Föreställ dig en framtid där solceller finns runt omkring oss – på fönster och väggar, mobiltelefoner, bärbara datorer, och mer. En ny flexibel, transparent solcell utvecklad vid MIT för den framtiden ett steg närmare.

Enheten kombinerar billiga organiska (kolhaltiga) material med elektroder av grafen, en flexibel, transparent material tillverkat av billiga och rikliga kolkällor. Detta framsteg inom solteknik möjliggjordes av en ny metod för att deponera ett enatoms tjockt lager av grafen på solcellen – utan att skada närliggande känsliga organiska material. Tills nu, utvecklare av transparenta solceller har vanligtvis förlitat sig på dyra, spröda elektroder som tenderar att spricka när enheten böjs. Möjligheten att använda grafen istället gör det möjligt att verkligt flexibel, låg kostnad, transparenta solceller som kan förvandla praktiskt taget vilken yta som helst till en elkälla.

Fotovoltaiska solceller gjorda av organiska föreningar skulle erbjuda en mängd fördelar jämfört med dagens oorganiska kiselsolceller. De skulle vara billigare och lättare att tillverka. De skulle vara lätta och flexibla snarare än tunga, stel, och bräcklig, och så skulle det vara lättare att transportera, inklusive till avlägsna regioner utan centralt elnät. Och de kan vara genomskinliga. Många organiska material absorberar de ultravioletta och infraröda komponenterna i solljus men överför den synliga delen som våra ögon kan upptäcka. Organiska solceller skulle därför kunna monteras på ytor runt omkring oss och skörda energi utan att vi märker dem.

Forskare har gjort betydande framsteg under det senaste decenniet mot att utveckla transparenta organiska solceller. Men de har stött på en ihållande stötesten:att hitta lämpliga material för elektroderna som leder ström ut ur cellen.

"Det är sällsynt att hitta material i naturen som är både elektriskt ledande och optiskt transparenta, " säger professor Jing Kong vid institutionen för elektroteknik och datavetenskap (EECS).

Det mest använda aktuella alternativet är indiumtennoxid (ITO). ITO är ledande och transparent, men den är också styv och skör, så när den organiska solcellen böjs, ITO-elektroden tenderar att spricka och lyfta. Dessutom, indium är dyrt och relativt sällsynt.

Ett lovande alternativ till ITO är grafen, en form av kol som förekommer i enatomtjocka ark och har anmärkningsvärda egenskaper. Det är mycket ledande, flexibel, robust, och transparent; och den är gjord av billigt och allestädes närvarande kol. Dessutom, en grafenelektrod kan vara bara 1 nanometer tjock – en bråkdel så tjock som en ITO-elektrod och en mycket bättre matchning för själva den tunna organiska solcellen.

Grafen utmaningar

Två nyckelproblem har bromsat införandet av grafenelektroder i grossistledet. Det första problemet är att deponera grafenelektroderna på solcellen. De flesta solceller är byggda på underlag som glas eller plast. Den nedre grafenelektroden deponeras direkt på det substratet - en uppgift som kan uppnås genom processer som involverar vatten, lösningsmedel, och värme. De andra lagren läggs sedan till, slutar med den översta grafenelektroden. Men att sätta den övre elektroden på ytan av det så kallade håltransportskiktet (HTL) är knepigt.

"HTL löses i vatten, och de organiska materialen strax under den är känsliga för i stort sett vad som helst, inklusive vatten, lösningsmedel, och värme, " säger EECS doktorand Yi Song, en 2016-2017 Eni-MIT Energy Fellow och medlem av Kongs Nanomaterials and Electronics Group. Som ett resultat, forskare har vanligtvis envisats med att använda en ITO-elektrod på toppen.

Det andra problemet med att använda grafen är att de två elektroderna måste spela olika roller. Lättheten med vilken ett givet material släpper taget om elektroner är en egenskap som kallas dess arbetsfunktion. Men i solcellen, bara en av elektroderna ska låta elektronerna flyta ut lätt. Som ett resultat, att ha båda elektroderna gjorda av grafen skulle kräva att arbetsfunktionen för en av dem ändras så att elektronerna skulle veta vilken väg de ska gå - och att ändra arbetsfunktionen för något material är inte enkelt.

