Vật liệu thay thế cho năng lượng thay thế hỗ trợ bởi Kính hiển vi quét laser LEXT™ OLS5100 Olympus

Tóm tắt

Tiến tới sản xuất quang điện bền vững, nhóm nghiên cứu của Tiến sĩ Manuela Schiek ở Oldenburg đã khám phá ra cách công nghệ mới nhất trong kính hiển vi quét laser đồng tiêu đang nâng cao cả độ chính xác và hiệu quả nghiên cứu của họ về chất bán dẫn hữu cơ và điện cực trong suốt.

Thu hoạch năng lượng trực tiếp từ mặt trời để tạo ra điện, pin mặt trời dường như đại diện cho hình ảnh thu nhỏ của năng lượng xanh. Nhưng bạn đã bao giờ dừng lại để xem xét quá trình sản xuất? Lấy trường hợp silicon tinh thể làm ví dụ, một thành phần chính của pin mặt trời thông thường. Thứ nhất, biến đổi quặng silica thành dạng kết tinh có giá trị của nó đòi hỏi nhiệt độ trên 2.000 ° C. Đây không chỉ là một quá trình cực kỳ tốn năng lượng, mà còn thu được siêu tinh khiết Silicon cũng liên quan đến một số hóa chất độc hại và khí nhà kính mạnh. Những kẻ phạm tội chính khác trong sản xuất hiện đại nhiều pin mặt trời màng mỏng vô cơ bao gồm các thành phần bao gồm các nguyên tố độc hại selen và cadmium. Indi cũng là một thành phần quan trọng, tạo thành oxit thiếc indium (ITO), nhưng trữ lượng tài nguyên hữu hạn này được ước tính sẽ trở nên không khả thi vào năm 2017, điều này đặt ra một loạt thách thức tiềm ẩn khác. Lấy trường hợp của tantali, ví dụ: quan trọng cho việc tạo ra bóng bán dẫn điện, sự sẵn có hạn chế của vật liệu gây tranh cãi này nằm ở trung tâm của xung đột chính trị ở Cộng hòa Dân chủ Congo.
Với sự căng thẳng ngày càng tăng trên lưới điện toàn cầu và hướng tới sản xuất năng lượng bền vững, do đó chúng ta phải đảm bảo rằng các phương pháp sản xuất các thiết bị năng lượng xanh đều bền vững như nhau – và đây là mục tiêu của nhóm nghiên cứu của Tiến sĩ Manuela Schiek tại Đại học Oldenburg. Nghiên cứu của họ tập trung vào các vật liệu thay thế để sản xuất pin mặt trời vừa không nguy hiểm vừa sẵn có. Điều này bao gồm việc sử dụng chất bán dẫn hữu cơ trong Lớp hoạt động thu năng lượng và hệ thống điện cực trong suốt được hình thành từ lưới dây nano bạc được nhúng trong ma trận polymer hữu cơ (xem hộp văn bản “Kiến trúc pin mặt trời hữu cơ”).
Với cấu trúc nhiều lớp phức tạp, các kỹ thuật phân tích bề mặt cung cấp những hiểu biết quan trọng về hoạt động của pin mặt trời. Trong khi phép đo hồ sơ xúc giác và Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) là trụ cột của đo lường bề mặt trong một số năm, kính hiển vi quét laser đồng tiêu 3D (CLSM) đang trở thành một công cụ phổ biến hơn bao giờ hết.
Kết hợp khả năng tạo ra hình ảnh quang học chi tiết, màu sắc trung thực với khả năng không tiếp xúc của công nghệ quét laser, kính hiển vi quét laser đồng tiêu thực sự đi vào riêng của nó như một profilometer quang học. Nhanh hơn và hiệu quả hơn các kỹ thuật dựa trên bút stylus, 3D CLSM có thể đo các bề mặt mềm hoặc dính và cung cấp độ phân giải 0,2 μm. Với những lợi ích này, việc giới thiệu gần đây máy quét laser 3D Olympus LEXT OLS4100 vào phòng thí nghiệm của Tiến sĩ Schiek đã rất nâng cao nghiên cứu của họ về cách thức sản xuất điện cực quang năng lượng thay thế.

