5 جولای 2023 -توسط دانشگاه فردریش–الکساندر ارلانگن–نورنبرگ-مقایسه کیفی فناوری‌های فتوولتائیک سنتی و چاپی اعتبار: مواد طبیعی (2023). DOI:
الکترونیک ارگانیک می تواند سهم تعیین کننده ای در کربن زدایی داشته باشد و در عین حال به کاهش مصرف مواد خام کمیاب و ارزشمند کمک کند. برای انجام این کار، نه تنها توسعه بیشتر فرآیندهای تولید ضروری است، بلکه باید راه حل های فنی برای بازیافت در مراحل اولیه آزمایشگاهی نیز ابداع شود. دانشمندان مواد از FAU اکنون این استراتژی دایره ای را همراه با محققانی از بریتانیا و ایالات متحده در مجله Nature Materials ترویج می کنند.
قطعات الکترونیکی ارگانیک، مانند ماژول های خورشیدی، چندین ویژگی استثنایی دارند. آنها را می توان در لایه های بسیار نازک بر روی مواد حامل انعطاف پذیر اعمال کرد و بنابراین طیف وسیع تری از کاربردها را نسبت به مواد کریستالی دارند. از آنجایی که مواد فوتواکتیو آنها بر پایه کربن هستند، آنها همچنین به کاهش مصرف مواد کمیاب، گران قیمت و گاهی سمی مانند ایریدیوم، پلاتین و نقره کمک می کنند.
قطعات الکترونیکی ارگانیک به ویژه در زمینه فناوری‌های OLED و بالاتر از همه برای صفحه‌نمایش تلویزیون یا کامپیوتر، رشد عمده‌ای را تجربه می‌کنند. پروفسور دکتر کریستوف برابک، رئیس علوم مواد (مواد در الکترونیک و فناوری انرژی) در FAU و مدیر موسسه هلمهولتز ارلانگن-نورنبرگ برای انرژی های تجدیدپذیر (HI ERN). می گوید: «از یک طرف، این پیشرفت است، اما از سوی دیگر، باعث ایجاد مشکلاتی می شود.
Brabec به عنوان یک دانشمند مواد، خطر ادغام دائمی فناوری سازگار با محیط زیست را در معماری دستگاهی که به طور کلی پایدار نیست، می بیند. این نه تنها بر دستگاه‌های الکترونیکی تأثیر می‌گذارد، بلکه بر حسگرهای ارگانیک در منسوجات که عمر بسیار کوتاهی دارند نیز تأثیر می‌گذارد. او می‌گوید: «تحقیقات کاربردی به‌ویژه اکنون باید مسیری را تعیین کند که اطمینان حاصل شود که اجزای الکترونیکی و تمام قطعات جداگانه آنها باید ردپایی زیست‌محیطی به جا بگذارند که تا حد امکان در طول چرخه عمرشان کوچک باشد.»
توسعه بیشتر خود الکترونیک آلی در اینجا ابتدایی است، زیرا مواد جدید و فرآیندهای تولید کارآمدتر منجر به کاهش هزینه و انرژی در طول تولید می شود. برابک توضیح می‌دهد: «در مقایسه با پلیمرهای ساده، فرآیند تولید لایه فوتواکتیو به مقادیر قابل‌توجهی انرژی بیشتری نیاز دارد، زیرا در دمای بالا در خلاء رسوب می‌کند.
بنابراین محققان فرآیندهای ارزان‌تر و سازگار با محیط‌زیست مانند رسوب‌گذاری از محلول‌های مبتنی بر آب و چاپ با استفاده از فرآیندهای جوهرافشان را پیشنهاد می‌کنند. برابک می‌گوید: «یکی از چالش‌های مهم توسعه مواد کاربردی است که می‌توانند بدون حلال‌های سمی که برای محیط زیست مضر هستند، پردازش شوند. در مورد صفحه نمایش های OLED، چاپ جوهرافشان همچنین امکان جایگزینی فلزات گرانبها مانند ایریدیوم و پلاتین را با مواد آلی ارائه می دهد.
علاوه بر کارایی آنها، پایداری عملیاتی مواد تعیین کننده است. برای محافظت از لایه‌های کربن رسوب‌شده در خلاء ماژول‌های خورشیدی آلی، که می‌تواند تا دو سوم وزن کلی آنها را تشکیل دهد، کپسول‌سازی پیچیده مورد نیاز است. ترکیب قوی تر مواد می تواند به صرفه جویی قابل توجهی در مواد، وزن و انرژی کمک کند.
برای ارزیابی واقع بینانه ردپای محیطی الکترونیک آلی، کل چرخه عمر محصول باید در نظر گرفته شود. از نظر خروجی، سیستم‌های فتوولتائیک آلی هنوز از ماژول‌های سیلیکونی معمولی عقب هستند، اما 30٪ CO2 کمتری در طول فرآیند تولید منتشر می‌شود. وی می گوید هدف گذاری برای حداکثر سطوح کارایی همه چیز نیست. اگر امکان تولید ماده فوتواکتیو به جای هشت مرحله در پنج مرحله وجود داشته باشد، هجده درصد می تواند از نظر زیست محیطی منطقی تر از 20 باشد.
علاوه بر این، اگر دقیق‌تر نگاه کنید، عمر کوتاه‌تر ماژول‌های ارگانیک نیز نسبی است. اگرچه ماژول های فتوولتائیک مبتنی بر سیلیکون دوام بیشتری دارند، اما بازیافت آنها بسیار دشوار است. برابک می گوید: سازگاری زیستی و زیست تخریب پذیری به طور فزاینده ای به معیارهای مهمی برای توسعه محصول و همچنین طراحی بسته بندی تبدیل خواهد شد. ما واقعاً باید بازیافت را در آزمایشگاه در نظر بگیریم.»
این به معنای استفاده از بسترهایی است که به راحتی قابل بازیافت هستند یا به اندازه مواد فعال زیست تخریب پذیر هستند. استفاده از طرح‌های چندلایه در اوایل مرحله طراحی محصول می‌تواند تضمین کند که مواد مختلف می‌توانند به راحتی در پایان چرخه عمر محصول جدا شده و بازیافت شوند .
