فیلم رسانای شفاف

شکل 1. نمای مقطع عرضی یک سلول خورشیدی پلی‌کریستالی لایه‌نازک. پوشش رسانای شفاف با نیمه‌رسانای نوع n تماس دارد تا جریان الکتریکی را برداشت کند.‍‌‎‏

فیلم‌های رسانای شفاف (Transparent Conducting Films یا TCFs) لایه‌های نازکی از مواد هستند که به‌طور همزمان از نظر نوری شفاف و از نظر الکتریکی رسانا می‌باشند. این فیلم‌ها یکی از اجزای مهم در تعدادی از ادوات الکترونیکی از جمله نمایشگرهای کریستال مایع، OLED ها، صفحات لمسی و سامانه‌های فتوولتائیک هستند. اگرچه اکسید قلع-ایندیم (Indium Tim Oxide یا ITO) پرکاربردترین ماده مورد استفاده است، اما گزینه‌های جایگزین شامل اکسیدهای رسانای شفاف با طیف گسترده‌تر (TCOs)، پلیمر های رسانا، شبکه های‌فلزی و شبکه‌های فلزی تصادفی، نانولوله‌های کربنی (CNT)، گرافن، شبکه‌های نانوسیمی و فیلم‌های فلزی فوق نازک می‌باشند.

فیلم‌های رسانای شفاف مورد استفاده در کاربردهای فتوولتائیک از هر دو نوع مواد غیرآلی و آلی ساخته شده‌اند. فیلم‌های غیرآلی معمولا از یک لایه اکسید رسانای شفاف (TCO) تشکیل می‌شوند که رایج ترین آن‌ها شامل اکسید قلع-ایندیم (ITO)، اکسید قلع آلایش یافته با فلوئور (FTO)، فاز آناتاز دی‌اکسید تیتانیوم آلایش یافته با نیوبیوم (NTO) یا اکسید روی آلایش یافته است. فیلم‌های آلی با استفاده از شبکه‌های نانولوله‌های کربنی و گرافن در حال توسعه هستند که می‌توان آن‌ها را به‌گونه ای ساخت که شفافیت بسیار بالایی نسبت به نور فروسرخ داشته باشند، همچنین شبکه‌هایی از پلیمرهایی مانند پلی(4،3-اتیلن‌دی‌اکسی‌تیوفن) و مشتفات آن نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند.

فیلم‌های رسانای شفاف معمولا به عنوان الکترود در شرایطی به‌کار می‌روند که نیاز به تماس‌های الکتریکی با مقاومت پایین بدون مسدود کردن عبور نور وجود دارد (برای مثال در LEDها و سامانه‌های فوتوولتائیک). مواد شفاف دارای گاف نواری وسیع هستند که مقدار انرژی آن از انرژی نور مرئی بیشتر است و بر این اساس، فوتون‌هایی با انرژی کمتر از مقدار گاف نواری توسط این مواد جذب نمی‌شوند و نور مرئی از آن‌ها عبور می‌کند. برخی کاربردها، مانند سلول‌های خورشیدی، اغلب به دامنه گسترده‌تری از شفافیت فراتر از نور مرئی نیاز دارند تا بتوانند از کل طیف خورشیدی به‌طور کارآمد استفاده کنند.

اکسید های رسانای شفاف

مرور کلی

این سلول خورشیدی که از سیلیکون تک‌بلوری ساخته شده است، فاقد فیلم رسانای شفاف است. در عوض، از یک «تماش شبکه‌ای» استفاده می‌کند: شبکه‌ای از سیم‌های فلزی بسیار نازک.