Kiến trúc pin mặt trời hữu cơ

Kiến trúc pin mặt trời hữu cơ phổ biến nhất dựa trên lớp hoạt động thu hoạch photon, kẹp giữa hai điện cực – một trong số đó phải trong suốt để cho phép ánh sáng xuyên qua. Các photon chạm vào chất bán dẫn hữu cơ tạo ra các exciton mang điện tích, bằng cách sử dụng hai vật liệu – một nhà tài trợ electron và một bộ nhận electron – sau đó được tách thành các electron và lỗ riêng biệt của chúng. Được thúc đẩy bởi một Điện trường, các electron và lỗ trống di chuyển về phía các điện cực tương ứng của chúng, tạo ra sự tách điện tích cần thiết để tạo thành một mạch điện. Nghiên cứu của Tiến sĩ Schiek xem xét việc sử dụng điện cực lưới dây nano bạc (AgNW) trong suốt để thay thế ITO giòn và hiếm, ngoài việc hình thành lớp hoạt động từ vật liệu hữu cơ thay thế cho các hóa chất gây hại cho môi trường – tạo ra pin mặt trời màng mỏng linh hoạt, bền vững và giá cả phải chăng cho các ứng dụng tiêu dùng.

Vật liệu hữu cơ trong lớp hoạt động

Lớp hoạt động là nơi năng lượng được thu giữ từ các photon và trong pin mặt trời hữu cơ, điều này thường được hình thành từ sự pha trộn không liên tục của hai vật liệu – polymer và fullerene. Với polymer hoạt động như một nhà cung cấp electron và fullerene như một chất nhận electron, cấu trúc dị hợp khối lượng lớn này dẫn đến sự phân tách điện tích tăng cường của các electron và lỗ hổng, và do đó cải thiện chức năng pin mặt trời. Nhưng polyme thường là hỗn hợp vật liệu được xác định đại khái với chuỗi khác nhau độ dài và với các thuộc tính đặc trưng theo lô cao. Mặt khác, chất bán dẫn phân tử là các khối xây dựng được xác định với các đặc tính có thể được điều chỉnh bằng những thay đổi nhỏ đối với cấu trúc của chúng, do đó có thể được tối ưu hóa để cải thiện chức năng pin mặt trời. Một lớp thú vị của các phân tử như vậy là thuốc nhuộm squaraine (Hình 1), có cấu trúc cho sự hấp thụ rộng rãi trong vùng màu đỏ của phổ ánh sáng. Nghiên cứu của Tiến sĩ Schiek đang điều tra một dị hợp số lượng lớn Lớp hoạt động được hình thành từ squarain trộn với chất chấp nhận fullerene (để biết thêm thông tin, xem tài liệu tham khảo 1). Độ dày của lớp hoạt động là rất quan trọng đối với ứng dụng này: quá mỏng và tính di động của các hạt mang điện bị hạn chế, nhưng quá dày và cả độ hấp thụ ánh sáng và tính linh hoạt đều giảm đáng kể.
Do đó, việc đo chính xác độ dày lớp cũng quan trọng không kém. Trong phòng thí nghiệm của Tiến sĩ Schiek, một khi vết xước được tạo ra qua bề mặt lớp hoạt động bằng kim mịn, các cạnh bước của ‘thung lũng’ này sau đó được đo bằng cách sử dụng phép đo hồ sơ. Phép đo hồ sơ xúc giác trước đây được dựa vào, nhưng độ mềm của vật liệu hữu cơ cản trở phép đo chính xác. Trên thực tế, sự khác biệt về chiều cao khoảng 20 nm thường được quan sát thấy giữa hai cạnh bước, là đáng kể khi xem xét độ dày trung bình của lớp hoạt động là 100nm. Khi cây kim bước lên từ thung lũng, nó trầy xước vào bề mặt và dẫn đến kết quả đọc chiều cao thấp hơn.
Với kính hiển vi quét laser đồng tiêu 3D, đó là tia laser quét bề mặt và cách tiếp cận không tiếp xúc như vậy đạt được độ chính xác cao hơn nhiều của phép đo hồ sơ bề mặt (Hình 2). Hơn nữa, việc cung cấp hình ảnh của mẫu trực quan hơn và với LEXT OLS4100 thông tin này dễ dàng được biên soạn thành báo cáo, trình bày hình ảnh hỗ trợ dữ liệu số (Hình 2B).

