Un nuevo proceso de fabricación de grafeno se basa en el uso de una capa intermedia de material portador después de que el grafeno se deposita a través de un proceso de deposición de vapor. El transportador permite que la lámina de grafeno ultradelgada, de menos de un nanómetro (billonésima parte de un metro) de espesor, se levante fácilmente de un sustrato, lo que permite una fabricación rápida de rollo a rollo. Estas figuras muestran este proceso para hacer láminas de grafeno, junto con una foto del dispositivo de prueba de concepto utilizado (b). Foto: Cortesía de los investigadores.

Una nueva forma de hacer grandes láminas de grafeno atómicamente delgado de alta calidad podría conducir a células solares ultraligeras y flexibles, y a nuevas clases de dispositivos emisores de luz y otros dispositivos electrónicos de película delgada.

El nuevo proceso de fabricación, que se desarrolló en el MIT y debería ser relativamente fácil de escalar para la producción industrial, involucra una capa intermedia de material «amortiguador» que es clave para el éxito de la técnica. El tampón permite que la lámina de grafeno ultradelgada, de menos de un nanómetro (billonésima parte de un metro) de espesor, se levante fácilmente de su sustrato, lo que permite una fabricación rápida de rollo a rollo.

El proceso se detalla en un documento publicado ayer en Advanced Functional Materials, por los postdocs del MIT Giovanni Azzellino y Mahdi Tavakoli; los profesores Jing Kong, Tomas Palacios y Markus Buehler; y otros cinco en el MIT.

Encontrar una manera de fabricar electrodos transparentes, delgados y de gran área que sean estables al aire libre ha sido una búsqueda importante en la electrónica de película delgada en los últimos años, para una variedad de aplicaciones en dispositivos optoelectrónicos, cosas que emiten luz, como la computadora y pantallas de teléfonos inteligentes, o cosecharlo, como las células solares. El estándar actual para tales aplicaciones es el óxido de indio y estaño (ITO), un material basado en elementos químicos raros y costosos.

Muchos grupos de investigación han trabajado para encontrar un reemplazo para ITO, enfocándose en materiales candidatos tanto orgánicos como inorgánicos. El grafeno, una forma de carbono puro cuyos átomos están dispuestos en una matriz hexagonal plana, tiene propiedades eléctricas y mecánicas extremadamente buenas, pero es extremadamente delgado, físicamente flexible y está hecho de un material abundante y económico. Además, se puede cultivar fácilmente en forma de láminas grandes por deposición química de vapor (CVD), utilizando cobre como capa de semillas, como lo ha demostrado el grupo de Kong. Sin embargo, para aplicaciones de dispositivos, la parte más complicada ha sido encontrar formas de liberar el grafeno cultivado con CVD de su sustrato de cobre nativo.

Esta liberación, conocida como proceso de transferencia de grafeno, tiende a producir una red de rasgaduras, arrugas y defectos en las hojas, lo que interrumpe la continuidad de la película y, por lo tanto, reduce drásticamente su conductividad eléctrica. Pero con la nueva tecnología, dice Azzellino, “ahora podemos fabricar de manera confiable láminas de grafeno de gran área, transferirlas al sustrato que queramos y la forma en que las transferimos no afecta las propiedades eléctricas y mecánicas del grafeno prístino. »

La clave es la capa de amortiguación, hecha de un material polimérico llamado parileno, que se adapta a nivel atómico a las láminas de grafeno en las que se despliega. Al igual que el grafeno, CVD produce parileno, lo que simplifica el proceso de fabricación y la escalabilidad.

Como demostración de esta tecnología, el equipo realizó células solares de prueba de concepto, adoptando un material de células solares poliméricas de película delgada, junto con la capa de grafeno recién formada para uno de los dos electrodos de la célula y una capa de parileno que también sirve como dispositivo sustrato. Midieron una transmitancia óptica cercana al 90 por ciento para la película de grafeno bajo luz visible.

La célula solar prototipo basada en grafeno mejora aproximadamente 36 veces la potencia suministrada por peso, en comparación con los dispositivos de última generación basados ​​en ITO. También utiliza 1/200 la cantidad de material por unidad de área para el electrodo transparente. Y, hay una ventaja fundamental adicional en comparación con ITO: «El grafeno viene casi gratis», dice Azzellino.

«Los dispositivos ultraligeros basados ​​en grafeno pueden allanar el camino a una nueva generación de aplicaciones», dice. “Entonces, si piensas en dispositivos portátiles, la potencia por peso se convierte en una figura de mérito muy importante. ¿Qué pasaría si pudiéramos desplegar una célula solar transparente en su tableta que pueda encender la tableta en sí misma? Aunque se necesitaría un mayor desarrollo, tales aplicaciones deberían ser posibles con este nuevo método, dice.

El material tampón, el parileno, se usa ampliamente en la industria de la microelectrónica, generalmente para encapsular y proteger dispositivos electrónicos. Entonces, las cadenas de suministro y el equipo para usar el material ya están muy extendidos, dice Azzellino. De los tres tipos existentes de parileno, las pruebas del equipo mostraron que uno de ellos, que contiene más átomos de cloro, fue de lejos el más efectivo para esta aplicación.

La proximidad atómica del parileno rico en cloro al grafeno subyacente a medida que las capas se intercalan entre sí ofrece una ventaja adicional, al ofrecer una especie de «dopaje» para el grafeno, y finalmente proporciona un enfoque más confiable y no destructivo para la mejora de la conductividad del grafeno de área grande. , a diferencia de muchos otros que han sido probados e informados hasta ahora.

«Las películas de grafeno y parileno siempre están cara a cara», dice Azzellino. «Así que, básicamente, la acción de dopaje siempre está ahí y, por lo tanto, la ventaja es permanente».

El equipo de investigación también incluyó a Marek Hempel, Ang-Yu Lu, Francisco Martin-Martinez, Jiayuan Zhao y Jingjie Yeo, todos en el MIT. El trabajo fue apoyado por Eni SpA a través de la Iniciativa de Energía del MIT, la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. A través del Instituto de Nanotecnologías de Soldados y la Oficina de Investigación Naval.

Via: http://news.mit.edu/2020/transparent-graphene-electrodes-solar-cells-0605