Un conjunto flexible y plegable de células solares que se han impreso en una hoja de papel. (Imagen: MIT)

En los últimos diez años, el papel se ha convertido en un área de enfoque para los investigadores que desarrollan técnicas innovadoras para componentes electrónicos básicos impresos. El objetivo de esta investigación es reemplazar los sustratos plásticos con materiales de bajo costo, versátiles y sostenibles.

Las principales ventajas de invertir en papel para dispositivos electrónicos y dispositivos de almacenamiento de energía son las siguientes: 1) el bajo costo de la tecnología; 2) la posibilidad de recuperar los componentes del dispositivo y reciclar el sustrato, así como los materiales activos; y la producción de 3) dispositivos inocuos para el medio ambiente y 4) biocompatibles.

Como ya hemos informado en numerosos Nanowerk Spotlights anteriores , las pantallas electrónicas de papel son una realidad comercial y prototipos de elementos como baterías de papel , células solares , transistores de nanopaper , nanogeneradores termoeléctricos , optoelectrónica con capacidad de grafeno , biosensores e incluso laboratorio de microfluidos dispositivos de chip están en desarrollo.

En estas aplicaciones, el papel se puede usar simplemente como el sustrato flexible sobre el que los investigadores transfieren películas delgadas, nanopartículas u otras nanoestructuras a través de diversos procesos, como la impresión. Alternativamente, al explotar su naturaleza similar a la fibra porosa, el papel se puede usar como película activa por infiltración o copreparación con materiales electrónicos para dar funcionalidades adicionales al papel celulósico.

Un artículo de revisión reciente en Advanced Functional Materials ( “Celdas solares impresas y dispositivos de almacenamiento de energía en sustratos de papel” ) presenta un análisis detallado del estado del arte del uso de papel y sistemas similares al papel de celulosa para la realización de dispositivos fotovoltaicos. supercondensadores y baterías, donde al menos una de las capas constituyentes principales se ha depositado o sintetizado a través de técnicas de impresión o procesamiento de soluciones.

Una imagen de un transistor nanopaper transparente y flexible fabricado (ver: ” Transistores de nanopaper para la próxima era de la electrónica flexible y transparente “). (Imagen: Bing Research Group, Universidad de Maryland)

En particular, los autores cubren los avances de la investigación en la ingeniería del papel como sustrato para dispositivos fotovoltaicos y de almacenamiento. Discuten las técnicas de impresión que se han utilizado hasta ahora para la fabricación de estos dispositivos y también cubren los problemas de durabilidad y reciclabilidad.

Papel como sustrato para células solares impresas y almacenamiento de energía.
El sustrato representa una parte clave en la fabricación de dispositivos para la recolección y almacenamiento de energía. Por lo general, las propiedades del sustrato deben adaptarse teniendo en cuenta diferentes parámetros, como el tipo de dispositivo, su durabilidad, la arquitectura elegida, la técnica de deposición utilizada y el proceso tecnológico implementado.

Se requieren tratamientos superficiales especiales para permitir la deposición de dispositivos de película delgada optoelectrónicos en papel. En primer lugar, es necesario disminuir su rugosidad y porosidad natural de la superficie para garantizar la eficiencia del proceso de impresión, reduciendo el riesgo de difusión de tinta entre los poros del papel por acción capilar y también para evitar grietas y defectos en las capas conductoras. En segundo lugar, la aplicación de capas de recubrimiento antes de la deposición de tinta en la superficie encapsula la superficie de celulosa y también mejora su color y / o reflectividad de la luz.

Un conjunto flexible y plegable de células solares que se han impreso en una hoja de papel. (Imagen: MIT)

Papel para almacenamiento de energía

La característica del papel que se considera un inconveniente para su implementación en dispositivos de película delgada, es decir, la superficie rugosa, puede representar una propiedad deseada en los dispositivos de almacenamiento de energía.

Las fibras de papel tienen hasta varias decenas de longitud de micrómetro y ancho de 20 µm, y forman poros con diámetro de dimensión micro. A la inversa de lo que se observa en las células solares de película delgada, esta alta porosidad permite explotar la acción capilar para absorber los materiales activos de los electrodos.

Para lograr esto, los investigadores han seguido diferentes enfoques basados ​​principalmente en la funcionalización con varios nanomateriales, como los nanotubos de carbono de pared simple , los nanocables de plata, el grafeno o las nanopartículas .
La característica de estos recubrimientos radica en su característica de cubrir completamente las fibras de celulosa y conectar eléctricamente las fibras vecinas.
Tecnologías de impresión para electrónica de papel.

La aplicación exitosa de técnicas de impresión de gran área a dispositivos de recolección y almacenamiento de luz permitirá no solo una perfecta integración de estos dos tipos de dispositivos simbióticos monolíticamente en el mismo sustrato, sino también la posibilidad de aplicarlos con otros tipos de dispositivos optoelectrónicos impresos. Por ejemplo, transistores, sensores y pantallas, para el desarrollo de la electrónica de papel del futuro.