Squaraines dưới ánh sáng phân cực.

Những thuốc nhuộm phân tử này trình bày một sự thay thế bền vững cho lớp hoạt động, ở đây được hình dung giữa các cực chéo với OLS4100 Olympus LEXT.

Hình 1.A: các tinh thể đơn thể hiện ánh kim loại vàng;

Hình 1.B: một lớp squaraine gọn gàng, với các cốt liệu hình cầu hình thành thông qua kết tinh khi ủ nhiệt.

Đo lường chính xác của vật liệu mềm.

Được hình thành từ vật liệu hữu cơ mềm, lớp hoạt động thường dày 100 nm và dễ bị hư hỏng khi tiếp xúc.

Hình 2.A: Đo biên dạng không tiếp xúc ở đây đạt được với Olympus LEXT OLS4100

Hình 2.B: Dữ liệu được tổng hợp thành báo cáo.

Điện cực trong suốt

Kết hợp độ trong suốt quang học với dẫn điện, các điện cực trong suốt tạo thành cực dương của pin mặt trời đồng thời cho phép ánh sáng đi qua lớp hoạt động. Nguồn tài nguyên đang suy giảm nhanh chóng của ITO hiện là tiêu chuẩn công nghiệp cho các điện cực trong suốt. Hơn nữa, ITO là một vật liệu giòn, hạn chế sử dụng nó trong các thiết bị linh hoạt về mặt cơ học và việc săn lùng một giải pháp thay thế nhẹ, rẻ, linh hoạt cũng tương thích với xử lý quy mô lớn. Graphene trình bày một sự thay thế tiềm năng, ví dụ (Hình 3), nhưng các mảnh khá nhỏ, điều này hạn chế việc sử dụng nó cho các khu vực lớn hơn.
Một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn là một mạng lưới các dây nano bạc (AgNW) được nhúng trong ma trận polymer và một dự án thứ hai trong phòng thí nghiệm của Tiến sĩ Schiek tập trung vào việc sản xuất AgNW, quá trình xử lý tiếp theo để tạo thành các điện cực và cuối cùng là tích hợp vào pin mặt trời hữu cơ.
Để có độ dẫn điện tối ưu, một kết nối đồng nhất phải tồn tại giữa điện cực và điện cực hoạt động, đòi hỏi một lưới AgNW đồng nhất. Vì đường kính của AgNW ở 100nm tương đương với độ dày của lớp hoạt động, điều quan trọng là phải tránh các vùng kết tụ này và tránh làm thủng lớp hoạt động. Tuy nhiên, trong thực tế, điều này là thách thức để đạt được trên toàn bộ pin mặt trời bằng cách sử dụng các kỹ thuật sản xuất lớp phủ spin hiện tại và đánh giá độ nhám bề mặt đóng một vai trò Vai trò trung tâm trong việc tối ưu hóa giao thức tổng hợp.
AFM là kỹ thuật chính được sử dụng để đánh giá độ nhám bề mặt của lưới AgNW, nhưng sự ra đời của OLS4100 LEXT đã cải thiện đáng kể hiệu quả của việc này. Đầu tiên, Tiến sĩ Schiek nhận thấy rằng việc mở rộng trường nhìn bằng cách sử dụng chức năng ghép hình ảnh cho phép cô xem một mẫu đại diện hơn của bề mặt điện cực. Lưới AgNW có thể xuất hiện thường xuyên ở quy mô nhỏ hơn, nhưng bằng cách tạo ra hình ảnh có độ phân giải cao một mm2 (lớn hơn mười lần so với AFM), các vùng tập hợp dễ dàng được xác định mà nếu không sẽ bị bỏ qua (Hình 4A, B). Như có thể thấy trong Hình 4C, phần mềm cũng cho phép cấu hình chiều cao được hiển thị dưới dạng 3D, hữu ích cho cả phân tích và tài liệu. Hơn nữa, khả năng tăng bộ lọc low-pass từ độ cao 80 μm lên 800 μm cho phép phân tích sâu sắc hơn về các vùng cao của dây nano bạc.
Đó cũng là trường hợp AFM tốn thời gian. Quá trình quét không chỉ mất đến một giờ, sau khi thiết lập thiết bị và điều chỉnh các đồ tạo tác liên quan đến mẹo, thường có thể mất cả ngày để có được một hình ảnh hữu ích duy nhất. Với CLSM 3D, việc thu nhận hình ảnh nhanh chóng và cũng rất trực quan nhờ phần mềm chuyên dụng, ngay cả đối với sinh viên thiếu kinh nghiệm kính hiển vi. Về hiệu suất, các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng AFM và CLSM với LEXT OLS4100 tạo ra kết quả tương đương, và đã được hưởng lợi từ việc cải thiện hiệu quả đánh giá độ nhám bề mặt của các điện cực trong suốt.
Một khía cạnh thú vị khác của dự án này là tiềm năng sâu rộng của các điện cực trong suốt trong các ứng dụng quang điện tử, bao gồm đèn LED và màn hình cảm ứng, trong đó việc phát triển các lựa chọn thay thế cho ITO cũng là trọng tâm của nghiên cứu chuyên sâu. Trong tương lai, các giao diện quang điện tử thậm chí có thể cho phép phục hồi thị lực, với cấy ghép võng mạc sử dụng ánh sáng để tạo ra đầu ra điện và kích thích hoạt động của tế bào thần kinh.

