Gennemsigtige ledende materialer

Vi bruger gennemsigtige ledende materialer hver dag i displays & touchskærme uden at vide det. På DTU har man ved et tilfælde opfundet en ny gennemsigtig leder, der er væsentligt billigere end de ledere af indium-tinoxid (ITO), som stort set bruges i 90 procent af alle mobiler og skærme i dag.

Af ph.d.-studerende Dennis Christensen, Institut for Energikonvertering og -lagring, Danmarks Tekniske Universitet (DTU)
Senest opdateret 20.08.2016

Vi bruger alle materialerne mange gange hver eneste dag. De er en vital komponent i solceller, mobiltelefoner, touch-skærme og displays. Alligevel kender få til materialerne og deres egenskaber. Dette er historien om materialer, som både er gennemsigtige og elektrisk ledende, og hvordan et nyt et af slagsen blev født på Danmarks Tekniske Universitet.

Hvordan ved en touchskærm at man trykker på den?
De fleste touchskærme virker ved at deres elektriske egenskaber ændres, når man sætter sine fingre på dem. Ved at måle ændringen kan skærmen finde ud af, hvor man trykkede. Ændringen skyldes, at vores fingre kan lede elektrisk strøm. Men det kræver samtidig, at overfladen af skærmen er elektrisk ledende. Derfor har alle touchskærme øverst et tyndt lag af en gennemsigtig elektrisk leder.
Elektriske egenskaber i touchskærmen ændres, når man sætter sine fingre på den.
I solceller derimod absorberes lyset af det aktive lag, og en spænding opbygges på to omgivende elektroder, og herfra høstes solens energi som elektricitet. Den ene elektrode peger mod solen og skal derfor være lavet af et materiale, der er elektrisk ledende og gennemsigtigt for solens spektrum. I displays tilføres elektrisk energi til et lys-emitterende lag via to elektroder, hvor lyset efter at være skabt skal passere gennem den ene elektrode for at nå brugeren. Igen bruges elektriske ledere.
 

Hvad bruger vi i dag?
I stort set alle mobiler, tablets og lignende bruges i dag ét bestemt materiale, indium-tinoxid (ITO), som har en markedsandel på over 90 pct.

ITO har fornuftige optiske og elektriske egenskaber og kan produceres med teknikker, som giver en god kvalitet, selv når materialet pålægges over store skærmarealer.

Imidlertid har materialet nogle alvorlige begrænsninger. Dels er ITO ikke specielt egnet til bøjelige displays, som bliver mere og mere udbredte, og desuden indeholder det indium, som både er dyrt, sjældent og udsat for store prissvingninger. Derfor er der øget fokus på at genbruge displays og mobiler samt på at finde gode alternativer til ITO. Specielt sætter den store udbredelse og priskonkurrence af solceller pres på at finde billigere alternativer til ITO.

DTU har opfundet nye gennemsigtige ledere
På Danmark Tekniske Universitet har vi opfundet et nyt zinkoxid-baseret materiale med bedre egenskaber end ITO.

Det nye materiale har arvet zinkoxids stærke fordel, nemlig de billige råmaterialepriser, som er op til 150 gange billigere end ITO. Desuden kan det produceres med de samme pålægningsteknikker som ITO, så veletablerede solcelle- og elektronikvirksomheder kan overgå til det nye materiale relativt smertefrit.

Som mange andre opdagelser blev den gennemsigtige leder opdaget lidt tilfældigt. Forskellige zinkoxid-baserede materialer blev undersøgt for deres evne til at omdanne overskudsvarme til elektricitet via den termoelektriske effekt. I disse studier blev der tilføjet nye grundstoffer til zinkoxid for at forbedre dets termoelektriske egenskaber. Det viste sig imidlertid også at give en optimal balance mellem den elektriske ledningsevne og gennemsigtighed. Dette markerede starten på en intensiv forskning af materialets anvendelsesmuligheder som en gennemsig leder.

Gennemsigtige ledere
– materialer med paradoksale egenskaber

Materialer, der både er elektrisk ledende og gennemsigtige, synes at være et paradoks i sig selv.

Metaller er gode elektriske ledere på grund af de frit bevægelige elektroner i deres indre. Men de samme elektroner absorberer lys og gør metallerne ugennemsigtige. Omvendt er gennemsigtige materialer som fx glas normalt elektrisk isolerende.

