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(odnośnik otworzy się w nowym oknie) 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.