اکسیدهای رسانای شفاف (Transparent Conductive Oxides یا TCO) اکسیدهای فلزی آلایش یافته‌ای هستند که در ادوات اپتوالکتریکی مانند نمایشگرهای صفحه‌تخت و سامانه های فتوولتائیک (شامل ادوات غیرآلی، ادوات آلی و سلول‌های خورشیدی حساس شده با رنگ) مورد استفاده قرار می‌گیرند. بیشتر این فیلم‌ها با ریزساختارهای پلی‌کریستالی یا آمورف ساخته می‌شوند. به‌طور معمول، این کاربردها از موادی به‌عنوان الکترود استفاده می‌کنند که دارای عبوردهی بیش از 80% نور فرودی بوده و همچنین رسانندگی الکتریکی بالاتر از $10^{3}$ زیمنس بر سانتی متر برای انتقال کارآمد حامل‌ها باشند. به‌طور کلی، TCOهای مورد استفاده به‌عنوان الکترود لایه‌نازک در سلول‌های خورشیدی باید دارای حداقل غلظت حامل در مرتبه ${\ce {10^20}}$ بر سانتی‌متر مکعب برای دستیابی به مقاومت ویژه پایین و همچنین گاف نواری بزرگ‌تر از 3.2 الکترون ولت (ev) باشند تا از جذب نور در بخش عمده‌ای از طیف خورشیدی جلوگیری شود. تحرک‌پذیری حامل‌ها در این فیلم‌ها معمولا به‌دلیل مقدار زیاد اتم‌های آلایش دهنده یونیده‌شده، که منجر به پراکندگی ناخالصی یونیده می‌شود، محدود است و برای بهترین TCOها در حدود 40 سانتی‌متر مربع بر ولت-ثانیه می‌باشد. اکسیدهای رسانای شفاف مورد استفاده فعلی در صنعت عمدتا رساناهای نوع n هستند، به این معنا که رسانش اصلی آن‌ها از طریق دهش الکترون انجام می‌شود. دلیل این امر آن است که تحرک‌پذیری الکترون‌ها معمولا از تحرک‌پذیری حفره‌ها بیشتر است، که یافتن پذیرنده‌های کم عمق در اکسیدهای با گاف نواری وسیع را برای ایجاد جمعیت بزرگی از حفره‌ها دشوار می‌سازد. اکسیدهای رسانای شفاف نوع p مناسب همچنان در حال پژوهش هستند، اگرچه بهترین آن‌ها هنوز از نظر مرتبه بزرگی، به‌طور قابل توجهی ضعیف‌تر از TCOهای نوع n می‌باشند. غلظت حامل کمتر TCOها نسبت به فلزات باعث می‌شود که تشدید پلاسمونی آن‌ها به ناحیه فروسرخ نزدیک (NIR) و فروسرخ با طول موج کوتاه (SWIR) منتقل شود.

تا به امروز، استاندارد صنعتی در میان TCOها، ITO یا اکسید قلع-ایندیم است. این ماده دارای مقاومت ویژه پایین در حدود $10^{-4}$ اهم-سانتی‌متر و عبوردهی بیش از 80% می‌باشد. نقطه ضعف ITO هزینه بالای آن است. ایندیم، که فلز اصلی این فیلم به شمار می‌رود، عنصری نادر است (6000 تن متریک در سراسر جهان در سال 2006)، و قیمت آن به دلیل تقاضای بازار نوسان دارد (بیش از 800 دلار به ازای هر کیلوگرم در سال 2006). به همین دلیل، ترکیبات دوتایی آلایش یافته‌ای مانند اکسید روی آلایش‌یافته با آلومینیوم (AZO) و اکسید کادمیوم آلایش‌یافته با ایندیم به عنوان مواد جایگزین پیشنهاد شده‌اند. AZO از آلومینیوم و روی تشکیل شده است که هر دو مواد رایج و ارزان قیمت هستند، در حالی‌ که اکسید کادمیوم آلایش‌دهنده فلز واسطه در اکسید ایندیم، به ویژه مولیبدن، تحرک‌پذیری الکترونی و رسانندگی بسیار بالاتری نسبت به آلایش با قلع ایجاد می‌کنند و تانتالوم (Ta) نیز یک آلایش‌دهنده جایگرین امیدبخش برای اکسید قلع محسوب می‌شود. دیگر اکسیدهای رسانای شفاف نوین شامل استاننات باریم و اکسیدهای فلزی هم‌بسته مانند وانادات استرانسیم و وانادات کلسیم هستند.

ترکیبات دوتایی اکسیدهای فلزی بدون هیچ‌گونه آلایش‌دهی عمدی نیز برای استفاده به‌عنوان TCO توسعه یافته‌اند. این سامانه‌ها معمولا از نوع n هستند و دارای غلظت حامل در مرتبه $10^{20}$ بر سانتی‌متر مکعب می‌باشند که این حامل‌ها توسط یون‌های فلزی بین‌نشینی و جای‌خالی‌های اکسیژن تأمین می‌شوند؛ هر دو به‌عنوان دهنده عمل می‌کنند. با این حال، این TCOهای ساده به دلیل وابستگی شدید خواص الکتریکی آن‌ها به دما و فشار جزئی اکسیژن، کاربرد عملی نیافته‌اند.

