نسل جدید سلول‌های خورشیدی با استفاده از گرافن‌ها در راه است

به گزارش خبرنگار فناوری خبرگزاری دانشجو، روش جدید برای ساخت ورقه‌‌های بزرگ، باکیفیت و نازک اتمی گرافن می‌‌تواند منجر به ایجاد سلول‌‌های خورشیدی بسیارسبک، انعطاف‌پذیر و انواع جدیدی از دستگاه‌های نشر نور و دیگر الکترونیک‌‌های فیلم نازک شود.

فرآیند تولید جدید که توسط محققان MIT ایجاد شده‌‌ است و تولید آن در مقیاس صنعتی بسیار آسان است؛ شامل یک لایه «بافر» میانی از مواد بوده که برای موفقیت این روش بسیار مهم است. بافر اجازه می‌‌دهد تا ورقه‌‌های فوق نازک گرافن (کمتر از نانومتر) به راحتی از زیر لایه برداشته شده و امکان تولید سریع رول به رول را فراهم کند.

در سال‌‌های اخیر، یافتن راهی برای ساخت الکترود‌های نازک، بزرگ و شفاف که در هوای آزاد پایدار هستند خواسته اصلی الکترونیک‌های فیلم نازک برای کاربرد‌های مختلف در دستگاه‌‌های اپتوالکترونیکی است. (چیزی که هم مانند صفحات کامپیوتر و تلفن هوشمند نور تولید و هم مانند سلول‌‌های خورشیدی نور دریافت کند). استاندارد امروز برای چنین کاربرد‌هایی اکسید قلع ایندیوم (ITO)، ماده‌ای که اساس آن عناصر کمیاب و گران شیمیایی است.

بسیاری از گروه‌‌های تحقیقاتی در زمینه یافتن جایگزینی برای ITO، با تمرکز بر روی هر دو ماده آلی و معدنی کار کرده‌‌اند. گرافن، نوعی کربن خالص است که اتم‌‌های آن در یک آرایش هگزاگونال کنارهم قرار گرفته‌‌اند، دارای خواص الکتریکی و مکانیکی بسیار مناسبی است؛ اما از نظر فیزیکی نازک و انعطاف‌‌پذیر بوده و از مواد ارزان ساخته شده ‌‌است. علاوه بر این، همانطور که این گروه نشان دادند، می‌‌توان گرافن را به راحتی با انباشت بخار شیمیایی (CVD)، با استفاده از مس به عنوان لایه اولیه، به شکل ورقه‌‌های بزرگ ساخت. با این حال درکاربرد‌های دستگاهی، دشوارترین بخش یافتن راه‌‌هایی برای آزادکرده گرافن رشدیافته CVD از بستر مس است.

این آزادسازی که به فرآیند انتقال گرافن معروف است، منجر به ایجاد شبکه‌‌ای از چین‌‌خوردگی‌‌ها و کاستی‌‌ها در ورقه‌‌ می‌‌شود. همین موضوع باعث از بین رفتن تداوم فیلم و کاهش رسانایی الکتریکی خواهد شد. محقق این پروژه گفت: «با فناوری جدید، ما قادریم تا ورقه‌‌های بزرگ گرافن را تولید کنیم، آن‌ها را به هر زیرلایه‌‌ای که می‌‌خواهیم منتقل کرده تا نحوه انتقال آن‌ها تاثیری در ویژگی‌‌های الکتریکی و مکانیکی گرافن نداشته باشد.»

کلید این موضوع لایه بافری ساخته شده از پلیمری به نام پاریلن است که در سطح اتمی با ورقه‌‌های گرافنی مطابقت دارد. مانند گرافن؛ پاریلن نیز با CVD تولید می‌‌شود که فرایند تولید و مقیاس پذیری را ساده می‌‌کند.

برای اثبات این فناوری، گروه سلول‌‌های خورشیدی اثبات مفهومی ساختند؛ یک ماده سلول خورشیدی پلیمری فیلم نازک را در کنار لایه گرافنی تازه شکل گرفته برای یکی از دو الکترود سلول، قرار دادند و درنهایت یک لایه پاریلن که بعنوان زیرلایه در دستگاه قرار دارد. آن‌ها عبور نوری را نزدیک به ۹۰% برای فیلم گرافن، تحت نور مرئی اندازه‌گیری کردند.

سلول خورشیدی مبتنی بر گرافن نمونه در مقایسه با سلول‌‌های مبتنی بر ITO تقریبا ۳۶ برابر در هر جرم نیرو منتقل می‌‌کند. همچنین از ۲۰۰/۱ مقدار ماده در هر واحد سطح برای الکترود شفاف استفاده می‌‌کند. درنهایت در مقایسه با ITO فایده بیشتری داشته و تقریبا رایگان است.

محقق گفت: «دستگاه‌‌های بر پایه گرافن فوق سبک می‌‌توانند راه را برای کاربرد‌های جدید هموار کند؛ بنابراین اگر شما به دستگاه‌های قابل حمل فکر می‌‌کنید، نیرو در هر وزن بسیار مهم خواهد شد.»

ماده بافر پاریلن، به طور گسترده‌ای در صنعت میکروالکترونیک، معمولا برای کپسوله و محافظت کردن دستگاه‌های الکترونیکی استفاده می‌‌شود. پس زنجیره‌‌های تامین و تجهیزات برای استفاده از مواد در حال حاضر گسترده است. آزمایش‌ها نشان دادند که یکی از سه نوع پاریلن موجود، دارای اتم کلر بیشتری است و به همین دلیل کارآرایی موثرتری داشته‌‌است.

نزدیکی اتمی پریلین غنی از کلر، به گرافن زیرین به عنوان لایه‌های ساندویچی، یک مزیت است و نوعی دوپینگ برای گرافن به حساب می‌‌آید. در نهایت یک رویکرد مطمئن و غیرمخرب برای بهبود هدایت گرافن در مساحت‌‌های بزرگ است.