Immagina un futuro in cui le celle solari sono tutt'intorno a noi, su finestre e pareti, telefono cellulare, computer portatili, e altro ancora. Un nuovo flessibile, la cella solare trasparente sviluppata al MIT sta avvicinando ulteriormente questo futuro.

Il dispositivo combina materiali organici (contenenti carbonio) a basso costo con elettrodi di grafene, un flessibile, materiale trasparente costituito da fonti di carbonio economiche e abbondanti. Questo progresso nella tecnologia solare è stato reso possibile da un nuovo metodo per depositare uno strato di grafene dello spessore di un atomo sulla cella solare, senza danneggiare i materiali organici sensibili vicini. Fino ad ora, gli sviluppatori di celle solari trasparenti hanno in genere fatto affidamento su costosi, elettrodi fragili che tendono a rompersi quando il dispositivo viene flesso. La possibilità di utilizzare invece il grafene sta rendendo possibile una vera flessibilità, basso costo, celle solari trasparenti che possono trasformare praticamente qualsiasi superficie in una fonte di energia elettrica.

Le celle solari fotovoltaiche realizzate con composti organici offrirebbero una serie di vantaggi rispetto alle odierne celle solari in silicio inorganico. Sarebbero più economici e più facili da produrre. Sarebbero leggeri e flessibili piuttosto che pesanti, rigido, e fragile, e quindi sarebbe più facile da trasportare, comprese le regioni remote prive di rete elettrica centrale. E potrebbero essere trasparenti. Molti materiali organici assorbono le componenti ultraviolette e infrarosse della luce solare ma trasmettono la parte visibile che i nostri occhi possono rilevare. Le celle solari organiche potrebbero quindi essere montate su superfici tutt'intorno a noi e raccogliere energia senza che ce ne accorgiamo.

I ricercatori hanno compiuto progressi significativi negli ultimi dieci anni verso lo sviluppo di celle solari organiche trasparenti. Ma hanno incontrato un ostacolo persistente:trovare materiali adatti per gli elettrodi che portano la corrente fuori dalla cella.

"È raro trovare in natura materiali che siano sia elettricamente conduttivi che otticamente trasparenti, " afferma il professor Jing Kong del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica (EECS).

L'opzione corrente più utilizzata è l'ossido di indio e stagno (ITO). ITO è conduttivo e trasparente, ma è anche rigido e fragile, quindi quando la cella solare organica si piega, l'elettrodo ITO tende a rompersi e sollevarsi. Inoltre, l'indio è costoso e relativamente raro.

Un'alternativa promettente all'ITO è il grafene, una forma di carbonio che si presenta in fogli dello spessore di un atomo e ha caratteristiche notevoli. è altamente conduttivo, flessibile, robusto, e trasparente; ed è fatto di carbonio poco costoso e onnipresente. Inoltre, un elettrodo di grafene può avere uno spessore di appena 1 nanometro, una frazione dello spessore di un elettrodo ITO e una corrispondenza di gran lunga migliore per la stessa cella solare organica sottile.

Sfide al grafene

Due problemi chiave hanno rallentato l'adozione all'ingrosso di elettrodi di grafene. Il primo problema è depositare gli elettrodi di grafene sulla cella solare. La maggior parte delle celle solari è costruita su substrati come vetro o plastica. L'elettrodo di grafene inferiore viene depositato direttamente su quel substrato, un compito che può essere raggiunto mediante processi che coinvolgono l'acqua, solventi, e calore. Gli altri strati vengono poi aggiunti, terminando con l'elettrodo di grafene superiore. Ma mettere quell'elettrodo superiore sulla superficie del cosiddetto strato di trasporto del foro (HTL) è complicato.

"L'HTL si dissolve in acqua, e i materiali organici appena sotto di esso sono sensibili praticamente a qualsiasi cosa, compresa l'acqua, solventi, e calore, ", afferma la studentessa laureata EECS Yi Song, Eni-MIT Energy Fellow 2016-2017 e membro del Kong's Nanomaterials and Electronics Group. Di conseguenza, i ricercatori hanno tipicamente insistito nell'usare un elettrodo ITO sulla parte superiore.

Il secondo problema con l'utilizzo del grafene è che i due elettrodi devono svolgere ruoli diversi. La facilità con cui un dato materiale lascia andare gli elettroni è una proprietà definita chiamata funzione di lavoro. Ma nella cella solare, solo uno degli elettrodi dovrebbe far defluire facilmente gli elettroni. Di conseguenza, avere entrambi gli elettrodi fatti di grafene richiederebbe di cambiare la funzione di lavoro di uno di essi in modo che gli elettroni sappiano dove andare, e cambiare la funzione di lavoro di qualsiasi materiale non è semplice.