در پژوهش های جاری، آزمایشگاه‌ها در پی بهینه‌سازی ویژگی‌های الکتریکی و نوری برخی TCOها هستند. پژوهشگران با استفاده از دستگاه اسپاترینگ، لایه TCO را روی نمونه‌ها نشاندن می‌کنند. تارگت‌ها تغییر داده شده‌اند و پژوهشگران موادی مانند IZO (اکسید ایندیم-روی)، ITO (اکسید ایندیم-قلع) و AZO (اکسید آلومینیوم- روی) را بررسی می‌کنند و این مواد را با تغییر پارامترهای موجود در دستگاه نشاندن به روش اسپاترینگ بهینه‌سازی می‌نمایند. هنگامی که پژوهشگران پارامترهایی مانند غلظت گازها در فرآیند اسپاترینگ، فشار داخل دستگاه اسپاترینگ، توان اسپاترینگ و فشار را تغییر می‌دهند، قادر به دستیابی به غلظت‌های حامل و مقاومت ورقه‌ای متفاوتی در فیلم‌های تولید شده می‌شوند. غلظت حامل‌ها بر جریان اتصال کوتاه نمونه تأثیر می‌گذارد و تغییر در مقاومت ورقه‌ای بر ضریب پرشدگی نمونه اثرگذار است. پژوهشگران این پارامترها را به اندازه کافی تغییر داده و ترکیب‌هایی را یافته‌اند که جریان اتصال کوتاه و همچنین ضریب پرشدگی را برای TCOهایی مانند اکسید قلع-ایندیم بهینه می‌کنند.

ساخت

اکسیدهای فلزی آلایش یافته که برای استفاده به عنوان ‌لایه‌های رسانای شفاف در ادوات فتوولتائیک به کار می‌روند، معمولا بر روی یک زیرلایه شیشه‌ای رشد داده‌ می‌شوند. این زیرلایه شیشه‌ای، علاوه بر فراهم کردن تکیه‌گاهی که اکسید بتواند بر روی آن رشد کند، این مزیت اضافی را نیز دارد که برای اغلب سیلیکات‌ها بیشتر طول‌موج‌های فروسرخ بزرگ‌تر از 2 میکرومتر را مسدود کرده و آن‌ها را به گرما در لایه شیشه‌ای تبدیل می‌کند. این ام به نوبه خود به حفظ دمای پایین ناحیه فعال سلول خورشیدی کمک می‌کند، ناحیه‌ای که با گرم شدن دچار افت عملکرد می‌شود. فیلم‌های TCO را می‌توان از طریق روش‌های مختلف رسوب‌دهی بر روی زیرلایه نشاند، از جمله رسوب‌دهی شیمیایی بخار فلز-آلی، رسوب‌دهی پرتو مولکولی فلز-آلی، رسوب‌دهی محلولی، پیرولیز پاششی، پاشش اکسید گرافن با نازل اولتراسونیک و پاشش نانوسیم نقره در هوا، و رسوب‌دهی با لیزر پالسی (PLD)، با این‌ حال تکنیک‌های متداول ساحت معمولا شامل اسپاترینگ مگنترونی فیلم هستند. فرآیند اسپاترینگ بسیار ناکارآمد است، به‌طوری که تنها حدود 30% از ماده تارگت‌ صفحه‌ای برای رسوب بر روی زیرلایه در دسترس قرار می‌گیرد. تارگت‌های استوانه‌ای میزان بهره‌برداری نزدیک به 80% را فراهم می‌کنند. در مورد ITO، بازیافت ماده تارگت استفاده‌نشده برای تولید اقتصادی ضروری است. برای AZO یا ماده تارگت ZnAl، هزینه مواد به اندازه‌ای پایین است که بازیابی مواد اهمیتی ندارد. نگرانی‌هایی نیز وجود دارد مبنی بر اینکه برای ITO یک حد فیزیک برای مقدار ایندیم در دسترس وجود داشته باشد. رشد معمولا در یک محیط کاهنده انجام می‌شود تا عیوب پذیرنده جبرانی درون فیلم (برای مثال، جای خالی‌های فلزی) که در صورت نوع n بودن موجب کاهش غلظت حامل می‌شوند، جبران شوند.

برای رسوب‌دهی فیلم نازک AZO، روش پوشش‌دهی اسپاترینگ مگنترونی واکنشی یک راه بسیار اقتصادی و عملی برای تولید انبوه است. در این روش، یک تارگت روی-آلومینیوم در یک اتمسفر اکسیژن اسپاتر میشود، به‌گونهای که یونهای فلزی هنگام رسیدن به سطح زیرلایه اکسید می‌شوند. با استفاده از تارگت فلزی به‌جای تارگت اکسیدی، میتوان از اسپاترینگ مگنترونی جریان مستقیم استفاده کرد که امکان دستیابی به نرخ‌های نشاندن بسیار سریع‌تر را فراهم می‌کند.

