Film di ZnO/metallo/ZnO (metallo = Ag, Pt, Au) per l'energia

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 15575 (2022) Citare questo articolo

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In questo articolo viene studiato l'impatto di diversi metalli (Ag, Pt e Au) sui campioni di ZnO/metallo/ZnO, rivestiti su un substrato di vetro tramite un sistema di sputtering magnetron RF/DC. Le proprietà strutturali, ottiche e termiche dei campioni preparati sono state studiate sistematicamente ai fini dello stoccaggio e della produzione di energia nell'industria. I nostri risultati mostrano che questi strati possono essere utilizzati come rivestimenti adatti sulle finestre degli edifici per applicazioni di accumulo di energia. Nelle stesse condizioni sperimentali, il caso dell'Au come strato intermedio ha dimostrato di avere condizioni ottiche ed elettriche migliori. Quindi anche lo strato di Pt ha portato ad un ulteriore miglioramento delle proprietà dei campioni piuttosto che di quelle dell’Ag. Inoltre, il campione ZnO/Au/ZnO ha mostrato la trasmittanza più alta nella regione del visibile (68,95%) e il FOM più alto (5,1 × 10–4 Ω−1). Pertanto, può essere considerato il campione relativamente ottimale affinché le finestre dell'edificio possano risparmiare energia grazie al suo basso valore U (2,16 W/cm2 K) e alla bassa emissività (0,45). Infine, applicando la tensione equivalente di 12 V ai capi del campione, la temperatura superficiale del campione è aumentata da 24 a 120 °C.

Gli ossidi conduttori trasparenti a bassa emissione (low-E) sono parte integrante degli elettrodi conduttivi trasparenti nella nuova generazione di dispositivi ottico-elettrici a bassa emissività, che sono potenziali candidati per varie applicazioni come display a schermo piatto, schermi al plasma, touch screen, luce organica diodi emettitori e celle solari. Al giorno d'oggi, l'uso di tali strutture come rivestimento delle finestre a risparmio energetico è prevalente.

I film sottili altamente trasparenti a bassa emissività e termoriflettenti (TCO) hanno spettri di trasmissione e riflessione elevati rispettivamente nelle gamme del visibile e dell'infrarosso. Queste pellicole possono essere utilizzate come rivestimenti sul vetro da costruzione per risparmiare energia. Inoltre, tali campioni vengono applicati come pellicole conduttive trasparenti nell'industria, come il vetro per automobili, a causa della loro notevole resistenza elettrica bassa1,2,3. L'ITO è sempre stato considerato un TCO comunemente utilizzato nell'industria. A causa della sua fragilità, tossicità, costo elevato e risorse limitate di indio, i ricercatori sono alla ricerca di materiali alternativi4,5.

A causa del crescente consumo energetico in tutto il mondo, i materiali a bassa emissività vengono ampiamente utilizzati. I vetri rivestiti con materiali a bassa emissività, ad esempio, sono applicabili negli edifici come finestre o porte per ridurre il consumo energetico. In estate, le pellicole a bassa emissività consentono il passaggio della luce visibile e impediscono alle onde IR di entrare nell'edificio. In inverno, invece, impediscono la diffusione verso l'esterno dei raggi infrarossi emessi dai dispositivi di riscaldamento dell'edificio. In altre parole, le pellicole a basso emissivo hanno un'elevata trasmittanza nella regione del visibile e un'elevata riflettanza nella regione dell'infrarosso6.

Ricerche recenti hanno dimostrato che gli elettrodi conduttivi a tre strati di ossido di metallo/metallo/ossido di metallo (O/M/O) hanno una migliore conduttività elettrica, risoluzione ottica e minore emissività rispetto alle pellicole ITO dello stesso spessore a temperatura ambiente. In questi esperimenti, è stato suggerito di applicare ossidi metallici come ITO, ZnO, AZO, ZnS, WO3, MoO3, Nb2O5 e SnO2 come strati superiore e inferiore, nonché metalli tra cui Ag, Cu, Ni, Al, Pt come strato intermedio7,8,9,10,11,12,13,14,15,16. La ricerca ha portato al miglioramento delle proprietà elettriche e ottiche degli elettrodi a tre strati modificando le condizioni di deposizione come temperatura, pressione, tensione di polarizzazione, ecc. La scelta del dielettrico negli strati superiore e inferiore e del metallo nello strato intermedio sarà cruciale nel modificare le proprietà ottiche ed elettriche. Inoltre, lo ZnO è stato ampiamente applicato in varie applicazioni industriali, inclusi monitor piatti, sensori di gas, fotosensori e touchscreen17. Inoltre, lo ZnO è considerato un materiale abbondante, economico e non tossico, stabile al plasma di idrogeno e ai processi ad alta temperatura. Ad esempio, nel 2012, Girtan et al. hanno dimostrato che gli elettrodi ZnO/Ag/ZnO avevano prestazioni fotovoltaiche migliori rispetto agli elettrodi ITO/Ag/ITO nelle celle solari18.