Un trasferimento fluido del grafene

Negli ultimi tre anni, Kong e Song hanno lavorato per risolvere questi problemi. Per prima cosa hanno sviluppato e ottimizzato un processo per posare l'elettrodo inferiore sul loro substrato.

In quel processo, fanno crescere un foglio di grafene su un foglio di rame. Quindi lo trasferiscono sul substrato usando una tecnica dimostrata da Kong e dai suoi colleghi nel 2008. Depositano uno strato di polimero sopra il foglio di grafene per sostenerlo e quindi usano una soluzione acida per incidere la lamina di rame sul retro, finendo con una pila di grafene-polimero che trasferiscono in acqua per il risciacquo. Quindi raccolgono semplicemente la pila galleggiante di polimero di grafene con il substrato e rimuovono lo strato di polimero usando il calore o un risciacquo con acetone. Il risultato:un elettrodo di grafene appoggiato sul substrato.

Ma estrarre l'elettrodo superiore dall'acqua non è fattibile. Quindi trasformano invece la pila galleggiante di polimero di grafene in una specie di timbro, premendo su di esso un telaio di gomma siliconica dello spessore di mezzo millimetro. Afferrando il telaio con una pinzetta, sollevano la pila, asciugalo, e posizionarlo sopra l'HTL. Quindi, con un riscaldamento minimo, possono staccare il timbro in gomma siliconica e lo strato di supporto polimerico, lasciando il grafene depositato sull'HTL.

Inizialmente, gli elettrodi che Song e Kong hanno fabbricato utilizzando questo processo non hanno funzionato bene. I test hanno dimostrato che lo strato di grafene non aderisce strettamente all'HTL, quindi la corrente non poteva fluire in modo efficiente. Le soluzioni ovvie a questo problema non funzionerebbero. Riscaldare la struttura quanto basta per far aderire il grafene danneggerebbe le sostanze organiche sensibili. E mettere una specie di colla sul fondo del grafene prima di adagiarlo sull'HTL incollerebbe i due strati, ma finirebbe come uno strato aggiunto tra di loro, diminuendo piuttosto che aumentare il contatto interfacciale.

Song ha deciso che l'aggiunta di colla al timbro potrebbe essere la strada da percorrere, ma non come uno strato sotto il grafene.

"Abbiamo pensato, cosa succede se spruzziamo questo molto morbido, polimero appiccicoso sopra il grafene?" dice. "Non sarebbe in contatto diretto con lo strato di trasporto del foro, ma poiché il grafene è così sottile, forse le sue proprietà adesive potrebbero rimanere intatte attraverso il grafene".

Per testare l'idea, i ricercatori hanno incorporato uno strato di etilene-vinilacetato, o EVA, nel loro timbro, proprio sopra il grafene. Lo strato di EVA è molto flessibile e sottile, una specie di pellicola alimentare, e può facilmente strapparsi. Ma hanno scoperto che lo strato di polimero che viene dopo lo tiene insieme, e l'arrangiamento ha funzionato proprio come sperava Song:il film EVA aderisce strettamente all'HTL, conformarsi a qualsiasi microscopico aspetto ruvido sulla superficie e costringere il sottile strato di grafene sottostante a fare lo stesso.

Il processo non solo ha migliorato le prestazioni, ma ha anche portato un vantaggio collaterale inaspettato. I ricercatori pensavano che il loro prossimo compito sarebbe stato quello di trovare un modo per cambiare la funzione di lavoro dell'elettrodo di grafene superiore in modo che fosse diverso da quello di quello inferiore, garantendo un flusso di elettroni regolare. Ma quel passo non era necessario. La loro tecnica per deporre il grafene sull'HTL cambia effettivamente la funzione di lavoro dell'elettrodo esattamente come ne hanno bisogno.

"Siamo stati fortunati, " dice Song. "I nostri elettrodi superiore e inferiore hanno semplicemente le funzioni di lavoro corrette a causa dei processi che usiamo per realizzarli".

Mettere alla prova gli elettrodi

Per vedere come si comportano in pratica i loro elettrodi di grafene, i ricercatori avevano bisogno di incorporarli in celle solari organiche funzionanti. Per quel compito, si sono rivolti alla fabbricazione di celle solari e alle strutture di collaudo del loro collega Vladimir Bulovic, il Fariborz Maseeh (1990) Professore di Tecnologie Emergenti e Preside Associato per l'Innovazione della Scuola di Ingegneria.

