Shrnutí
Výzkumná skupina Dr. Manuely Schiekové působící v Oldenburgu a zabývající se udržitelnou výrobou fotovoltaiky objevila, jakou roli mohou hrát nejnovější technologie v laserové skenovací konfokální mikroskopii ve zvyšování přesnosti a efektivity výzkumu organických polovodičů a transparentních elektrod, na kterém pracuje.
Sběr energie přímo ze slunce za účelem výroby elektrické energie pomocí solárních článků se může jevit jako samotné ztělesnění čisté energie. Zamysleli jste se však někdy nad tím, jak se solární články vyrábí? Vezměme si například krystalický křemík, hlavní složku konvenčních solárních článků. Zaprvé, přeměna křemenné rudy na její cennou krystalizovanou formu vyžaduje teploty nad 2 000 °C. Nejen že se jedná o neuvěřitelně energeticky náročný proces sám o sobě, ale získání extrémně čistého křemíku také vyžaduje použití několika nebezpečných chemikálií a silného skleníkového plynu. Mezi další hlavní zástupce moderní výroby mnoha anorganických tenkovrstvých solárních článků patří součásti obsahující toxické prvky selen a kadmium. Indium, tvořící dopovaný oxid inditý (ITO), je rovněž jejich nedílným prvkem. Odhaduje se, že omezené zdroje této látky se po roce 2017 stanou nespolehlivými, což představuje další potenciální výzvy. Jako další příklad lze uvést tantal – zásadní prvek pro výrobu elektrických tranzistorů. Omezená dostupnost tohoto diskutabilního materiálu je přímo ovlivňována politickým konfliktem v Konžské demokratické republice.
Vzhledem k rostoucí zátěži celosvětové energetické sítě a snaze o udržitelnou výrobu energie musíme zajistit, aby byly způsoby výroby zařízení pro čistou energii rovnocenně udržitelné. Právě toto je cílem výzkumné skupiny Dr. Manuely Schiekové působící na Univerzitě v Oldenburgu. Její výzkum se zaměřuje na alternativní materiály pro výrobu solárních článků, které jsou bezpečné a snadno dostupné. To zahrnuje použití organických polovodičů v aktivní vrstvě zachycující energii a systém transparentních elektrod tvořených ze sítě stříbrných nanovodičů zabudovaných do matrice z organického polymeru (viz odstavec „Architektura organického solárního článku“).
Vzhledem k jejich komplexní vícevrstvé struktuře poskytují techniky povrchové analýzy zásadní vhled do fungování solárního článku. Po řadu let byly stavebními kameny povrchové metrologie technologie kontaktní profilometrie a mikroskopie atomárních sil (AFM). Stále populárnějším nástrojem se však nyní stává 3D laserová skenovací konfokální mikroskopie (CLSM).
Díky kombinaci schopnosti vygenerovat detailní, plně opticky barevné snímky a bezkontaktní funkce laserové skenovací konfokální mikroskopie je laserový skenovací konfokální mikroskop skutečně jedinečný optický profilometr. 3D laserový skenovací konfokální mikroskop je rychlejší a efektivnější než techniky pracující s dotykovým hrotem, dokáže změřit měkké nebo adhezní povrchy a nabízí rozlišení 0,2 µm. Po pořízení 3D laserového skenovacího konfokálního mikroskopu Olympus LEXT OLS4100 nabízejícího tyto výhody do laboratoře Dr. Schiekové došlo k razantnímu posunu v jejím výzkumu alternativních způsobů výroby fotovoltaiky.
Architektura organického solárního článku
 | Nejrozšířenější architektura organických solárních článků je založena na aktivní vrstvě sbírající fotony vložené mezi dvě elektrody, přičemž jedna z nich musí být průhledná, aby umožnila průnik světla. Fotony narážející na organický polovodič
vytvářejí excitony nesoucí náboj, které se prostřednictvím dvou materiálů – donoru elektronů a akceptoru elektronů – rozdělí na samostatné elektrony a díry. Elektrony a díry urychlované elektrickým polem se pohybují směrem k příslušným elektrodám a zajišťují oddělení náboje
nezbytné pro vytvoření elektrického obvodu.
