Прозрачные проводящие пленки стали неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. Будь то смартфоны, планшеты, ноутбуки, плоские экраны или (в более широком масштабе) солнечные батареи. Однако они дороги и сложны в производстве. Теперь исследователям из Empa удалось разработать метод производства таких пленок TCO, как они известны, которые не только дешевле, но и проще и экологичнее.
К сенсорным экранам всех наших повседневных гаджетов предъявляются требования, чтобы они были прозрачными и в то же время электропроводными. Солнечные элементы также не могут работать без такой пленки, которая пропускает через себя солнечный свет, но также может проводить генерируемый ток. Обычные пленки «прозрачного проводящего оксида» (TCO) состоят из смеси оксида индия и оксида олова. Индий очень востребован в электронной промышленности, но встречается редко и поэтому дорог.
Более дешевый вариант (по крайней мере, с точки зрения используемых материалов) - оксид цинка в смеси с алюминием, который обычно наносится на подложку в высоком вакууме с помощью плазменного напыления. Однако производственный процесс сложен, что делает его таким же дорогим. Кроме того, он энергоемок и поэтому не идеален с экологической точки зрения. Исследователи Empa из Лаборатории тонких пленок и фотогальваники разработали метод нанесения на подложку пленки TCO, изготовленной из солей алюминия и цинка, на водной основе без использования вакуума..
Меньше энергопотребления
Еще одно преимущество нового метода заключается в том, что на последнем этапе производства, на котором пленка ТСО «отвердевает», подложку не нужно нагревать до 400-600 градусов, как это было раньше, а только до 90 градусов.«Это означает, что наш метод не только дешевле и безопаснее для окружающей среды, но и требует меньше энергии, и даже можно использовать более термочувствительные подложки, такие как гибкий пластик», - объясняет Харальд Хагендорфер из исследовательской группы.
Самая большая разница, однако, заключается в принципе производственного процесса. В то время как при методе напыления пленка TCO осаждается на подложку в высоком вакууме с использованием высокоэнергетической плазмы, при использовании метода Empa это происходит посредством молекулярной самоорганизации. Таким образом, пленка ТСО растет «сама по себе» - без последующей высокотемпературной термообработки. Короткий процесс облучения УФ-лампой достаточен для получения превосходной проводимости.
Но и здесь нужно было преодолеть проблему: оксид алюминия-цинка (AZO) предпочитает расти сужаясь вверх - как сталагмиты в известняковой пещере. Однако для оптимальной проводимости между «столбами» не должно быть зазоров."Простое решение, предложенное командой Empa, заключалось в использовании "молекулярной крышки" в процессе выращивания кристаллов. Таким образом, материал может расти только до ограниченной высоты, а вместо этого растет в ширину, в результате чего получается компактная пленка, прозрачная и имеющая оптимальные проводимость.
Пленки TCO станут еще эффективнее
Команда Empa под руководством Айодхьи Тивари сейчас работает над дальнейшим улучшением фильмов AZO. По электропроводности и прозрачности они уже могут конкурировать с индийсодержащими пленками ТСО, но все же требуется некоторая оптимизация в отношении их использования в солнечных элементах. Тивари и его коллеги хотят уменьшить толщину пленки TCO с одного-двух микрон до нескольких сотен нанометров. Это позволит использовать пленки AZO в гибких солнечных элементах, что еще больше уменьшит количество используемого материала. Команда Тивари в настоящее время также работает с другой исследовательской группой Empa над производством органических солнечных элементов без использования индия, что сделает этот процесс более дешевым и устойчивым.