Grafen umożliwia ewolucję polimerycznych ogniw słonecznych
Ogniwa słoneczne pierwszej i drugiej generacji bazują w dużej mierze na krzemie. Ogniwa organiczne (polimeryczne) oferują ważne korzyści. Obejmują one elastyczność i zminimalizowanie kosztów w przypadku dużych powierzchni, dzięki sprawdzonym metodom przetwarzania polimeru. Elektrody grafenowe, dzięki doskonałej przewodności, zostały niedawno zaklasyfikowane jako obiecujący materiał do produkcji wydajnych ogniw słonecznych o polimerowych heterozłączach masowych (BHJ) zaproponowanych ponad 25 temu. Jednak mechanizmy i skutki połączenia ich z cienką warstwą polimerową pozostają nieznane. W ramach finansowanego przez UE projektu GO-NEXTS (Graphene doping and texturing in efficient electrodes for organic solar cells) skonstruowano grafenowe elektrody stykowe, które pełnią funkcję kryształów fotonicznych. Kryształy fotoniczne to okresowe struktury dielektryczne o propagacji pasma wzbronionego określonych długości fali świetlnej. Kryształy można porównać do pasma energetycznego wzbronionego między wartościowością a elektronami przewodnictwa półprzewodników. Pozwala to na doskonałą kontrolę nad promieniowaniem elektromagnetycznym, która nie jest możliwa w optyce konwencjonalnej. Będzie to także sprzyjać niespotykanej dotychczas poprawie całkowitej sprawności i wydajności ogniw słonecznych BHJ. Naukowcy rozpoczęli prace skupiając się na symulacji i produkcji poszczególnych komponentów. Zbadali przede wszystkim rolę styków grafen–metal, a także dokonali modelowania właściwości elektronicznych grafenu i właściwości optycznych styków kratkowych. Wraz z oceną skutków różnych parametrów konstrukcyjnych, takich jak grubość powłoki, wyniki wskazały kierunek obiecujących działań produkcyjnych. Partnerzy projektu zbadali procesy osadzania chemicznego warstw z fazy gazowej (CVD) dla grafenu na różnych substratach oraz wzrost grafenu na steksturowanych kryształowych substratach fotonicznych. W procesie niskotemperaturowego CVD nie zdołano wyprodukować grafenu dostatecznie wysokiej jakości do zastosowań fotowoltaicznych. Z kolei proces wzrostu grafenu zbliża się obecnie do szczytu aktualnych osiągnięć. Projekt GO-NEXTS zapewni transparentne materiały elektrodowe, procesy wytwórcze i architektury urządzeń. Niektóre z możliwych zastosowań, które pojawią się w ciągu kilku najbliższych lat, to zastosowania wykorzystujące transparentne, elastyczne elektrody grafenowe. Obejmują one ogniwa słoneczne, diody elektroluminescencyjne (diody LED), organiczne diody elektroluminescencyjne (diody OLED), ekrany dotykowe i wyświetlacze ciekłokrystaliczne (LCD), które są obecnie produkowane z użyciem rozpylanego tlenku indu domieszkowanego cyną (ITO). Europa jest liderem badań nad grafenem, a wyniki uzyskane podczas realizacji GO-NEXTs stanowią kolejny wkład w rozwój tej dziedziny badań. Wyniki projektu wzmocnią konkurencyjność w stosunku do Stanów Zjednoczonych Ameryki i Azji na rynku technologii opartych na grafenie. Ich zastosowanie w produktach konsumenckich może zmienić życie codzienne, przez co będzie miało ogromny wpływ na przyszłe badania nad grafenem i możliwość wprowadzenia go na rynek.
Słowa kluczowe
Polimeryczne ogniwa słoneczne, grafen, heterozłącza masowe, GO-NEXTS, kryształy fotoniczne, chemiczne osadzanie z fazy gazowej, tlenek indu domieszkowany cyną