Dispositivos de visualización planar, 3D y color en papel. (a) Dibujo esquemático de la pantalla de papel plana fabricada mediante el modelado de electrodos de grafeno multicapa en elementos aislados utilizando un plotter. (b) Fotografía del dispositivo operativo. El color de los elementos aislados se puede controlar individualmente. (c) Pantalla de papel 3D fabricada al plegar el dispositivo de papel planar en tres dimensiones. Los elementos de visualización están modelados en un dispositivo plano. (d) Fotografía del dispositivo operativo con retroiluminación. El electrodo de grafeno multicapa conserva su continuidad eléctrica después del plegado. (e) Dibujo esquemático del dispositivo de color formado por la impresión de tóner de color de medios tonos en papel intercalado entre dos electrodos de grafeno de varias capas. (e, f) Fotografía del dispositivo de trabajo con tensión de polarización de 0 y 4 V.

Los principales sustratos para la electrónica impresa han consistido históricamente en vidrio, láminas de plástico y láminas metálicas. El desarrollo de la electrónica de papel ha suscitado un gran interés por parte de los laboratorios de investigación en los últimos años, reuniendo los tres campos clave de impresión , papel y electrónica al mismo tiempo.

Actualmente, el revestimiento por centrifugación (alto control sobre el espesor de la película pero alto desperdicio de material) todavía representa la principal técnica de deposición de solución líquida utilizada en más del 50% de los trabajos que los autores revisaron para dispositivos fotovoltaicos en papel.

La fundición por goteo también se usa con frecuencia para depositar tintas activas en sustratos de papel, generalmente cuando se requieren películas más gruesas o cuando surgen problemas de humedecimiento durante el recubrimiento por centrifugación. Sin embargo, la fundición por caída tiene el inconveniente de ofrecer un control muy pobre en el espesor de la película.

Ambas técnicas no son aplicables a la fabricación a gran escala de rollo a rollo de alto rendimiento.

En el caso de baterías y supercapacitores, los principales medios de deposición que se han utilizado han sido la serigrafía y la impresión de inyección de tinta.

Tecnologías impresas para células solares de papel

En esta sección, los autores revisan los desarrollos de células solares impresas en sustratos de papel. Primero analizan un problema crítico: producir electrodos efectivos, uno de los cuales debe ser transparente. Luego cubren la literatura sobre las diferentes tecnologías fotovoltaicas fabricadas en papel en las que al menos una de las capas ha sido procesada en solución. Concluyen esta sección describiendo los problemas para el desarrollo futuro.

Almacenamiento de energía en papel

Esta parte de la revisión ofrece una descripción general de los supercapacitores y baterías en papel, y se centra en los problemas tecnológicos y los resultados obtenidos con cada tecnología.

Estabilidad y reciclaje

Los autores señalan que solo un número muy limitado de manuscritos informan sobre la vida útil de los dispositivos depositados en el papel, y el impacto de la humedad y la temperatura, y la acción de los mohos, bacterias y otros organismos, y la contaminación en la degradación del papel.

Al analizar la literatura, los autores señalan que se hace evidente que todavía deben resolverse varios aspectos para lograr dispositivos de larga duración y alto rendimiento capaces de alimentar futuras generaciones de dispositivos flexibles en papel. En particular, para el sustrato, aunque se han estudiado varios recubrimientos para alisar la superficie del papel y aumentar la durabilidad, la estabilidad sigue siendo un problema pendiente.
Estos aspectos aún están en estudio y no se han relacionado directamente con la vida útil de las células solares y los dispositivos de almacenamiento.

Al concluir su revisión, los autores ven dos áreas principales para posibles aplicaciones, asumiendo que los diversos problemas técnicos que existen hoy en día se pueden abordar de manera efectiva.

Primero, los dispositivos basados ​​en papel pueden insertarse individualmente en productos comerciales comunes. Es probable que el sector más prometedor para los mercados iniciales sea el de baterías de papel y supercapacitores. De hecho, los capacitores de potencia basados ​​en papel ya están en uso en aplicaciones como los postes de servicios públicos. La versatilidad de poder adaptarse a diferentes formas y formas debería abrir su inserción en muchos mercados de productos futuros.

En segundo lugar, el potencial más emocionante y futurista es el de estar integrado con otros productos electrónicos impresos (para potenciar la funcionalidad electrónica), así como gráficos en sustratos de papel.

La gama de productos potenciales puede ser asombrosa: etiquetas inteligentes, tickets inteligentes, tarjetas de novedades, empaques inteligentes, empaques desechables, etiquetas de identificación de radiofrecuencia para la gestión de inventarios o etiquetas de alimentos, productos químicos desechables, sensores biomédicos, dispositivos de diagnóstico de un solo uso e incluso dispositivos portátiles. Sensores en salud.
Se pueden prever otras aplicaciones en los sectores de seguridad, seguridad, prevención de delitos, lucha contra la falsificación, mejora de la marca y comercialización, visualización simple y señalización.

El bajo impacto ambiental y el costo del papel, así como su reciclabilidad, desempeñarán un papel importante en su atractivo y aceptación comercial. El papel tiene el potencial de extender el alcance de la electrónica a nuevos mercados que no se han considerado anteriormente.

Por Michael Berger : Michael es autor de dos libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology and Nanotechnology: The Future is Tiny . Via Nanowerk