نظریه

حامل‌های بار در این اکسید های نوع n از سه منبع بنیادی ناشی می‌شوند: ناخالصی‌های یون فلزی بین‌نشینی، جای‌خالی‌های اکسیژن، و یون‌های آلایش دهنده. دو منبع نخست همواره به‌عنوان دهنده‌های اکترون عمل می‌کنند؛ در واقع، برخی از TCOها صرفا با استفاده از همین دو منبع ذاتی به‌عنوان مولد حامل ساخته می‌شوند. هنگامی که یک جای‌خالی اکسیژن در شبکه بلوری وجود داشته باشد، به صورت یک دهنده الکترون با بار دوگانه عمل می‌کند. برای مثال، در ITO، هر جای‌خالی اکسیژن باعث میشود اوربیتال‌های 6s یون ${\ce {In^{3+}}}$ مجاور، به دلیل از دست رفتن پیوندها با یون اکسیژن، از نوار رسانش 5s پایدار شوند، در حالی که به سبب اثرات خنثی بودن بار، دو الکترون در محل جای‌خالی به دام می‌افتند. این پایدارسازی اوربیتال‌های 5s منجر به تشکیل یک تراز دهنده برای یون اکسیژن می‌شود که تعیین شده است در فاصله 0.03 الکترون‌ولت پایین‌تر از نوار رسانش قرار دارد. از این رو، این عیوب به‌عنوان دهنده‌های کم عمق در بلور توده‌ای عمل می‌کنند. نمادگذاری رایج برای این نوع آلایش، نمادگذاری کروگر-وینک است و به‌صورت زیر نوشته می‌شود:

${\ce {O_{O}^{\mathit {x}}<=>{V_{O}^{\bullet \bullet }}+{1/2O2(g)}+2e'}}$

در اینجا «O» در اندیس‌ها نشان می‌دهد که هم اکسیژن در ابتدا پیوند خورده و هم جای‌خالی ایجادشده بر روی یک جایگاه شبکه‌ای اکسیژن قرار دارند، در حالی که توان‌های بالانویس روی اکسیژن و جای‌خالی بیانگر بار هستند. بنابراین، برای بهبود خواص الکتریکی، فیلم‌های ITO و دیگر اکسیدهای رسانای شفاف در محیط‌های کاهنده رشد داده می‌شوند، محیط‌هایی که تشکیل جای‌خالی‌های اکسیژن را تشویق می‌کنند.

یونش آلایش‌دهنده‌ها درون اکسید به همان شیوه‌ای رخ می‌دهد که در سایر بلورهای نیمه رسانا مشاهده می‌شود. دهنده‌های کم‌عمق نزدیک به نوار رسانش (نوع n) اجازه می‌دهند الکترون‌ها به طور گرمایی به نوار رسانش برانگیخته شوند، در حالی که پذیرنده‌های نزدیک به نوار ظرفیت (نوع p) امکان جهش الکترون‌ها از نوار ظرفیت به تراز پذیرنده را فراهم می‌کنند و در نتیجه نوار ظرفیت با حفره‌ها پر می‌شود. مهم است توجه شود که پراکندگی حامل‌ها در این اکسیدها عمدتا ناشی از پراکندگی ناخالصی‌های یونیده در سطوح بالای آلایش (بیش از 1 درصد اتمی) است. یونهای ناخالصی باردار و عیوب نقطه‌ای دارای سطح مقطع پراکندگی بسیار بزرگ‌تری نسبت به همتایان خنثای خود هستند. افزایش پراکندگی، طول مسیر آزاد متوسط حامل‌ها در اکسید را کاهش می‌دهد که این امر به تحرک پذیری پایین الکترون‌ها و مقاومت ویژه بالا منجر میشود. این مواد را میتوان با دقت مناسبی توسط مدل الکترون آزاد، با فرض نوار رسانش سهموی و سطوح آلایش بالاتر از معیار موت، مدل‌سازی کرد. این معیار بیان میکند که یک عایق، مانند یک اکسید، می‌تواند در صورت دستیابی به یک غلظت حداقلی آلایش $n_{c}$، یک گذار القاشده توسط ترکیب به حالت فلزی را تجربه کند که به‌صورت زیر تعیین می‌شود:

$n_{c}^{\frac {1}{3}}a_{H}^{*}=0.26\pm 0.05$

که در آن $a_{H}^{*}$ شعاع بوهر حالت پایه مؤثر متوسط است. برای ITO، این مقدار مستلزم یک غلظت آلایش حداقلی در حدود $10^{19}cm^{-3}$ است. بالاتر از این سطح، نوع رسانش در ماده از نیمه‌رسانا به فلزی تغییر می‌کند.