Per confronto, hanno costruito una serie di celle solari su substrati di vetro rigido con elettrodi in grafene, ITO, e alluminio (un materiale per elettrodi standard). Le densità attuali (o CD, la quantità di corrente che scorre per unità di superficie) e le efficienze di conversione di potenza (o PCE, la frazione di energia solare in entrata convertita in elettricità) per i nuovi dispositivi flessibili grafene/grafene e i dispositivi rigidi standard ITO/grafene erano comparabili. Erano inferiori a quelli dei dispositivi con un elettrodo di alluminio, ma era una scoperta che si aspettavano.

"Un elettrodo di alluminio sul fondo rifletterà parte della luce in entrata nella cella solare, in modo che il dispositivo nel complesso possa assorbire più energia solare di quanto possa un dispositivo trasparente, "dice Kong.

I PCE per tutti i loro dispositivi grafene/grafene, su substrati di vetro rigidi e flessibili, variavano dal 2,8 percento al 4,1 percento. Sebbene questi valori siano ben al di sotto dei PCE dei pannelli solari commerciali esistenti, sono un miglioramento significativo rispetto ai PCE ottenuti in lavori precedenti che coinvolgono dispositivi semitrasparenti con elettrodi interamente in grafene, dicono i ricercatori.

Le misurazioni della trasparenza dei loro dispositivi grafene/grafene hanno prodotto ulteriori risultati incoraggianti. L'occhio umano può rilevare la luce a lunghezze d'onda comprese tra circa 400 nanometri e 700 nanometri. I dispositivi interamente in grafene hanno mostrato una trasmittanza ottica del 61 percento su tutto il regime visibile e fino al 69 percento a 550 nanometri. "Quei valori [per la trasmittanza] sono tra i più alti per le celle solari trasparenti con efficienze di conversione di potenza comparabili in letteratura, "dice Kong.

Substrati flessibili, comportamento di flessione

I ricercatori fanno notare che la loro cella solare organica può essere depositata su qualsiasi tipo di superficie, rigido o flessibile, trasparente o meno. "Se vuoi metterlo sulla superficie della tua auto, ad esempio, non sembrerà male, " dice Kong. "Sarai in grado di vedere fino a che cosa c'era originariamente."

Per dimostrare questa versatilità, hanno depositato i loro dispositivi grafene-grafene su substrati flessibili tra cui plastica, carta opaca, e nastro Kapton traslucido. Le misurazioni mostrano che le prestazioni dei dispositivi sono all'incirca uguali sui tre substrati flessibili e solo leggermente inferiori a quelle realizzate su vetro, probabilmente perché le superfici sono più ruvide, quindi c'è un potenziale maggiore per uno scarso contatto.

La capacità di depositare la cella solare su qualsiasi superficie la rende promettente per l'uso nell'elettronica di consumo, un campo in rapida crescita in tutto il mondo. Per esempio, le celle solari potrebbero essere fabbricate direttamente su telefoni cellulari e laptop piuttosto che realizzate separatamente e quindi installate, un cambiamento che ridurrebbe notevolmente i costi di produzione.

Sarebbero anche adatti per dispositivi futuri come celle solari peel-and-stick ed elettronica cartacea. Poiché quei dispositivi sarebbero inevitabilmente piegati e piegati, i ricercatori hanno sottoposto i loro campioni allo stesso trattamento. Sebbene tutti i loro dispositivi, compresi quelli con elettrodi ITO, possano essere piegati ripetutamente, quelli con elettrodi di grafene potrebbero essere piegati molto più strettamente prima che la loro produzione iniziasse a diminuire.

Obiettivi futuri

I ricercatori stanno ora lavorando per migliorare l'efficienza delle loro celle solari organiche a base di grafene senza sacrificare la trasparenza. (L'aumento della quantità di area attiva farebbe aumentare il PCE, ma la trasparenza diminuirebbe.) Secondo i loro calcoli, la massima PCE teorica ottenibile al loro attuale livello di trasparenza è del 10 percento.

"Il nostro miglior PCE è di circa il 4%, quindi abbiamo ancora molta strada da fare, "dice Canzone.

Ora stanno anche valutando il modo migliore per ampliare le loro celle solari nei dispositivi di ampia area necessari per coprire intere finestre e pareti, dove potevano generare energia in modo efficiente rimanendo virtualmente invisibili all'occhio umano.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.