Schematisk illustration av PEDOT-syntes med oCVD-metoden. (A) Det sura sköljsteget efter avsättningen (t.ex. MeOH eller HBr sköljning) används vanligtvis för poly(3, 4-etylendioxitiofen) (PEDOT) filmer odlade med FeCl3 som oxidationsmedel för att avlägsna oreagerade oxidanter och oxidationsbiprodukter och öka konduktiviteten. (B) Syntetisering av PEDOT med VOCl3 som oxidant kräver inte sur sköljbehandling, och den tillverkade filmen används direkt i enhetstillverkning som ett äkta enstegs, helt torr process. Kredit:"Tuning, optimering, och perovskite solcellsenhet integration av ultratunn poly(3, 4-etylendioxitiofen) filmer via en enda stegs heltorr process " Vetenskapens framsteg (2019).
MIT-forskare har förbättrat en transparent, ledande beläggningsmaterial, ger en tiofaldig ökning av sin elektriska konduktivitet. När den ingår i en typ av högeffektiv solcell, materialet ökade cellens effektivitet och stabilitet.
De nya rönen redovisas i tidskriften Vetenskapens framsteg , i en artikel av MIT postdoc Meysam Heydari Gharahcheshmeh, professorerna Karen Gleason och Jing Kong, och tre andra.
"Målet är att hitta ett material som är elektriskt ledande och transparent, " Gleason förklarar, som skulle vara "användbart i en rad applikationer, inklusive pekskärmar och solceller." Det material som idag används mest för sådana ändamål är känt som ITO, för indiumtitanoxid, men det materialet är ganska sprött och kan spricka efter en tids användning, hon säger.
Gleason och hennes medforskare förbättrade en flexibel version av en transparent, ledande material för två år sedan och publicerade sina fynd, men detta material var fortfarande långt ifrån att matcha ITO:s kombination av hög optisk transparens och elektrisk ledningsförmåga. Den nya, mer beställt material, hon säger, är mer än 10 gånger bättre än den tidigare versionen.
Den kombinerade transparensen och konduktiviteten mäts i enheter Siemens per centimeter. ITO sträcker sig från 6, 000 till 10, 000, och även om ingen förväntade sig att ett nytt material skulle matcha dessa siffror, Målet med forskningen var att hitta ett material som kunde nå minst ett värde av 35. Den tidigare publikationen överträffade det genom att visa ett värde på 50, och det nya materialet har överskridit det resultatet, klockar nu in vid 3, 000; teamet arbetar fortfarande med att finjustera processen för att öka det ytterligare.
Det högpresterande flexibla materialet, en organisk polymer känd som PEDOT, deponeras i ett ultratunt lager med bara några nanometers tjocklek, med hjälp av en process som kallas oxidativ kemisk ångavsättning (oCVD). Denna process resulterar i ett lager där strukturen av de små kristallerna som bildar polymeren alla är perfekt inriktade horisontellt, ger materialet dess höga ledningsförmåga. Dessutom, oCVD-metoden kan minska staplingsavståndet mellan polymerkedjor i kristalliterna, vilket också förbättrar den elektriska ledningsförmågan.
För att visa materialets potentiella användbarhet, teamet inkorporerade ett lager av den högjusterade PEDOT i en perovskitbaserad solcell. Sådana celler anses vara ett mycket lovande alternativ till kisel på grund av deras höga effektivitet och enkla tillverkning, men deras brist på hållbarhet har varit en stor nackdel. Med den nya oCVD-justerade PEDOT, perovskitens effektivitet förbättrades och dess stabilitet fördubblades.
I de inledande testerna, oCVD-skiktet applicerades på substrat som var 6 tum i diameter, men processen kan tillämpas direkt i stor skala, roll-to-roll industriell skala tillverkningsprocess, säger Heydari Gharahcheshmeh. "Det är nu lätt att anpassa för industriell uppskalning, "säger han. Det underlättas av att beläggningen kan bearbetas vid 140 grader Celsius - en mycket lägre temperatur än alternativa material kräver.
oCVD PEDOT är en mild, enstegsprocess, möjliggör direkt avsättning på plastsubstrat, efter önskemål för flexibla solceller och displayer. I kontrast, de aggressiva tillväxtförhållandena för många andra transparenta ledande material kräver en inledande avsättning på en annan, mer robust substrat, följt av komplexa processer för att lyfta av lagret och överföra det till plast.
Eftersom materialet är tillverkat av en torr ångavsättningsprocess, de tunna skikten som produceras kan följa även de finaste konturerna av en yta, täcka dem alla jämnt, vilket kan vara användbart i vissa applikationer. Till exempel, det kan beläggas på tyg och täcka varje fiber men ändå låta tyget andas.
Teamet behöver fortfarande demonstrera systemet i större skala och bevisa dess stabilitet under längre perioder och under olika förhållanden, så forskningen pågår. Men "det finns inga tekniska hinder för att flytta detta framåt. Det är egentligen bara en fråga om vem som kommer att investera för att ta det till marknaden, " säger Gleason.
