麻省理工学院的研究人员对一种透明的导电涂层材料进行了改进,使其导电性提高了10倍。当这种材料加入到一种高效太阳能电池中时,它提高了电池的效率和稳定性。

这项新发现发表在今天的《科学进展》杂志上,由麻省理工学院博士后Meysam Heydari Gharahcheshmeh,教授Karen Gleason和Jing Kong以及其他三位教授共同撰写。

“我们的目标是找到一种既导电又透明的材料,”Gleason解释说,“这种材料将在触摸屏和太阳能电池等一系列应用中发挥作用。”她说,目前最广泛用于此类目的的材料是铟氧化钛的ITO,但这种材料很脆,使用一段时间后就会开裂。

两年前,格里森和她的同事们改进了一种透明导电材料的柔性版本,并发表了他们的发现,但这种材料仍然远远不能与伊藤的高光学透明度和导电性相匹配。她说,新的、更有序的材料比以前的版本好十倍以上。

透明度和电导率的单位是每厘米西门子。ITO介电常数在6000到10000之间,虽然没人期望有一种新材料能达到这个数值,但研究的目标是找到一种至少能达到35的材料。早期的出版物超过了50,新材料已经超越了这个结果,现在达到了3000;该团队仍在对流程进行微调,以进一步提高效率。

这种高性能的柔性材料是一种被称为PEDOT的有机聚合物,它通过一种称为氧化化学气相沉积(oCVD)的过程沉积在只有几纳米厚的超薄层上。在这一过程中,形成聚合物的微小晶体的结构在水平方向上完美排列,从而使材料具有高导电性。此外,oCVD方法可以缩短晶体内聚合物链间的堆积距离,提高导电性。

为了证明这种材料的潜在用途,该团队将高度对齐的PEDOT层合并到基于钙钛矿的太阳能电池中。这种电池被认为是一种很有前途的硅的替代品,因为它们的高效率和易于制造,但它们缺乏耐久性是一个主要的缺点。与新的oCVD对准PEDOT,钙钛矿的效率提高了一倍,其稳定性。

Heydari Gharahcheshmeh说,在最初的测试中,oCVD层被应用于直径为6英寸的衬底,但该工艺可以直接应用于大规模的、卷到卷的工业生产过程。他表示:“现在很容易适应工业扩张。”这是因为涂层可以在140摄氏度的温度下进行加工,这比其他材料要求的温度要低得多。

oCVD PEDOT是一种温和的单步工艺,可以直接沉积在塑料基板上,这是柔性太阳能电池和显示器所需要的。相比之下,许多其他透明导电材料的激进生长条件要求在不同的、更坚固的基材上进行初始沉积,然后进行复杂的过程来剥离该层并将其转化为塑料。

由于这种材料是通过干气相沉积工艺制成的,因此所产生的薄层甚至可以沿着表面的最细轮廓,均匀地覆盖它们,这在某些应用中可能是有用的。例如,它可以涂在织物上,覆盖每一根纤维,但仍能让织物透气。

该团队仍然需要在更大的范围内演示该系统,并证明其在更长时间和不同条件下的稳定性,因此研究仍在进行中。但是“没有技术上的障碍来推动这一进程。真正的问题是谁来投资把它推向市场。

研究团队包括麻省理工学院博士后Mohammad Mahdi Tavakoli和Maxwell Robinson,以及研究附属机构Edward Gleason。这项工作由埃尼集团支持,隶属于埃尼-麻省理工联盟太阳能前沿项目。

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