700 nanómetros. Los dispositivos de grafeno mostraron una transmitancia óptica del 61 por ciento en todo el régimen visible y hasta el 69 por ciento a 550 nanómetros. "Esos valores [de transmitancia] se encuentran entre los más altos para las células solares transparentes con eficiencias de conversión de energía comparables en la literatura, "dice Kong.

Sustratos flexibles, comportamiento de flexión

Los investigadores señalan que su célula solar orgánica se puede depositar en cualquier tipo de superficie, rígido o flexible, transparente o no. "Si quieres ponerlo en la superficie de tu coche, por ejemplo, no se verá mal "dice Kong." Podrás ver a través de lo que originalmente estaba allí ".

Para demostrar esa versatilidad, depositaron sus dispositivos de grafeno-grafeno en sustratos flexibles, incluido el plástico, papel opaco, y cinta Kapton translúcida. Las mediciones muestran que el rendimiento de los dispositivos es aproximadamente igual en los tres sustratos flexibles, y solo un poco más bajo que los fabricados en vidrio. probablemente porque las superficies son más rugosas, por lo que existe un mayor potencial de contacto deficiente.

La capacidad de depositar la celda solar en cualquier superficie la hace prometedora para su uso en electrónica de consumo, un campo que está creciendo rápidamente en todo el mundo. Por ejemplo, Las células solares podrían fabricarse directamente en teléfonos móviles y portátiles en lugar de fabricarse por separado y luego instalarse. un cambio que reduciría significativamente los costos de fabricación.

También serían adecuados para dispositivos futuros como las células solares de pelar y pegar y la electrónica de papel. Dado que esos dispositivos inevitablemente se doblarían y doblarían, los investigadores sometieron sus muestras al mismo tratamiento. Si bien todos sus dispositivos, incluidos los que tienen electrodos ITO, pueden doblarse repetidamente, aquellos con electrodos de grafeno podrían doblarse mucho más antes de que su producción comenzara a disminuir.

Metas futuras

Los investigadores ahora están trabajando para mejorar la eficiencia de sus células solares orgánicas basadas en grafeno sin sacrificar la transparencia. (Aumentar la cantidad de área activa elevaría el PCE, pero la transparencia disminuiría). Según sus cálculos, el PCE teórico máximo alcanzable en su nivel actual de transparencia es del 10 por ciento.

"Nuestro mejor PCE es alrededor del 4 por ciento, así que todavía nos queda camino por recorrer "dice Song.

Ahora también están considerando cuál es la mejor manera de ampliar sus células solares a los dispositivos de gran superficie necesarios para cubrir ventanas y paredes enteras. donde podrían generar energía de manera eficiente sin dejar de ser virtualmente invisibles para el ojo humano.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.