Przezroczyste materiały przewodzące (TCM – ang. transparent conducting material) są niezbędnymi komponentami różnych urządzeń optoelektronicznych, takich jak fotowoltaika, ale również wyświetlacze i ekrany dotykowe. W ostatnich latach podjęto szeroko zakrojone wysiłki w celu opracowania TCM o zarówno wysokiej przewodności elektrycznej, jak i przepuszczalności optycznej.
Na podstawie typów materiałów można je podzielić na następujące klasy: tlenki metali, sieci nanodrutów metalowych, TCM na bazie materiałów węglowych (sieci grafenu i nanorurek węglowych) oraz sprzężone polimery przewodzące (PEDOT:PSS) [S.K. Maurya et al., Energies, 2022, 15, 8698].
Przezroczyste materiały przewodzące to wyjątkowa klasa materiałów, które wykazują doskonałą transmisję optyczną w widmie światła widzialnego w połączeniu z bardzo wysoką przewodnością w temperaturze pokojowej. Cechują je przewaga nad materiałami, takimi jak: 1) metale, które wykazują wysoką przewodność w temperaturze pokojowej, ale pozostają nieprzezroczyste w zakresie widzialnym oraz 2) szkło i samoistne tlenki/siarczki metali (ZnO, ZnS, CdO, SnO2) wykazujące doskonałą przepuszczalność w zakresie światła widzialnego, ale posiadające właściwości izolujące w temperaturze pokojowej.
Dość trudno jest zsyntetyzować materiał, który zachowuje przezroczystość, a jednocześnie przewodzi prąd elektryczny. Zasadniczo wyróżnia się trzy drogi rozwoju TCM:
- jako materiał macierzysty wybiera się izolator o szerokim paśmie wzbronionym (Eg > 3 eV), a modyfikację jego struktury elektronowej przeprowadza się na podstawie licznych defektów sieci krystalicznej w celu uzyskania przewodnictwa,
- powszechną koncepcją realizacji TCM jest redukcja grubości warstw metalicznych (UTMF) do skali nanometrycznej czyniąc je przezroczystymi - niestety w ten sposób ich rezystywność wzrasta w porównaniu z materiałem grubowarstwowym, a dodatkowe rozpraszanie na powierzchni powoduje znaczny wzrost rezystancji warstwy [A. Mayadas, M. Shatzkes, Rev. B, 1970, 1, 1382],
- nowsze badania naukowe koncentrują się na zwiększeniu wydajności TCM poprzez zrozumienie mikroskopowej natury prowadzenia procesu osadzania w celu przeanalizowania roli morfologii, struktury krystalicznej i wiązań w transporcie ładunku elektrycznego - prace rozwojowe prowadzone na tego typu materiałach czynią je bardziej przewodzącymi i przezroczystymi w celu ich dalszej komercjalizacji [S.K. Maurya et al., Energies, 2022, 15, 8698].
W fotowoltaice materiały TCM są integralną częścią ogniw słonecznych i są używane jako warstwy transportujące dziury i elektrony, jednocześnie przepuszczając światło do warstwy absorbera. TCM są zwykle używane jako warstwa międzyfazowa w celu zapewnienia wysokiej wydajność konwersji ogniw, takich jak krzemowe, mikrokrystaliczne, perowskitowe, cienkowarstwowe typu CIGS i CZTS czy wielozłączowe. Od warstwy TCM wymaga się minimalnej rezystancji poniżej 10 Ω/sq i przezroczystości powyżej 80% w szerokim zakresie widma (400 - 1300 nm ). Jednolita i konformalna cienka warstwa powinna być osadzana w niskich temperaturach, w związku z tym można zastosować kilka metod próżniowych i bezpróżniowych, takich jak: napylanie katodowe, osadzanie laserem impulsowym (PLD), osadzanie warstw atomowych (ALD), osadzanie w kąpieli chemicznej (CBD), piroliza natryskowa, powlekanie wirowe i odparowywanie termiczne. Optymalizacja parametrów osadzania i składu warstwy (domieszkowanie lub tworzenie stopów) odgrywa istotną rolę w określaniu właściwości optycznych i elektrycznych wysokowydajnych warstw TCM.