To tricks kan bruges til at omgå ovenstående paradoks: Nanoteknologi og modificering af elektronstrukturen i materialet.

Når småt er godt
- elektriske ledere via nanoteknologi

Når et materiales dimensioner bliver meget små – i størrelsesordenen nogle få nanometer (100.000 gange tyndere end et ark papir), ændrer dets egenskaber sig ofte, og det bliver usynligt for det blotte øje. Dryp fx en tyk, farverig madolie i vand, og fedtmolekylerne vil selvorganisere sig som et nanotyndt og gennemsigtigt lag på overfladen af vandet. En spiseskefuld olie kan således dække et areal svarende til en fodboldbane.

Produceres et metal eller kulstof med dimensioner på nanoskalaen, kan disse bibeholde deres ledningsevne og blive gennemsigtige. Kulstof-baserede materialer som grafen, kulstofnanorør, nanoledninger og nanogitre lavet af metal er alle eksempler på dette.
Nanogitre har potentiale til at blive den næste generation af gennemsigtige elektroder til fx din mobil.
Af disse nanofremstillede gennemsigtige ledere spås specielt nanogitre til at have det største potentiale som den næste generation af gennemsigtige elektroder til fx din mobil om 10 år.

Grafen derimod er specielt egnet til at lave elektronik og skærme, som er fleksible. Gennemsigtige elektroder skabt ved denne nanoteknologiske fremgangsmåde bruges i dag kun til niche-produkter, typisk på grund af den høje fremstillingspris og problemer med at bibeholde en god kvalitet, når produktionen opskaleres.

Dette er generelt for nanofremstillede gennemsigtige ledere, som i dag har en markedsandel på under 2 pct., men estimeres til stødt at stige til 25 pct. inden for de næste 10 år.

Når elektroner holder balancen
- elektriske ledere via optimering af båndgab og donorer

I et isolerende materiale skal elektronerne tilføres en vis mængde energi, før de kan begynde at lede en strøm. Det er derfor, materialerne er isolerende. Den mængde energi, der skal tilføres elektronerne, kaldes for båndgabet. Hvis båndgabet overstiger energien fra solens stråler, kan elektronerne ikke absorbere lyset, og materialet bliver gennemsigtigt, men elektrisk isolerende.

Metaller har derimod intet båndgab og absorberer lyset samtidig med, at de er elektrisk ledende.

En gennemsigtig leder kan fremstilles som en smuk mellemting mellem disse. Man starter med et isolerende materiale, som har et stort båndgab og dermed er gennemsigtigt. Man tilfører så den optimale mængde af de rette typer atomer, der kan afgive letbevægelige elektroner til materialet. De ekstra elektroner er for få til at kunne absorbere en markant del af solens stråler – dvs. materialet forbliver gennemsigtigt - men tilstrækkeligt mange til at ændre den elektriske ledningsevne markant. Herved er en gennemsigtig leder skabt.

Dette er den metode, der hovedsageligt bliver brugt kommercielt. Det er også sidstnævnte metode, som DTU’s nye materiale baseres på.

Her starter vi med det gennemsigtige zinkoxid, som har et stort båndgab. Herefter bruges to forskellige typer atomer i forholdsvis små koncentrationer til at tilføre materialet ledende elektroner. Mængden og typen af disse atomer er nøje udvalgt til at give en god elektrisk ledningsevne og høj grad af gennemsigtighed. Herved skabes et interessant materiale til at erstatte ITO i displays, touchskærme og solceller.

Konkurrencevindende leder

Ph.d.-studerende Dennis Christensen og postdoc Li Han fra Institut for Energikonvertering og -lagring på Danmarks Tekniske Universitet (DTU) har vundet flere innovationskonkurrencer med det nye materiale. Det startede i sommeren 2014 med en førstepræmie på DTU’s sommerskole for iværksættere. Et par måneder efter vandt de den nationale finale i cleantech-konkurrencen CleanLaunchPad og gik videre til den europæiske finale. Senest vandt de kategorien Produkt & teknologi i Venture Cup Idea Competition, som blev afholdt 23. januar 2015 i Odense.

Få mere at vide om:
Venture Cup 
CleanLaunchPad