Một mảnh graphene nhiều lớp được phủ một chất bán dẫn hữu cơ phát ra ánh sáng.

Hình 3

Cấu trúc này hiện đang được nghiên cứu cho điốt phát sáng hữu cơ, trong khi graphene cũng có tiềm năng sử dụng như một điện cực trong suốt – mặc dù mảnh quá nhỏ đối với các bề mặt quang điện lớn hơn. Hình dung với chéo.

Đánh giá độ nhám bề mặt của các điện cực lưới dây nano bạc sử dụng OLS4100 Olympus LEXT.

Chức năng ghép ảnh mở rộng trường nhìn, Bộ lọc thông thấp được đặt thành 800 μm.

Hình 4.A: tạo điều kiện phân tích phân bố dây nano trên quy mô lớn hơn trong trường sáng.	Hình 4.B: Biểu đồ màu chiều cao.
Hình4.C: Kiến trúc pin mặt trời hữu cơ

Tóm tắt

Cung cấp cho lưới điện toàn cầu một cách bền vững vẫn là một trong những thách thức lớn nhất mà thế giới hiện đại phải đối mặt và đây là thời điểm thú vị để nghiên cứu các giải pháp sáng tạo. Việc sử dụng các vật liệu có sẵn rộng rãi hứa hẹn trong tương lai trong việc cung cấp một giải pháp thay thế xanh cho sản xuất pin mặt trời thông thường, với các cuộc điều tra như vậy được thúc đẩy bởi những phát triển công nghệ mới nhất.
Từ việc cho phép đo bước chính xác của lớp hoạt động bằng phép đo hồ sơ không tiếp xúc, đến nâng cao hiệu quả phân tích với tốc độ và các chức năng phần mềm tiên tiến, kính hiển vi quét laser đồng tiêu 3D Olympus LEXT OLS4100 đã cung cấp cho nhóm nghiên cứu của Tiến sĩ Manuela Schiek nhiều lợi thế so với các phương pháp dựa trên bút stylus. Khi năng lượng thay thế trở nên tập trung hơn trong những năm tới, các công nghệ kính hiển vi quang học đang phát triển có khả năng đóng vai trò trung tâm trong năng lượng mặt trời cuộc cách mạng.

Thông tin tác giả

Markus Fabich là Giám đốc Sản phẩm Kính hiển vi Khoa học Vật liệu tại Olympus SE &; CO. KG (Hamburg, Đức).

Tham khảo

1. S. Brück, C. Krause, R. Turrisi, L. Beverina, S. Wilken, W. Saak, A. Lützen, H. Borchert, M. Schiek, J. Parisi, Mối quan hệ cấu trúc-tài sản của anilino-squaraines trong pin mặt trời hữu cơ, Phys. Chem. Chem. Phys. 16 (2014) 1067.
2. F. Balzer, H. H. Henrichsen, M. B. Klarskov, TJ Booth, R. Sun, J. Parisi, M. Schiek, P. Bøggild, Chỉ đạo các miền oligome tinh thể tự lắp ráp trên graphene và than chì, Công nghệ nano 25 (2014) 035602.