Nuovi elettrodi trasparenti a basso costo per l’optoelettronica
Materiali a base di indio costituiscono l’elemento essenziale in quasi tutti i display a schermo piatto della generazione attuale, nelle celle solari ad alta efficienza e fanno parte di LED organici e inorganici. Tuttavia, l’indio è sempre più raro e costoso. L’obiettivo principale del progetto finanziato dall’UE INREP era quello di creare candidati forti ma economicamente validi per sostituire l’indio nei componenti optoelettronici. Il consorzio multidisciplinare ha adottato un approccio olistico con aziende rinomate nella catena del valore dell’ossido conduttivo trasparente (TCO) e anche istituti di ricerca che studiano le opzioni per TCO privi di indio e per le tecnologie di deposizione. «Abbiamo utilizzato una combinazione di fisica fondamentale e studi sui materiali, deposizioni convenzionali di pellicole sottili, nonché tecniche di crescita e caratterizzazione per sviluppare pellicole TCO che soddisfano i requisiti di applicazione specifici in nuovi dispositivi optoelettronici», sottolinea il dott. Duncan Allsopp. Le pellicole sottili TCO di nuova concezione sono attualmente utilizzate come elettrodi per celle solari, monitor touch screen, LED organici e LED inorganici. Celle fotovoltaiche ad alta efficienza I TCO anteriori e posteriori svolgono un ruolo cruciale nella produzione di celle solari altamente efficienti. «Piuttosto che l’ossido di indio-stagno (ITO), diventato un materiale standard nella progettazione di TCO nelle celle solari, abbiamo dimostrato che l’ossido di zinco e alluminio (AZO) può realizzare riflettori posteriori molto efficienti, sia per le celle solari a emettitore anteriore che per quelle a emettitore posteriore. Come materiale, l’AZO è un’alternativa all’indio economica, più facilmente disponibile, ugualmente trasparente ed elettricamente conduttiva», osserva il dott. Allsopp. Per le celle solari a emettitore posteriore, l’AZO offre un’alternativa valida agli elettrodi di superficie anteriori basati su ITO, con conduttività, fattore di riempimento e tensione a circuito aperto simili. Per le celle solari a eterogiunzione di silicio amorfo di tipo p, le pellicole sottili di TCO a base di AZO, preparate mediante deposizione di strati atomici (ALD), hanno aumentato il fattore di riempimento nel riflettore posteriore delle celle solari a emettitore posteriore. Nitruro di gallio (GaN) su silicio Il GaN è il principale semiconduttore utilizzato per la fabbricazione di LED a luce visibile. In condizioni di crescita standard, il GaN cristallizza nella struttura wurtzite che non è centro-simmetrica: le crescite lungo gli assi di polarità Ga e N non sono equivalenti. Questa polarità ha un profondo impatto sulle caratteristiche del materiale e sulle prestazioni del dispositivo. La preparazione di LED con pellicole AZO come elettrodi ha comportato l’impegnativo compito di sintetizzare TCO su GaN polare di tipo N di azoto e di esplorare nuove architetture LED. Il gruppo di ricerca ha sviluppato con successo contatti a bassa resistenza tra il TCO e il GaN polare di tipo N di azoto attraverso un’attenta ingegnerizzazione dell’interfaccia tramite pretrattamento al plasma. «I materiali TCO di nuova concezione hanno aperto la porta a nuovi design di dispositivi a LED visibili che sono più efficienti, affidabili e meno costosi», osserva il dott. Allsopp. Anodi senza indio per OLED A differenza dei LED, i LED organici (OLED) possono emettere luce diffusa morbida e consentire anche una più facile dissipazione del calore. Inoltre, con il miglioramento delle tecniche di incapsulamento di pellicole sottili, possono fornire pannelli di luce flessibili come un pezzo di carta. La necessità di migliorare la trasparenza e la conduttività a temperature elevate rende più impegnativo l’uso dell’ITO in combinazione con un substrato flessibile e materiali di incapsulamento. I ricercatori hanno superato questa sfida, dimostrando che gli anodi AZO nei dispositivi OLED preparati mediante polverizzazione, deposizione chimica in fase vapore o ALD producono un’elevata efficacia luminosa, simile a quella dei dispositivi di riferimento con anodi ITO. Sensori touch screen I ricercatori INREP hanno studiato alternative ai materiali per elettrodi in ITO prodotti mediante stampa serigrafica per sensori tattili trasparenti. La sfida consisteva nel sintetizzare paste da stampa basate su formulazioni di inchiostro in nanofili d’argento con caratteristiche reologiche compatibili con sensori tattili trasparenti. «I display touch screen in nanofili d’argento si sono dimostrati di gran lunga superiori alle strutture equivalenti fabbricate con ITO in termini di trasparenza», afferma il dott. Allsopp. Risultato importante, il consorzio ha sviluppato tecnologie e processi in grado di sfruttare gli inchiostri in nanofili d’argento per la produzione commerciale di una vasta gamma di display touch screen. Hanno anche stabilito le piattaforme firmware necessarie per queste applicazioni.
Parole chiave
INREP, ossido conduttivo trasparente (TCO), cella solare, ossido di zinco e alluminio (AZO), touch screen, nanofilo d’argento, elettrodo trasparente, LED organico (OLED), elettrodo a base di indio