Výzkum Dr. Schiekové se kromě vytvoření aktivní vrstvy z organických materiálů alternativních k chemikáliím poškozujícím životní prostředí zaměřuje na použití transparentní elektrody tvořené sítí stříbrných nanovodičů (AgNW), která nahradí křehký a vzácný ITO. Smyslem výzkumu je vytvořit flexibilní, udržitelné a cenově dostupné tenkovrstvé solární články pro spotřebitelské aplikace. |
Organické materiály v aktivní vrstvě
V aktivní vrstvě dochází k pohlcování energie z fotonů. V organických solárních článcích je tento proces realizován nespojitou směsí dvou materiálů – polymeru a fullerenu. Díky tomu, že polymer působí jako donor elektronů a fulleren jako akceptor elektronů, tato objemová heterojunkční struktura napomáhá k lepšímu oddělení náboje elektronů a děr, a tedy ke zlepšení funkce solárních článků. Polymery jsou však často hrubě definované směsi materiálů s různými délkami řetězců a s vlastnostmi, které jsou vysoce specifické pro jednotlivé šarže. Molekulární polovodiče jsou naproti tomu definované stavební bloky s vlastnostmi, které lze upravit malými změnami jejich struktury. Tu lze následně optimalizovat za účelem zlepšení funkce solárních článků. Zajímavou třídou takových molekul jsou squarainová barviva (obrázek 1), jejichž struktura umožňuje širokou absorpci v červené oblasti světelného spektra. Výzkum Dr. Schiekové zkoumá objemovou heterojunkční aktivní vrstvu tvořenou squarainy smíchanými s fullerenovým akceptorem (více informací naleznete ve zdroji 1). Pro tuto aplikaci je rozhodující tloušťka aktivní vrstvy. Pokud je příliš tenká, je mobilita nosičů náboje omezená; pokud je příliš silná, jsou výrazně sníženy absorbance světla a flexibilita.
Přesné měření tloušťky vrstvy je proto velmi důležité. Po vytvoření rýhy tenkou jehlou skrze povrch aktivní vrstvy jsou v laboratoři Dr. Schiekové pomocí profilometrie změřeny následně vzniklé hrany přechodů této „prohlubně“. Dříve se spoléhalo na kontaktní profilometrii, nicméně měkkost organického materiálu bránila přesnému měření. Ve skutečnosti byla mezi dvěma hranami přechodů často pozorována výšková odchylka o velikosti cca 20 nm, což je vzhledem k průměrné tloušťce aktivní vrstvy 100 nm významná hodnota. V okamžiku, kdy se jehla pohybuje směrem vzhůru z prohlubně, škrábe do povrchu, a to má za následek neplatnou nižší hodnotu výšky.
Při použití 3D laserové skenovací konfokální mikroskopie skenuje povrch laser. Tento bezkontaktní přístup dosahuje mnohem vyšší přesnosti povrchové profilometrie (obrázek 2). Získání vizuálního obrazu vzorku je navíc intuitivnější a pomocí mikroskopu LEXT OLS4100 lze tyto informace snadno shrnout do reportu, ve kterém je prezentován obraz podpořený číselnými údaji (obrázek 2B).
Squarainy pod polarizovaným světlem
Tato molekulární barviva představují udržitelnou alternativu pro výrobu aktivní vrstvy. Zde je můžeme vidět vyobrazené mikroskopem Olympus LEXT OLS4100 metodou křížené polarizace.
 Obrázek 1A: Jednotlivé krystaly vykazují zlatý kovový lesk. |  Obrázek 1B: Vrstva uspořádaného squarainu naneseného metodou spin coating s agregáty sferulitu, které vznikly krystalizací po tepelném žíhání. |
Přesná metrologie měkkého materiálu
Aktivní vrstva tvořená měkkým organickým materiálem má obvykle tloušťku 100 nm a při kontaktu se snadno poškodí.
 Obrázek 2A: Bezkontaktní profilometrie prováděná mikroskopem Olympus LEXT OLS4100. |  Obrázek 2B: Data shrnutá v reportu. |
Transparentní elektrody
Průsvitné elektrody kombinující optickou transparentnost s vodivostí tvoří anodu solárního článku a zároveň umožňují průchod světla do aktivní vrstvy. Průmyslovým standardem pro výrobu transparentních elektrod je v současnosti rychle ubývající zdroj ITO. ITO je navíc křehký materiál, což omezuje jeho použití v mechanicky flexibilních zařízeních. Hledání jeho náhrady je proto zaměřeno na lehkou, levnou a flexibilní alternativu, která je také kompatibilní s velkovýrobními možnostmi zpracování. Takovou potenciální alternativu představuje například grafen (viz obrázek 3). Jeho vločky jsou nicméně poměrně malé, kvůli čemuž je omezeno jeho použití na velké plochy.
Jinou slibnou alternativou je síť stříbrných nanovodičů (AgNW) zabudovaná do polymerní matrice. Druhý z projektů v laboratoři Dr. Schiekové se zaměřuje právě na výrobu sítě AgNW, její následné zpracování za účelem výroby elektrod a nakonec integrace do organických solárních článků.
Pro zajištění optimální vodivosti musí mezi aktivní vrstvou a elektrodou existovat rovnoměrné spojení, pro které je vyžadována homogenní síť AgNW. Jelikož je průměr sítě AgNW 100 nm ekvivalentní hodnotě tloušťky aktivní vrstvy, je nezbytné se těmto oblastem s agregáty vyhnout a zabránit propíchnutí aktivní vrstvy. V praxi je tohoto nicméně pomocí současných technik výroby povlaku na bázi spinů obtížné dosáhnout v celém solárním článku. Při optimalizaci protokolu syntézy hraje ústřední roli drsnost povrchu.
