Nowe, tańsze elektrody transparentne dla urządzeń optoelektronicznych
Surowce oparte na indzie są elementem niezbędnym praktycznie wszystkich płaskich monitorów i wysokosprawnych ogniw fotowoltaicznych z aktualnej generacji. Są także częścią organicznego i nieorganicznego oświetlenia LED. Jednakże ind staje się coraz rzadszy i droższy. Głównym celem finansowanego przez UE projektu INREP było stworzenie wytrzymałych, i jednocześnie opłacalnych, propozycji zamienników dla indu w komponentach optoelektronicznych. Badając możliwość stworzenia pozbawionych indu transparentnych tlenków przewodzących (ang. transparent conducting oxide, TCO) i technologii nakładania warstw, to multidyscyplinarne konsorcjum przyjęło podejście holistyczne we współpracy z uznanymi firmami łańcucha wartości oraz instytutami badawczymi,. „Wykorzystaliśmy zarówno podstawowe badania fizyczne jak i badania materiałowe, konwencjonalny proces nakładania cienkich filmów, a także techniki wzrostu i charakteryzacji, aby opracować filmy z TCO, które odpowiadają szczególnym wymaganiom określonego zastosowania w nowoczesnych urządzeniach optoelektronicznych”, tłumaczy dr Duncan Allsopp. Opracowane niedawno cienkie filmy z TCO są obecnie stosowane w charakterze elektrod w ogniwach fotowoltaicznych, monitorach dotykowych oraz organicznym i nieorganicznym oświetleniu LED. Wysokowydajne ogniwa fotowoltaiczne Przednie i tylne TCO odgrywają kluczową rolę w produkcji wysokowydajnych ogniw słonecznych. „Udowodniliśmy, że w odróżnieniu od tlenku cynowo-indowego (ang. indium tin oxide, ITO), standardowego surowca dla TCO w ogniwach fotowoltaicznych, tlenek glinowo-cynkowy (ang. aluminium zinc oxide, AZO) może tworzyć bardzo wydajne tylne reflektory, dla ogniw mających zarówno przednie, jak i tylne emitery. AZO jest surowcem tanim, łatwo dostępnym, jednolicie transparentnym i przewodzącym prąd, stanowiąc dobrą alternatywę dla indu”, zauważa dr Allsopp. Dla ogniw z tylnymi emiterami, AZO jest dobrą alternatywą do pokrycia powierzchni przednich elektrod bazujących na ITO, gdyż wykazuje zbliżoną przewodność, współczynnik wypełnienia i napięcie obwodu otwartego. Dla opartych na amorficznym krzemie ogniw słonecznych z heterozłączem typu p, cienkie filmy TCO oparte na AZO, przygotowane techniką osadzania warstw atomowych (ang. atomic layer deposition, ALD), zwiększają współczynnik wypełnienia na tylnym reflektorze ogniw słonecznych z tylnym emiterem. Azotek galu (GaN) na krzemie GaN jest najważniejszym półprzewodnikiem wykorzystywanym w produkcji oświetlenia typu LED emitującego światło widzialne. W standardowych warunkach wzrostu, GaN krystalizuje w strukturę wurcytową, która nie wykazuje symetrii centralnej: wzrosty wzdłuż osi biegunowości galu i azotu nie są takie same. Ta biegunowość ma istotny wpływ na cechy materiału i wydajność urządzenia. Przygotowanie oświetlenia LED z elektrodami opatrzonymi filmami z AZO wiązało się z wyzwaniem polegającym na syntezie TCO na GaN typu n spolaryzowanym w kierunku azotu i zbadaniem nowych struktur LED. Dzięki uważnej inżynierii przy pomocy wstępnej obróbki plazmowej, zespół z powodzeniem opracował niskooporne punkty kontaktu między TCO a GaN typu n spolaryzowanym w kierunku azotu. „Nowo opracowane materiały TCO otworzyły drogę do innowacyjnych projektów oświetlenia typu LED emitującego światło widzialne, które są bardziej wydajne, niezawodne i mniej kosztowne”, zauważa dr Allsopp. Wolne od indu anody dla OLED W odróżnieniu do oświetlenia typu LED, organiczne oświetlenie typu LED (OLED) może emitować miękkie światło rozproszone i umożliwia łatwiejsze odprowadzanie ciepła. Co więcej, wraz z postępem w dziedzinie technik oblekania cienkimi filmami, mogą one dostarczyć paneli słonecznych o elastyczności zbliżonej do papieru. Potrzeba poprawy stopnia transparentności i przewodności przy podwyższonych temperaturach sprawia, że wykorzystanie ITO w połączeniu z elastycznym surowcem i surowcami oblekającymi, jest prawdziwym wyzwaniem. Naukowcy obeszli tę przeszkodę wykazując, że w urządzeniach typu OLED anody z AZO, przygotowane albo w procesie napylania, chemicznego osadzania warstw z faz gazowych lub ALD, dają wysoką skuteczność świecenia, zbliżoną do urządzeń referencyjnych wyposażonych w anody z ITO. Czujniki ekranów dotykowych Badacze projektu INREP zbadali alternatywy dla materiałów elektrod ITO wytwarzanych w procesie druku sitowego na potrzeby wykorzystania w czujnikach dotykowych. Wyzwaniem była synteza pasty drukarskiej opartej na formule tuszów ze srebrowymi nanoprzewodami, która wykazywałaby cechy reologiczne kompatybilne z transparentnymi czujnikami dotykowymi. „Ekrany dotykowe ze srebrowymi nanoprzewodami okazały się być dużo lepsze pod względem transparentności niż ich strukturalne odpowiedniki wytworzone z ITO”, mówi dr Allsopp. Konsorcjum projektu opracowało technologie i procesy zdolne wykorzystać tusze ze srebrowymi nanoprzewodami w komercyjnej produkcji szerokiej gamy ekranów dotykowych, co jest dużym osiągnięciem. Udało się również założyć platformy sprzętowe niezbędne dla tego rodzaju zastosowań.
Słowa kluczowe
INREP, transparentny tlenek przewodzący (TCO), ogniwo fotowoltaiczne, tlenek glinowo-cynkowy (AZO), ekran dotykowy, nanoprzewody srebrowe, transparentna elektroda, organiczne LED (OLED), elektroda oparta na indzie