En smidig grafenöverföring

De senaste tre åren, Kong och Song har arbetat för att lösa dessa problem. De utvecklade och optimerade först en process för att lägga ner bottenelektroden på sitt substrat.

I den processen, de odlar ett ark grafen på kopparfolie. De överför det sedan till substratet med en teknik som demonstrerades av Kong och hennes kollegor 2008. De lägger ut ett lager av polymer ovanpå grafenarket för att stödja det och använder sedan en sur lösning för att etsa kopparfolien av baksidan, slutar med en grafen-polymerstapel som de överför till vatten för sköljning. De öser sedan helt enkelt upp den flytande grafen-polymerstapeln med substratet och tar bort polymerskiktet med värme eller en acetonsköljning. Resultatet:en grafenelektrod vilande på substratet.

Men att ösa den övre elektroden ur vatten är inte genomförbart. Så de förvandlar istället den flytande grafen-polymerstapeln till ett slags stämpel, genom att trycka på en halv millimeter tjock ram av silikongummi på den. Ta tag i ramen med en pincett, de lyfter ut bunten, torka av det, och ställ ner den ovanpå HTL. Sedan, med minimal uppvärmning, de kan dra av silikongummistämpeln och polymerstödskiktet, lämnar grafenen deponerad på HTL.

Initialt, elektroderna som Song och Kong tillverkade med denna process fungerade inte bra. Tester visade att grafenskiktet inte höll fast vid HTL, så ström kunde inte flyta ut effektivt. De uppenbara lösningarna på detta problem skulle inte fungera. Att värma upp strukturen tillräckligt för att få grafenet att fästa skulle skada de känsliga organiska ämnen. Och att sätta något slags lim på botten av grafenet innan du lägger ner det på HTL:n skulle hålla ihop de två lagren, men skulle sluta som ett extra lager mellan dem, minska snarare än att öka gränssnittskontakten.

Song bestämde att det kan vara rätt väg att lägga till lim på frimärket - men inte som ett lager under grafen.

"Vi trodde, vad händer om vi sprejar detta mycket mjukt, klibbig polymer på toppen av grafenet?" säger han. "Det skulle inte vara i direkt kontakt med håltransportskiktet, men eftersom grafen är så tunt, kanske dess adhesiva egenskaper kan förbli intakta genom grafenen."

För att testa idén, forskarna inkorporerade ett lager av eten-vinylacetat, eller EVA, in i deras stämpel, precis ovanpå grafenet. EVA-skiktet är mycket flexibelt och tunt - ungefär som matinpackning - och kan lätt slitas isär. Men de fann att polymerskiktet som kommer härnäst håller ihop det, och arrangemanget fungerade precis som Song hade hoppats:EVA-filmen håller sig hårt till HTL, överensstämmer med eventuella mikroskopiska grova egenskaper på ytan och tvingar det fina lagret av grafen under det att göra detsamma.

Processen förbättrade inte bara prestanda utan gav också en oväntad sidofördel. Forskarna trodde att deras nästa uppgift skulle vara att hitta ett sätt att ändra arbetsfunktionen för den översta grafenelektroden så att den skulle skilja sig från den nedre, säkerställer smidigt elektronflöde. Men det steget var inte nödvändigt. Deras teknik för att lägga ner grafen på HTL ändrar faktiskt elektrodens arbetsfunktion till exakt vad de behöver den ska vara.

"Vi hade tur, " säger Song. "Våra topp- och bottenelektroder råkar bara ha rätt arbetsfunktioner som ett resultat av de processer vi använder för att tillverka dem."

Att sätta elektroderna på prov

För att se hur bra deras grafenelektroder skulle fungera i praktiken, forskarna behövde införliva dem i fungerande organiska solceller. För den uppgiften, de vände sig till sin kollega Vladimir Bulovićs solcellstillverkning och testanläggningar, Fariborz Maseeh (1990) professor i framväxande teknologi och biträdande dekanus för innovation för School of Engineering.