پلیمرهای رسانای شفاف

پلیمرهای رسانا در میانه قرن بیستم به‌عنوان مشتقاتی از پلی‌آنیلین گزارش شدند. پژوهش بر روی چنین پلیمرهایی در دهه‌های 1960 و 1970 ادامه یافت و تا آغاز قرن بیست‌ویکم نیز تداوم پیدا کرد. بیشتر پلیمرهای رسانا مشتقاتی از پلی‌استیلن، پلی‌آنیلین، پلی‌پیرول یا پلی‌تیوفن‌ها هستند. این پلیمرها دارای پیوندهای دوگانۀ مزدوج هستند که امکان رسانش را فراهم می‌کنند. با دستکاری ساختار نواری، پلی‌تیوفن‌ها به‌گونه‌ای اصلاح شده‌اند که جدایش HOMO-LUMO (گاف نواری) آن‌ها به‌اندازه‌ای بزرگ باشد که نسبت به نور مرئی شفاف شوند.

کاربردها

سلول فتوولتائیک پلیمری با استفاده از پلیمرهای رسانای شفاف.

پلیمرهای رسانای شفاف به‌عنوان الکترود در دیودهای نورگسیل و ادوات فتوولتائیک به‌کار می‌روند. رسانندگی آن‌ها کمتر از اکسیدهای رسانای شفاف است، اما جذب اندک آنها در ناحیۀ مرئی طیف باعث می‌شود بتوانند به‌عنوان رسانای شفاف در این ادوات عمل کنند. با این حال، از آنجا که پلیمرهای رسانای شفاف بخشی از طیف مرئی و مقادیر قابل‌توجهی از ناحیۀ فروسرخ میانی تا نزدیک را جذب می‌کنند، بازده ادوات فتوولتائیک را کاهش می‌دهند.

پلیمرهای رسانای شفاف را میتوان به صورت فیلم‌های انعطاف‌پذیر تولید کرد، که این ویژگی آنها را با وجود رسانندگی کمتر، مطلوب میسازد. این امر باعث می‌شود در توسعۀ الکترونیک انعطاف‌پذیر کاربرد داشته باشند، جایی که رساناهای شفاف متداول کارایی خود را از دست می‌دهند.

شیشۀ پوشش‌داده‌شده با FTO با بازتابش تابش فروسرخ و در عین حال عبور دادن نور مرئی، عایق حرارتی در ساختمان‌ها فراهم می‌کند و با کاهش اتلاف گرما، بهره‌وری انرژی را بهبود می‌بخشد. همچنین در حسگرهای تشخیص گاز و مبدل‌های فتوحرارتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

پلی(4,3-اتیلن‌دی‌اکسی‌تیوفن)(PEDOT)

پلی(4,3-اتیلن‌دی‌اکسی‌تیوفن)(PEDOT) رسانندگی‌ای تا حدود 1000S/cm دارد. فیلم‌های نازک اکسیدشدۀ PEDOT تقریبا 10% یا کمتر جذب در طیف مرئی دارند و از پایداری بسیار خوبی برخوردارند. با این حال، PEDOT در آب نامحلول است و این موضوع فرآیند ساخت را دشوارتر و پرهزینه‌تر می‌سازد.

گاف نواری PEDOT را می‌توان در بازه‌ای میان 1.4 تا 2.5 الکترون ولت با تغییر میزان هم‌پوشانی $\pi$ در امتداد زنجیرۀ اصلی تغییر داد. این کار را می‌توان با افزودن جانشین‌ها در طول زنجیره انجام داد، که در اثر برهم‌کنش‌های فضایی مانع از هم‌پوشانی $\pi$ می‌شوند. جانشین‌ها همچنین می‌توانند پذیرنده یا دهندۀ الکترون باشند، که در نتیجه ویژگی الکترونیکی را تغییر می‌دهند و به این ترتیب گاف نواری را اصلاح می‌کنند. این امر امکان تشکیل رسانای گاف‌باز فراهم می‌آورد که نسبت به طیف مرئی شفاف است.

PEDOT با مخلوط کردن مونومر EDT با یک عامل اکسیدکننده مانند ${\ce {FeCl_3}}$ تهیه می‌شود. عامل اکسیدکننده به‌عنوان آغازگر پلیمریزاسیون عمل میکند. پژوهش ها نشان داده‌اند افزایش نسبت [monomer]/[${\ce {FeCl_3}}$] حلالیت PEDOT را کاهش می‌دهد. چنین فرض شده است که این کاهش ناشی از افزایش پیوندهای عرضی در پلیمر است که حل‌شدن در حلال را دشوارتر می‌سازد.