Wśród tlenków metali istnieje szeroka gama materiałów TCM, takich jak: ITO, domieszkowany ZnO (Al:ZnO, In:ZnO, Ga:ZnO), domieszkowane fluorem SnO2 (FTO) czy też amorficzny InGaZnO4 (IGZO), które stosowane są w urządzeniach optoelektronicznych [A. Klein et al., Materials, 2010, 3, 4892-4914]. Chociaż TCM na bazie tlenków metali są szeroko stosowane w fotowoltaice, ze względu na ich wysoką przewodność i przezroczystość, niedobór surowców, wysokie koszty technik osadzania z fazy gazowej i kruchość mechaniczna skłaniają badaczy do poszukiwania alternatywnych przezroczystych elektrod [M. Morales-Masis et al., Adv. Electron. Mater., 2017, 3, 1600529].
Nowe możliwości otworzyły przezroczyste elektrody oparte na metalowej sieci nanodrutów (MNWN) ze względu na ich samoistnie wysoką przewodność, przestrajalną przezroczystość i możliwość osadzania metodami opartymi na chemii mokrej wprost z roztworów [J. Liu et al., Mater. Today Energy, 2019, 13, 152-185]. Ponadto mechaniczna elastyczność MNWN może otworzyć nowe możliwości rozwoju niekonwencjonalnej fotowoltaiki, w tym półprzezroczystych i elastycznych ogniw słonecznych [C.F. Guo, Z. Ren, Mater. Today, 2015, 18, 143-154]. Pomimo ogromnego postępu poczynionego w rozwoju tych materiałów, pozostaje kilka wyzwań związanych z właściwościami optoelektronicznymi, stabilnością termiczną, stabilnością chemiczną i stabilnością mechaniczną.
Alternatywą dla wysokich kosztów i ograniczonej podaży metalowych elektrod i TCM jest użycie materiałów na bazie węgla w celu zastąpienia standardowych elektrod. Jest to w dużej mierze korzystne, ponieważ węgiel jest powszechnym materiałem organicznym, który jest obficie dostępny na ziemi. Znany jest ze swojej aktywności i przewodności elektrochemicznej, odporności na wodę i elastyczności podczas obróbki. Zwiększanie wydajności ogniw ma się odbywać dzięki integracji przezroczystych elektrod grafenowych i nanostruktur węglowych poprzez optymalizację między przewodnością a przezroczystością. Głównym wyzwaniem pozostaje mechaniczne przenoszenie jednowarstwowego grafenu oraz zrównoważenie zwilżalności i przewodności w przypadku nanostruktur węglowych. Często wiele zabiegów chemicznych zwiększających hydrofilowość zmniejsza przewodnictwo, ponieważ wprowadza wiele grup zawierających tlen [J. Zhou et al., J. Power Sources, 2020, 478, 228764].
Zupełnie innym podejściem jest stosowanie materiałów organicznych jak na przykład poli(3,4-etylenodioksytiofen):polistyrenosulfonian (PEDOT:PSS), który jest polimerem przewodzącym składającym się z dodatnio naładowanego przewodzącego PEDOT i ujemnie naładowanego izolującego PSS służącego do równoważenia ładunku i dyspersji w różnych rozpuszczalnikach [Y. Xia, J. Mater. Sci. Mater. Electron., 2021, 32, 12746-12757]. PEDOT:PSS jest szeroko stosowany w urządzeniach optoelektronicznych jako warstwa transportująca dziury lub przezroczysta elektroda ze względu na wysoką i regulowaną przewodność (10-2–103 S/cm), znakomitą przezroczystość (90% przy grubości warstwy 100 nm), fantastyczną jakość warstwy (chropowatość na poziomie 5 nm), skalowalność (otrzymywanie z roztworu), wysoką elastyczność mechaniczną i stabilność w powietrzu [L. Hu et al., Polymers, 2020, 12, 145].
W zależności od właściwości opto-elektrycznych, bądź metody otrzymywania, wszystkie z przytoczonych materiałów są stosowane w ogniwach słonecznych. Należy jednak pamiętać, że dopiero znajomość klasycznych i kwantowych opisów warstw jest niezbędna do zrozumienia mechanizmu transportu nośników w przezroczystych warstwach przewodzących.
Przykład cienkiej warstwy optycznej naniesionej na szkle. Materiały promocyjne firmy Daken Chemical
(https://www.dakenchem.com/what-are-optical-thin-films-and-what-are-they-used-for/ z dn. 14.05.2023)