För jämförelse, de byggde en serie solceller på styva glassubstrat med elektroder gjorda av grafen, ITO, och aluminium (ett standardelektrodmaterial). Strömtätheterna (eller CD-skivor, mängden ström som flyter per ytenhet) och effektomvandlingseffektivitet (eller PCE, andelen av inkommande solenergi omvandlad till elektricitet) för de nya flexibla grafen/grafenenheterna och standardstela ITO/grafenenheterna var jämförbara. De var lägre än enheterna med en aluminiumelektrod, men det var ett fynd de förväntade sig.

"En aluminiumelektrod på botten kommer att reflektera en del av det inkommande ljuset tillbaka in i solcellen, så att enheten totalt sett kan absorbera mer av solens energi än en genomskinlig enhet kan, säger Kong.

PCE:erna för alla deras grafen/grafenenheter – på styva glassubstrat såväl som flexibla substrat – varierade från 2,8 procent till 4,1 procent. Även om dessa värden ligger långt under PCE:erna för befintliga kommersiella solpaneler, de är en betydande förbättring jämfört med PCE som uppnåtts i tidigare arbete som involverar halvtransparenta enheter med helt grafenelektroder, säger forskarna.

Mätningar av transparensen hos deras grafen/grafen-enheter gav ytterligare uppmuntrande resultat. Det mänskliga ögat kan upptäcka ljus vid våglängder mellan cirka 400 nanometer och 700 nanometer. Alla grafenenheter visade en optisk transmittans på 61 procent över hela det synliga regimen och upp till 69 procent vid 550 nanometer. "Dessa värden [för transmittans] är bland de högsta för transparenta solceller med jämförbar effektomvandlingseffektivitet i litteraturen, säger Kong.

Flexibla underlag, böjningsbeteende

Forskarna noterar att deras organiska solcell kan deponeras på vilken yta som helst, stel eller flexibel, transparent eller inte. "Om du vill sätta den på ytan av din bil, till exempel, det kommer inte se dåligt ut, " säger Kong. "Du kommer att kunna se igenom till det som ursprungligen fanns där."

För att visa den mångsidigheten, de deponerade sina grafen-grafenenheter på flexibla substrat inklusive plast, ogenomskinligt papper, och genomskinlig Kapton-tejp. Mätningar visar att enheternas prestanda är ungefär lika på de tre flexibla substraten - och bara något lägre än de som gjorts på glas, troligen för att ytorna är grövre så det finns en större risk för dålig kontakt.

Möjligheten att deponera solcellen på vilken yta som helst gör den lovande för användning på hemelektronik – ett område som växer snabbt över hela världen. Till exempel, solceller skulle kunna tillverkas direkt på mobiltelefoner och bärbara datorer istället för att göras separat och sedan installeras, en förändring som avsevärt skulle minska tillverkningskostnaderna.

De skulle också vara väl lämpade för framtida enheter som peel-and-stick solceller och papperselektronik. Eftersom dessa enheter oundvikligen skulle böjas och vikas, forskarna utsatte sina prover för samma behandling. Medan alla deras enheter - inklusive de med ITO -elektroder - kunde vikas upprepade gånger, de med grafenelektroder kunde böjas mycket hårdare innan deras produktion började minska.

Framtida mål

Forskarna arbetar nu med att förbättra effektiviteten hos sina grafenbaserade organiska solceller utan att offra transparens. (Att öka mängden aktivt område skulle pressa upp PCE, men transparensen skulle minska.) Enligt deras beräkningar, den maximala teoretiska PCE som kan uppnås på deras nuvarande nivå av transparens är 10 procent.

"Vår bästa PCE är cirka 4 procent, så vi har fortfarande en bit kvar säger Song.

De överväger nu också hur de bäst kan skala upp sina solceller till de stora enheter som behövs för att täcka hela fönster och väggar, där de effektivt kan generera kraft samtidigt som de förblir praktiskt taget osynliga för det mänskliga ögat.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.