پلی(4,3-اتیلن‌دی‌اکسی‌تیوفن) PEDOT: پلی(استیرن سولفونات) PSS

آلایش PEDOT با پلی(استیرن سولفونات) می‌تواند خواص آن را نسبت به PEDOT تغییری‌نیافته بهبود دهد. ترکیب PEDOT:PSS به رهبر صنعتی در زمینۀ پلیمرهای رسانای شفاف تبدیل شده است. PEDOT:PSS در آب محلول است که فرآیند ساخت را آسان‌تر می‌کند. رسانندگی PEDOT:PSS در بازه‌ای میان 400 تا 600S/cm است، در حالیکه حدود 80% از نور مرئی را عبور می‌دهد. تیمار در هوای آزاد در دمای $100^{\circ }C$ به‌مدت بیش از 1000 ساعت تنها منجر به تغییر جزئی رسانندگی می‌شود. اخیرا گزارش شده است که رسانندگی PEDOT:PSS می‌تواند به بیش از 4600S/cm افزایش یابد.

PEDOT:PSS با پلیمریزاسیون مونومر EDT در یک محلول آبی از PSS با استفاده از ${\ce {Na_2S_2O_8}}$ به‌عنوان عامل اکسیدکننده تهیه می‌شود. این محلول آبی سپس به‌صورت اسپین‌کوت (چرخشی) پوشش داده شده و خشک می‌شود تا یک فیلم تشکیل گردد.

پلی(4,4-دی‌اوکتیل سیکلوپنتادی‌تیوفن)

پلی(4,4-دی‌اوکتیل سیکلوپنتادی‌تیوفن) را می‌توان با ید یا 3,2-دی‌کلرو-6,5-دی‌سیانو-4,1-بنزوکینون (DDQ) آلایش کرد تا یک رسانای شفاف تشکیل شود. پلیمر آلایش‌یافته جذب اندکی در طیف مرئی دارد و یک نوار جذب با مرکز حدود 1050 نانومتر نشان می‌دهد. در صورت آلایش با ید، رسانندگی 0.35S/cm قابل دستیابی است. با این حال، ید تمایل دارد در هوا از پلیمر نفوذ کرده و خارج شود، که این امر پلی(4,4-دی‌اوکتیل سیکلوپنتادی‌تیوفن) آلایش‌یافته با ید را ناپایدار می‌سازد.

خود DDQ رسانندگی 1.1S/cm دارد. با این حال، پلی(4,4-دی‌اوکتیل سیکلوپنتادی‌تیوفن) آلایش‌یافته با DDQ نیز در هوا تمایل به کاهش رسانندگی نشان می‌دهد. پلیمر آلایش‌یافته با DDQ پایداری بهتری نسبت به پلیمر آلایس یافته با ید دارد، اما این پایداری همچنان کمتر از PEDOT است. به‌طور خلاقه، پلی(4,4-دی‌اوکتیل سیکلوپنتادی‌تیوفن) در مقایسه با PEDOT و PEDOT:PSS دارای خواص ضعیف‌تری است که برای کاربردهای عملی نیازمند بهبود هستند.

پلی(4,4-دی‌اوکتیل سیکلوپنتادی‌تیوفن) از طریق پلیمریزاسیون در محلول و با ترکیب مونومر با کلرید آهن(III) تهیه می‌شود. پس از کامل شدن پلیمریزاسیون، آلایش با قرار دادن پلیمر در معرض بخار ید یا محلول DDQ انجام می‌گیرد.

نانولوله‌های کربنی

مزایا

رساناهای شاف شکننده هستند و تمایل دارند بر اثر خستگی مکانیکی دچار تخریب شوند. رایج‌ترین TCO مورد استفاده، اکسید ایندیم قلع (ITO) است، زیرا دارای خواص الکتریکی مناسب و سهولت در ساخت است. با این حال، این فیلم‌های نازک معمولا شکننده‌اند و مسائلی مانند عدم تطابق شبکه‌ای و محدودیت های تنش-کرنش به ایجاد محدودیت در کاربردهای ممکن برای فیلم‌های رسانای شفاف (TCFها) منجر می‌شود. نشان داده شده است که ITO در صورت قرار گرفتن تحت تنش‌های مکانیکی، به مرور زمان دچار افت عملکرد می‌شود. افزایش های اخیر در هزینه نیز بسیاری را واداشته است تا به فیلم‌های نانولولۀ کربنی به‌عنوان یک جایگزین بالقوه روی آورند.

