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H2020

INREP — Resultado resumido

Project ID: 641864
Financiado con arreglo a: H2020-EU.3.5.3.
País: Reino Unido
Dominio: Investigación fundamental, Industria, Tecnologías de la información y la comunicación

Nuevos electrodos transparentes de bajo coste para la optoelectrónica

Los componentes electrónicos flexibles y transparentes están un paso más cerca de convertirse en una realidad gracias al desarrollo de alternativas eficaces a los electrodos de óxido de indio. Los investigadores de una iniciativa financiada con fondos europeos han creado unas películas delgadas que podrían revolucionar los paneles solares, la iluminación con diodos emisores de luz (led) y las pantallas táctiles.
Nuevos electrodos transparentes de bajo coste para la optoelectrónica
Los materiales basados en óxido de indio constituyen el componente esencial de prácticamente todas las pantallas planas de última generación, las células fotovoltaicas de alta eficiencia y, además, forman parte de ledes orgánicos e inorgánicos. Sin embargo, el indio es cada vez más escaso y caro.

El objetivo principal del proyecto financiado con fondos europeos INREP era desarrollar candidatos resistentes y económicamente viables para reemplazar el indio en los componentes optoelectrónicos. El consorcio multidisciplinario adoptó un enfoque holístico y agrupó tanto a empresas de renombre en la cadena de valor de la producción de óxidos conductores transparentes (OCT) como a institutos de investigación dedicados al estudio de opciones OCT sin indio y tecnologías de deposición. «Empleamos una combinación de estudios de física básica y ciencia de materiales, métodos convencionales de deposición en película delgada y técnicas de crecimiento y caracterización para desarrollar películas de OCT que cumplan con los requisitos de aplicación específicos para dispositivos optoelectrónicos novedosos», señala el doctor Duncan Allsopp. Las nuevas películas delgadas de OCT desarrolladas se están empleando actualmente como electrodos para células fotovoltaicas, pantallas táctiles y ledes orgánicos e inorgánicos.

Células fotovoltaicas de alta eficiencia

Los OCT frontales y posteriores desempeñan un papel fundamental en la fabricación de células fotovoltaicas de gran eficiencia. «En vez de emplear óxido de indio dopado con estaño (ITO, por sus siglas en inglés), que se ha convertido en un material estándar en el diseño de OCT para células fotovoltaicas, demostramos que el óxido de aluminio y cinc (AZO) puede proporcionar reflectores posteriores muy eficientes, tanto para emisores frontales como posteriores en celdas fotovoltaicas. Como material, el AZO es una alternativa barata y más fácil de obtener que el indio y, además, presenta las mismas propiedades de transparencia y conductividad eléctrica», señala el doctor Allsopp.

Para las células fotovoltaicas de emisor posterior, el AZO proporciona una alternativa viable a los electrodos de superficie frontal basados en ITO, con una conductividad, factor de llenado y voltaje de circuito abierto similares. Para las células fotovoltaicas de heterounión de silicio amorfo de tipo b, las películas delgadas de OCT basadas en AZO desarrolladas por deposición de capas atómicas (ALD, por sus siglas en inglés) aumentaron el factor de llenado en el reflector posterior de las células fotovoltaicas de emisor posterior.

Nitruro de galio (GaN) en silicio

El GaN es el principal semiconductor empleado en la fabricación de ledes de luz blanca. En condiciones de crecimiento estándar, el GaN cristaliza en la estructura tipo wurtzita no centrosimétrica. Aquí, los crecimientos a lo largo de los ejes de polaridad Ga y polaridad N no son equivalentes. Esta polaridad tiene un marcado efecto en las características del material y en el rendimiento del dispositivo.

La preparación de ledes con películas de AZO como electrodos conllevó el reto de sintetizar OCT con GaN N polar y evaluar nuevas arquitecturas de ledes.

El equipo logró desarrollar contactos de baja resistencia entre el OCT y el GaN N polar a través de una cuidadosa ingeniería de interfases medida por pretratamiento con plasma. «Los nuevos materiales OCT desarrollados han abierto la puerta a nuevos diseños de dispositivos led de luz blanca, que son más eficaces, seguros y rentables», apunta el doctor Allsopp.

Ánodos sin indio para ledes orgánicos

A diferencia de los ledes convencionales, los ledes orgánicos (OLED) pueden emitir luz difusa suave y, además, permiten una disipación del calor más eficaz. Es más, a medida que mejoran las técnicas de encapsulación de película delgada, estos pueden servir para desarrollar paneles de luz tan flexibles como un trozo de papel.

La necesidad de mejorar la transparencia y la conductividad a temperaturas elevadas dificulta el uso de ITO en combinación con un sustrato flexible y materiales de encapsulación.

Los investigadores han solventado este obstáculo, demostrando que los ánodos de AZO en dispositivos OLED desarrollados por pulverización catódica, deposición química de vapor o ALD exhiben una alta eficiencia lumínica comparable a la de los dispositivos estándar con ánodos de ITO.

Sensores para pantallas táctiles

Los investigadores de INREP estudiaron alternativas a los materiales con electrodos ITO producidos por serigrafía para sensores táctiles transparentes. El reto consistió en sintetizar pastas de serigrafía basadas en formulaciones de tintas imprimibles con nanocables de plata con características reológicas compatibles con sensores táctiles transparentes. «Las pantallas táctiles con nanocables de plata han demostrado ser muy superiores a las estructuras similares fabricadas con ITO en términos de transparencia», comenta el doctor Allsopp.

Uno de los mayores logros del consorcio ha consistido en la creación de tecnologías y procesos capaces de emplear tintas imprimibles con nanocables de plata para la fabricación comercial de una amplia variedad de pantallas táctiles. También ha desarrollado plataformas de «firmware» necesarias para estas aplicaciones.

Palabras clave

INREP, óxido conductor transparente (OCT), célula fotovoltaica, óxido de aluminio y zinc (AZO), pantalla táctil, nanocable de plata, electrodo transparente, led orgánico (OLED), electrodo de óxido indio
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