Imagine um futuro em que as células solares estejam ao nosso redor - nas janelas e nas paredes, celulares, laptops, e mais. Um novo flexível, a célula solar transparente desenvolvida no MIT está trazendo esse futuro um passo mais perto.

O dispositivo combina materiais orgânicos de baixo custo (contendo carbono) com eletrodos de grafeno, um flexível, material transparente feito de fontes de carbono baratas e abundantes. Este avanço na tecnologia solar foi possibilitado por um novo método de depositar uma camada de grafeno com a espessura de um átomo na célula solar - sem danificar materiais orgânicos sensíveis próximos. Até agora, desenvolvedores de células solares transparentes normalmente contam com recursos caros, eletrodos quebradiços que tendem a rachar quando o dispositivo é flexionado. A capacidade de usar grafeno em vez disso está tornando possível verdadeiramente flexível, baixo custo, células solares transparentes que podem transformar praticamente qualquer superfície em uma fonte de energia elétrica.

As células solares fotovoltaicas feitas de compostos orgânicos ofereceriam uma variedade de vantagens em relação às células solares de silício inorgânico de hoje. Eles seriam mais baratos e mais fáceis de fabricar. Eles seriam leves e flexíveis, em vez de pesados, rígido, e frágil, e assim seria mais fácil de transportar, inclusive para regiões remotas sem rede elétrica central. E eles podem ser transparentes. Muitos materiais orgânicos absorvem os componentes ultravioleta e infravermelho da luz solar, mas transmitem a parte visível que nossos olhos podem detectar. As células solares orgânicas podem, portanto, ser montadas em superfícies ao nosso redor e coletar energia sem que percebamos.

Os pesquisadores fizeram avanços significativos na última década em direção ao desenvolvimento de células solares orgânicas transparentes. Mas eles encontraram um obstáculo persistente:encontrar materiais adequados para os eletrodos que transportam a corrente para fora da célula.

"É raro encontrar materiais na natureza que sejam eletricamente condutores e opticamente transparentes, "diz o professor Jing Kong do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS).

A opção atual mais amplamente usada é o óxido de índio e estanho (ITO). ITO é condutor e transparente, mas também é rígido e quebradiço, então, quando a célula solar orgânica se curva, o eletrodo ITO tende a rachar e se desprender. Além disso, índio é caro e relativamente raro.

Uma alternativa promissora ao ITO é o grafeno, uma forma de carbono que ocorre em folhas de um átomo de espessura e tem características notáveis. É altamente condutivo, flexível, robusto, e transparente; e é feito de carbono barato e onipresente. Além disso, um eletrodo de grafeno pode ter apenas 1 nanômetro de espessura - uma fração da espessura de um eletrodo ITO e uma combinação muito melhor para a própria célula solar orgânica fina.

Desafios de grafeno

Dois problemas principais retardaram a adoção indiscriminada de eletrodos de grafeno. O primeiro problema é depositar os eletrodos de grafeno na célula solar. A maioria das células solares é construída em substratos como vidro ou plástico. O eletrodo de grafeno inferior é depositado diretamente sobre o substrato - uma tarefa que pode ser alcançada por processos que envolvem água, solventes, e calor. As outras camadas são então adicionadas, terminando com o eletrodo de grafeno superior. Mas colocar o eletrodo superior na superfície da chamada camada de transporte de orifícios (HTL) é complicado.

"O HTL se dissolve na água, e os materiais orgânicos logo abaixo são sensíveis a praticamente qualquer coisa, incluindo água, solventes, e calor, "diz o estudante de pós-graduação do EECS, Yi Song, um 2016-2017 Eni-MIT Energy Fellow e um membro do Kong's Nanomaterials and Electronics Group. Como resultado, os pesquisadores costumam persistir em usar um eletrodo ITO na parte superior.

O segundo problema com o uso de grafeno é que os dois eletrodos precisam desempenhar papéis diferentes. A facilidade com que um dado material libera elétrons é uma propriedade definida chamada de função de trabalho. Mas na célula solar, apenas um dos eletrodos deve permitir que os elétrons fluam facilmente. Como resultado, ter os dois eletrodos feitos de grafeno exigiria a mudança da função de trabalho de um deles, de modo que os elétrons soubessem que caminho seguir - e mudar a função de trabalho de qualquer material não é simples.