نانولوله‌های کربنی (CNTها) به دلیل خواص موادی خود، از جمله مدول الاستیسیتۀ بالا (حدود 1-2 تراپاسکال)، استحکام کششی زیاد (حدود 13-53 گیگاپاسکال)، و رسانندگی بالا، توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند (نانولوله‌های فلزی به‌طور نظری می‌توانند چگالی جریان الکتریکی برابر $4\times 10^{9}$ آمپر بر سانتی‌متر مربع را حمل کنند که این مقدار حدود 1000 برابر بیشتر از فلزات دیگر مانند مس است). فیلم‌های نازک CNT به دلیل همین خواص الکتریکی مطلوب، به‌عنوان الکترودهای شفاف در فیلم‌های رسانای شفاف مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

آماده‌سازی فیلم‌های نازک CNT

شکل 3. نانولوله‌های کربنی با قطرهای مختلف که درون یک لولۀ سانتریفیوژ از یکدیگر جدا شده‌اند. هر قطر متمایز منجر به ایجاد رنگی متفاوت می‌شود.

آماده‌سازی فیلم‌های نازک CNT برای TCFها از سه مرحله تشکیل می‌شود: فرآیند رشد CNT، قرار دادن CNTها در محلول، و در نهایت ایجاد فیلم نازک CNT. نانولوله‌ها را می‌توان با استفاده از تبخیر لیزری، تخلیۀ قوس الکتریکی، یا انواع مختلف رسوب‌دهی شیمیایی از فاز بخار (مانند PECVD) رشد داد. با این حال، نانولوله‌ها به‌صورت انبوه رشد می‌کنند و نانولوله‌هایی با کایرالیته‌های مختلف به دلیل جادبۀ واندروالس به یکدیگر می‌چسبند. سانتریفیوژ فوق‌سریع با گرادیان چگالی (Density Gradient Ultracentrifugation یا DGU) اخیرا برای رفع این مشکل به‌کار گرفته شده است. با استفاده از DGU، رساناهای شفاف تنها با بهره‌گیری از نانولوله‌های فلزی ساخته شدند. از آنجا که DGU امکان جداسازی بر اساس چگالی را فراهم می‌کند، لوله‌هایی با خواص نوری مشابه (به دلیل قطرهای مشابه) انتخاب شده و برای ساخت فیلم‌های رسانای CNT با رنگ‌های مختلف مورد استفاده قرار گرفتند.

برای جداسازی لوله‌های رشدیافته، CNTها با سورفکتانت و آب مخلوط شده و تحت فراصوت قرار می‌گیرند تا جداسازی رضایت‌بخش حاصل شود. سپس این محلول بر روی زیرلایۀ مورد نظر پاشیده می‌شود تا یک فیلم نازک CNT ایجاد گردد. پس از آن، فیلم با آب شست‌وشو داده می‌شود تا سورفکتانت اضافی حذف شود.

یکی از روش‌های رسوب‌دهی پاششی که برای ایجاد فیلم CNT به‌کار می‌رود، استفاده از نازل فراصوتی برای اتمیزه‌کردن CNTها در محلول به‌منظور تشکیل لایه‌های PEDOT است.

با بهینه‌سازی پارامترهای پاشش، ازجمله سورفکتانت، اندازۀ قطرات (که توسط فرکانس نازل فراصوتی تعیین می‌شود) و نرخ جریان محلول، میتوان ویژگی‌های مقاومت ورقه‌ای را تنظیم کرد. به دلیل ارتعاش فراصوتی خود نازل، این روش همچنین در طی فرآیند پاشش، سطح اضافی از فراصوت‌دهی را برای جداسازی بیشتر تجمع‌های CNT فراهم می‌کند.