Pro vyhodnocení drsnosti sítě AgNW se doposud používala zejména technika AFM mikroskopie. S uvedením mikroskopu LEXT OLS4100 na trh však došlo k výraznému zlepšení efektivity tohoto procesu. Dr. Schieková například záhy zjistila, že rozšíření zorného pole pomocí funkce skládání snímků jí umožní pozorovat reprezentativnější vzorek povrchu elektrody. Síť AgNW se může v menším měřítku jevit jako pravidelná, avšak vytvořením snímků jednoho mm2 s vysokým rozlišením (desetkrát větší, než je možné u mikroskopie AFM) lze snadno identifikovat oblasti agregace, které by jinak byly vynechány (obrázek 4A, B). Jak je vidět na obrázku 4C, software také umožňuje vizualizaci výškového profilu ve 3D, což je užitečné jak pro analýzu, tak pro dokumentaci. Možnost zvýšit dolní propust z výšky 80 µm na 800 µm navíc umožňuje důkladnější analýzu vyvýšených oblastí stříbrných nanovodičů.
Mikroskopie AFM je také časově náročnější. Samotné skenování může zabrat až jednu hodinu, a to až po nastavení zařízení a provedení úprav souvisejících s artefakty hrotu. Pořízení jednoho užitečného snímku může často zabrat jeden celý den. S 3D laserovým skenovacím konfokálním mikroskopem je snímání obrazu rychlé a díky specializovanému softwaru také velmi intuitivní, a to i pro studenty, kteří nemají s mikroskopií žádné zkušenosti. Výzkumníci zjistili, že při porovnání mikroskopie AFM a laserového skenovacího konfokálního mikroskopu z hlediska výkonu přinesl mikroskop LEXT OLS4100 srovnatelné výsledky a výhodu spočívající ve vylepšené efektivitě vyhodnocování drsnosti povrchu transparentních elektrod.
Dalším zajímavým aspektem tohoto projektu je dalekosáhlý potenciál transparentních elektrod v optoelektronických aplikacích, včetně LED a dotykových obrazovek, u kterých je vývoj alternativ k ITO rovněž předmětem intenzivního výzkumu. V budoucnu by mohla být optoelektronická rozhraní dokonce využita k navrácení zraku prostřednictvím sítnicových implantátů využívajících světlo ke generování elektrického výstupu a stimulaci neurální aktivity.
Vločka z vícevrstvého grafenu potažená organickým polovodičem emitujícím světlo
 Obrázek 3 | Tato struktura je v současné době zkoumána pro použití v organických diodách emitujících světlo. Grafen má rovněž potenciál k použití jako transparentní elektroda, přestože jsou jeho vločky příliš malé pro větší fotovoltaické povrchy. Vizualizováno metodou zkřížení. |
Hodnocení drsnosti povrchu elektrod ze sítě stříbrných nanovodičů pomocí mikroskopu Olympus LEXT OLS4100
Funkce skládání snímků rozšiřuje zorné pole; dolní propust je nastavena na hodnotu 800 µm.
 Obrázek 4A: Provádění analýzy rozložení nanovodičů ve větším měřítku při pozorování ve světlém poli. |  Obrázek 4B: Graf rozlišující výšky dle barev. |
 Obrázek 4C: Architektura organického solárního článku. | |
Shrnutí
Napájení globální energetické sítě udržitelným způsobem zůstává jednou z největších výzev, kterým čelí moderní svět. Nyní přichází doba intenzivního výzkumu inovativních řešení. Používání běžně dostupných materiálů je budoucím příslibem pro zajištění zelené alternativy ke konvenčním způsobům výroby solárních článků. Výzkumy týkající se tohoto problému se snaží co nejproduktivněji využívat nejnovější technologická vylepšení.
3D laserový skenovací konfokální mikroskop Olympus LEXT OLS4100 poskytl výzkumné skupině Dr. Manuely Schiekové mnoho výhod oproti metodám založeným na použití hrotu – od přesného krokového měření aktivní vrstvy pomocí bezkontaktní profilometrie až po zlepšení efektivity analýzy s rychlými a vyspělými softwarovými funkcemi. V následujících letech bude na alternativní energii zaměřováno stále více pozornosti a je velmi pravděpodobné, že v solární revoluci budou hrát hlavní roli právě vyvíjené technologie světelné mikroskopie.
Informace o autorovi
Markus Fabich pracuje jako produktový manažer pro mikroskopii pro materiálové vědy ve společnosti Olympus SE & CO. KG (Hamburg, Německo).
Použité zdroje
1. S. Brück, C. Krause, R. Turrisi, L. Beverina, S. Wilken, W. Saak, A. Lützen, H. Borchert, M. Schiek, J. Parisi, Structure–property relationship of anilino-squaraines in organic solar cells, Phys. Chem. Chem. Phys. 16 (2014) 1067.
2. F. Balzer, H. H. Henrichsen, M. B. Klarskov, T. J. Booth, R. Sun, J. Parisi, M. Schiek, P. Bøggild, Directed self-assembled crystalline oligomer domains on graphene and graphite, Nanotechnology 25 (2014) 035602.