Uma transferência suave de grafeno

Nos últimos três anos, Kong e Song têm trabalhado para resolver esses problemas. Eles primeiro desenvolveram e otimizaram um processo para colocar o eletrodo inferior em seu substrato.

Nesse processo, eles crescem uma folha de grafeno em folha de cobre. Eles então o transferem para o substrato usando uma técnica demonstrada por Kong e seus colegas em 2008. Eles depositam uma camada de polímero no topo da folha de grafeno para apoiá-la e, em seguida, usam uma solução ácida para gravar a folha de cobre na parte de trás, terminando com uma pilha de polímero de grafeno que eles transferem para a água para enxágue. Eles então simplesmente pegam a pilha flutuante de polímero de grafeno com o substrato e removem a camada de polímero usando calor ou enxágue com acetona. O resultado:um eletrodo de grafeno apoiado no substrato.

Mas retirar o eletrodo superior da água não é viável. Em vez disso, eles transformam a pilha flutuante de polímero de grafeno em uma espécie de selo, pressionando uma moldura de borracha de silicone com meio milímetro de espessura sobre ela. Agarrando a estrutura com uma pinça, eles levantam a pilha, seque-o, e coloque-o em cima do HTL. Então, com aquecimento mínimo, eles podem descascar o carimbo de borracha de silicone e a camada de suporte de polímero, deixando o grafeno depositado no HTL.

Inicialmente, os eletrodos que Song e Kong fabricaram usando esse processo não funcionaram bem. Os testes mostraram que a camada de grafeno não aderiu firmemente ao HTL, então a corrente não poderia fluir com eficiência. As soluções óbvias para esse problema não funcionariam. Aquecer a estrutura o suficiente para fazer o grafeno aderir danificaria os orgânicos sensíveis. E colocar algum tipo de cola na parte inferior do grafeno antes de colocá-lo no HTL iria colar as duas camadas juntas, mas acabaria como uma camada adicional entre eles, diminuindo em vez de aumentar o contato interfacial.

Song decidiu que adicionar cola ao carimbo pode ser o caminho a percorrer - mas não como uma camada sob o grafeno.

"Nós pensamos, o que acontece se pulverizarmos muito macio, polímero pegajoso em cima do grafeno? ", diz ele." Não estaria em contato direto com a camada de transporte do furo, mas porque o grafeno é tão fino, talvez suas propriedades adesivas possam permanecer intactas através do grafeno. "

Para testar a ideia, os pesquisadores incorporaram uma camada de etileno-acetato de vinila, ou EVA, em seu selo, bem em cima do grafeno. A camada de EVA é muito flexível e fina - como um envoltório de comida - e pode se rasgar facilmente. Mas eles descobriram que a camada de polímero que vem a seguir o mantém unido, e o arranjo funcionou exatamente como Song esperava:o filme EVA adere fortemente ao HTL, conformando-se a quaisquer características microscópicas ásperas na superfície e forçando a fina camada de grafeno abaixo dela a fazer o mesmo.

O processo não apenas melhorou o desempenho, mas também trouxe um benefício colateral inesperado. Os pesquisadores pensaram que sua próxima tarefa seria encontrar uma maneira de mudar a função de trabalho do eletrodo de grafeno superior para que fosse diferente do eletrodo inferior, garantindo um fluxo suave de elétrons. Mas essa etapa não foi necessária. Sua técnica para depositar o grafeno no HTL realmente muda a função de trabalho do eletrodo para exatamente o que eles precisam que seja.

"Tivemos sorte, "diz Song." Nossos eletrodos superior e inferior simplesmente têm as funções de trabalho corretas como resultado dos processos que usamos para fazê-los. "

Colocando os eletrodos em teste

Para ver como seus eletrodos de grafeno funcionariam na prática, os pesquisadores precisavam incorporá-los em células solares orgânicas funcionais. Para essa tarefa, eles se voltaram para a fabricação de células solares e instalações de teste de seu colega Vladimir Bulović, o Fariborz Maseeh (1990) Professor de Tecnologia Emergente e Reitor Associado de Inovação da Escola de Engenharia.