مقایسۀ CNTها با TCOها

CNTها همچنین می‌توانند علاوه بر اکسیدهای رسانای شفاف (TCOها) در ادوات فتوولتائیک لایه‌نازک مورد استفاده قرار گیرند. دو TCO که اغلب استفاده می‌شوند، ZnO/Al و اکسید قلع-ایندیم (ITO) ${\ce {In_2O_3/Sn}}$ هستند. ادوات فتوولتائیکی که با استفاده از این TCOها ساخته شده‌اند، به بازده‌های تبدیل انرژی برابر با 19.5% در سلول‌های خورشیدی مبتنی بر (CIGS) ${\ce {Culn_{1-x}Ga_{x}Se_2}}$ و 16.5% در سلول‌های خورشیدی مبتنی بر CdTe دست یافته‌اند. این ادوات فتوولتائیکی در مقایسه با ادوات ساخته‌شده با فیلم‌های نازک CNT، بازده‌های به‌مراتب بالاتری داشتند؛ به‌طوری که Britz و همکاران بازده‌ای برابر با 8%، با ولتاژ مدار باز (Voc) برابر با 0.676 ولت چگالی جریان اتصال کوتاه (Jsc) برابر با 23.9 میلی آمپر بر سانتی‌متر مربع، و ضریب پرشدگی برابر با 45.48% گزارش کرده‌اند. با این حال، فیلم‌های نازک CNT در محدودۀ فروسرخ مزایای متعددی نسبت به دیگر الکترودهای شفاف نشان می‌دهند. گزارش شده است که فیلم‌های نازک CNT در این محدوده (400 نانومتر تا 22 میکرومتر) عبوردهی بیش از 90% دارند. این موضوع مسیر را برای کاربردهای جدید هموار می‌کند و نشان می‌دهد که فیلم‌های نازک CNT به دلیل این عبوردهی بالا می‌توانند به عنوان پخش‌کننده‌های حرارت در سلول‌های خورشیدی مورد استفاده قرار گیرند.

همان‌گونه که پیش‌تر بیان شد، کایرالیتۀ نانولوله نقش مهمی در تعیین میزان کمک بالقوۀ آن به این ادوات دارد. پیش از آنکه تولید انبوه امکان‌پذیر شود، پژوهش‌های بیشتری برای بررسی اهمیت قطر لوله و کایرالیته در فیلم‌های رسانای شفاف برای کاربردهای فتوولتائیکی مورد نیاز است. انتظار می‌رود که رسانندگی فیلم‌های نازک نانولولۀ کربنی تک‌دیواره (SWNT) با افزایش طول و خلوص CNT افزایش یابد. همان‌طور که پیش‌تر اشاره شد، فیلم‌های CNT با استفاده از دسته‌هایی از CNTها با آرایش تصادفی ساخته می‌شوند. مرتب‌سازی این لوله‌ها نیز باید موجب افزایش رسانندگی شود، زیرا تلفات پراکندگی را به حداقل رسانده و تماس بین نانولوله‌ها را بهبود می‌بخشد.

شبکه‌های نانوسیمی رسانا و مش فلزی به‌عنوان الکترودهای شفاف و انعطاف‌پذیر

شکل 4. شماتیکی از الکترودهای رسانای شفاف مبتنی بر شبکۀ فلزی. انتقال الکتریکی از طریق شبکۀ فلزی پرکولاسیونی انجام می‌شود، درحالی که عبوردهی نوری از طریق فضاهای خالی صورت می‌گیرد. منبع: پایان‌نامۀ Ankush Kumar (JNCASR).

شبکه‌های رسانای تصادفی از سیم‌ها یا مش‌های فلزی که از قالب‌ها به‌دست می‌آیند، نسل جدیدی از الکترودهای شفاف هستند. در این الکترودها، شبکۀ نانوسیمی یا مش فلزی نقش جمع‌کنندۀ بار را ایفا می‌کند، در حالی که فضاهای خالی میان آن‌ها برای نور شفاف هستند. این ساختارها از طریق رسوب‌دهی نانوسیم‌های نقره یا مس، یا با رسوب‌دهی فلزات در قالب‌هایی مانند الگوهای سلسله مراتبی ترک‌های تصادفی، رگ‌برگ برگ‌ها و مرزهای دانه‌ای و مانند آن به‌دست می‌آیند. این شبکه‌های فلزی را می‌توان بر روی زیرلایه‌های انعطاف‌پذیر ایجاد کرد و آنها می‌توانند به‌عنوان الکترودهای شفاف انعطاف‌پذیر عمل کنند. برای دستیابی به عملکرد بهتر در این الکترودهای مبتنی بر شبکه‌های رسانا، باید از چگالی بهینۀ نانوسیم‌ها استفاده شود؛ زیرا چگالی بیش از حد موجب تلفات سایه‌اندازی در سلول‌های خورشیدی می‌شود، در حالی که چگالی کمتر سیم‌ها به مقاومت ورقه‌ای بالاتر و تلفات بازترکیب بیشتر حامل‌های بار تولیدشده در سلول‌های خورشیدی می‌انجامد.

جستارهای وابسته

• اکسید قلع-ایندیم
• نانولولۀ کربنی
• پلیمرهای رسانا
• فیلم‌های نازک