Para comparação, eles construíram uma série de células solares em substratos de vidro rígido com eletrodos feitos de grafeno, ITO, e alumínio (um material de eletrodo padrão). As densidades atuais (ou CDs, a quantidade de corrente que flui por unidade de área) e eficiências de conversão de energia (ou PCEs, a fração de entrada de energia solar convertida em eletricidade) para os novos dispositivos flexíveis de grafeno / grafeno e os dispositivos rígidos padrão de ITO / grafeno eram comparáveis. Eles foram menores do que os dos dispositivos com um eletrodo de alumínio, mas essa era uma descoberta que eles esperavam.

"Um eletrodo de alumínio na parte inferior refletirá parte da luz que entra de volta na célula solar, de modo que o dispositivo como um todo pode absorver mais energia do sol do que um dispositivo transparente, "diz Kong.

Os PCEs para todos os seus dispositivos de grafeno / grafeno - em substratos de vidro rígido e também em substratos flexíveis - variaram de 2,8 por cento a 4,1 por cento. Embora esses valores estejam bem abaixo dos PCEs dos painéis solares comerciais existentes, eles são uma melhoria significativa em relação aos PCEs alcançados em trabalhos anteriores envolvendo dispositivos semitransparentes com eletrodos totalmente de grafeno, dizem os pesquisadores.

As medições da transparência de seus dispositivos de grafeno / grafeno produziram resultados ainda mais encorajadores. O olho humano pode detectar luz em comprimentos de onda entre cerca de 400 nanômetros e 700 nanômetros. Os dispositivos totalmente de grafeno mostraram transmitância óptica de 61 por cento em todo o regime visível e até 69 por cento a 550 nanômetros. "Esses valores [para transmitância] estão entre os mais altos para células solares transparentes com eficiências de conversão de energia comparáveis ​​na literatura, "diz Kong.

Substratos flexíveis, comportamento de flexão

Os pesquisadores observam que sua célula solar orgânica pode ser depositada em qualquer tipo de superfície, rígido ou flexível, transparente ou não. "Se você quiser colocá-lo na superfície do seu carro, por exemplo, não vai ficar mal, "diz Kong." Você será capaz de ver o que estava originalmente lá. "

Para demonstrar essa versatilidade, eles depositaram seus dispositivos de grafeno-grafeno em substratos flexíveis, incluindo plástico, papel opaco, e fita Kapton translúcida. As medições mostram que o desempenho dos dispositivos é aproximadamente igual nos três substratos flexíveis - e apenas ligeiramente menor do que aqueles feitos em vidro, provavelmente porque as superfícies são mais ásperas, então há um potencial maior de mau contato.

A capacidade de depositar a célula solar em qualquer superfície a torna promissora para uso em produtos eletrônicos de consumo - um campo que está crescendo rapidamente em todo o mundo. Por exemplo, células solares podem ser fabricadas diretamente em telefones celulares e laptops, em vez de feitas separadamente e depois instaladas, uma mudança que reduziria significativamente os custos de fabricação.

Eles também seriam adequados para dispositivos futuros, como células solares removíveis e eletrônicos de papel. Uma vez que esses dispositivos seriam inevitavelmente dobrados e dobrados, os pesquisadores submeteram suas amostras ao mesmo tratamento. Embora todos os seus dispositivos - incluindo aqueles com eletrodos ITO - possam ser dobrados repetidamente, aqueles com eletrodos de grafeno poderiam ser dobrados com muito mais força antes que sua produção começasse a diminuir.

Objetivos futuros

Os pesquisadores agora estão trabalhando para melhorar a eficiência de suas células solares orgânicas à base de grafeno sem sacrificar a transparência. (Aumentar a quantidade de área ativa aumentaria o PCE, mas a transparência diminuiria.) De acordo com seus cálculos, o PCE teórico máximo atingível em seu nível atual de transparência é de 10 por cento.

"Nosso melhor PCE é cerca de 4 por cento, então ainda temos um caminho a percorrer, "diz Song.

Eles também estão considerando a melhor forma de dimensionar suas células solares em dispositivos de grande área necessários para cobrir janelas e paredes inteiras, onde eles poderiam gerar energia com eficiência, permanecendo virtualmente invisíveis ao olho humano.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.