Grabado químico selectivo de una matriz polimérica de nanotubos de carbono (NTC) sobre una subestructura plástica.

Un método para el grabado químico selectivo de una matriz polimérica que contiene nanotubos de carbono (NTC) sobre una subestructura plástica que comprende:

a) imprimir una pasta de grabado químico alcalina sobre la superficie de un material compuesto que comprende la matriz polimérica con nanotubos de carbono y el sustrato plástico,

b) calentar y

c) limpiar el sustrato.

Grabado químico selectivo de una matriz polimèrica de nanotubos de carbono (NIC) sobre una subestructura plástica. CAMPO TÉCNICO

La presente Invención se refiere a un método para la estructuración selectiva de una matriz polimèrica que contiene 5 NTC (nanotubos de carbono) en una subestructura plástica flexible. El método también Incluye una composición de grabado químico adecuado que permite procesar el método en una producción en masa.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El mercado de la energía solar presenta un crecimiento continuado de popularidad y la capacidad para fabricar células solares de alta eficacia es una estrategia clave para cumplir las crecientes necesidades de energía a nivel mundial. Los 70 sistemas fotovoltalcos actuales se basan predominantemente en el uso de tecnologías de silicio cristalino, de láminas delgadas y fotovoltalcas de concentración.

Las tecnologías de láminas delgadas tienen eficacias más bajas que las células de silicio cristalino, aunque permiten la aplicación directa a una superficie que puede ser plástica. La tecnología de láminas delgadas reduce los costes del producto final porque permite el uso de cantidades más pequeñas de material semiconductor, pueden fabricarse 75 mediante un proceso continuo y dan lugar a un producto que es menos probable que se dañe durante el transporte.

Por tanto, puede encontrarse una prometedora alternativa de bajo coste a las células solares de silicio en los dispositivos fotovoltalcos orgánicos (FVO) si puede aumentarse su eficacia de conversión de potencia de forma comparable a los dispositivos normales (Landi, B. J.; Raffaelle, R.P.; Castro, S.L.; Bailey, S.G., (2005). «Single-wall carbón nanotube-polymer solar cells». Progress /n Pñofovo/fa/cs. Research and App//caf/ons 13 (2): 165-172) y si 20 pueden obtenerse eficacias de conversión de potencia a bajo coste.

Las células solares orgánicas (a base de polímeros) son flexibles y, según el actual estado del desarrollo, sus costes de producción son aproximadamente un tercio del precio de las células de silicio. Son desechables y pueden diseñarse a nivel molecular. Las Investigaciones actuales se centran en la mejora de la eficacia y en el desarrollo de recubrimientos protectores de alta calidad para minimizar los efectos ambientales.

25 Estos dispositivos fotovoltaicos orgánicos (FVO) pueden fabricarse a partir de láminas delgadas de semiconductores orgánicos, como polímeros y compuestos de moléculas pequeñas, y normalmente el espesor es del orden de 100 nm. Puesto que los FVO a base de polímeros pueden obtenerse usando un proceso de recubrimiento, como recubrimiento por centrifugación o impresión por inyección de tinta, son una opción atractiva para recubrir de forma económica zonas grandes, así como superficies plásticas flexibles. Esto significa que los FVO a base de polímeros conjugados pueden 30 fabricarse mediante procesos de impresión y recubrimiento de alta velocidad y muy escalables que permiten una rápida producción en masa. La fácil fabricación y el bajo coste de los FVO los hacen atractivos incluso si sus eficacias son menores que las tecnologías existentes. En consecuencia, se están realizando numerosas investigaciones específicas en la industria y en el entorno académico para el desarrollo de nuevos FVO.

La nanotecnologia está permitiendo en la actualidad la producción de dispositivos fotovoltaicos orgánicos (FVO) para 35 superar las desventajas asociadas con los fotovoltaicos a base de silicio tradicionales. Los dispositivos fotovoltaicos orgánicos están compuestos de capas de materiales orgánicos semiconductores (polímeros u oligómeros) que absorben fotones del espectro solar. En los FVO, la radiación solar induce el estado excitado de los materiales orgánicos semiconductores fotoactivos de la capa fotoactiva. Este estado excitado se denomina excitón y es un par electrón hueco unido débilmente.

40 Esto se hizo posible mediante el descubrimiento de la transferencia electrónica fotoinducida desde el estado excitado de un polímero conjugado (como donante) al fulereno (como aceptor). El fulereno proporciona una separación de electrones y eficacia de recogida mayores en comparación con aceptores de electrones previamente conocidos.

Se han descrito previamente células fotovoltaicas a base de heterouniones planares polímero/fulereno C6o La mezcla de un polímero conjugado y C6o (o sus derivados funcionales) tiene como resultado una separación por carga 45 moderada y eficacias de recogida debido a la formación de heterouniones masivas donante-aceptor (D-A).

En este contexto, los nanotubos de carbono (NTC) también han atraído gran interés con su estructura cilindrica a

nanoescala. Las capas de nanotubos de carbono (NTC) parecen muy prometedoras y las aplicaciones de NTC a los FVO son de gran Interés. Dependiendo de las diversas qulralldades (la disposición en panal del carbono con respecto a sus ejes), los NTC pueden ser semiconductores o metálicos con conducción prácticamente balística. Los NTC, especialmente los nanotubos de carbono de pared simple (NTCPS), son conocidos como excelentes transportadores 5 de electrones. Los NTCPS ya se han utilizado de hecho como electrodos y se han combinado con polímeros conjugados para formar heterouniones masivas en las capas activas. Kymakls y col. describieron por primera vez un dispositivo fotovoltaico a base de la mezcla de NTCPS y el polímero conjugado poll(3-octllt¡ofeno) (P30T) [E. Kymakls; G. A. J. Amaratunga, Solar Energy Materials and Solar cells 80, 465-472 (2003), «Photovoltalc Cells Based on Dye- Sensitization of Singel-Waü Carbón Nanotubes In a Polymer Matrlx»]. Añadiendo NTCPS a la matriz de P30T se 70 mejoraba la corriente fotoeléctrica en más de dos órdenes de magnitud. En otro trabajo, Pradhan y col. mezclaron nanotubos de carbono de pared múltiple (NTCPM) funclonallzados con un polímero de poll(3-hexll-t¡ofeno) (P3HT) para proporcionar sitios de disociación adicionales y ayudar en el transporte de la carga en un dispositivo de doble capa P3HT-NTCPM/Ceo [B.Pradhan, Ksetyowatl, H. Llu, D. H. Waldeck, J. Chen, Nano Letters 8 (4), 1142-1146 (2008)].

Sin embargo, los nanotubos distribuidos dentro de una matriz polimèrica son menos eficaces a la hora de separar 15 transportadores de carga fotogenerados que las moléculas C6o esféricas que tienen una mayor relación superficie- volumen y es difícil dispersar los NTC en una matriz fotoactlva.

Las capas de NTC son transparentes en el espectro visible y en el IR y debido a sus propiedades eléctricas, los recubrimientos y circuitos de NTC se han convertido en una de las últimas alternativas a los materiales conductores tradicionales (p. ej., óxido de Indio y estaño [OIE], óxido de estaño dopado con flúor [OEF], óxido de cinc o sulfuro de 20 cadmio) [R. Salto, G Dresselhaus, M. S. Dresselhaus, «Physlcal Propertles of Carbón Nanotubes», Imperlai College Press, London U.K. 1998]. Los nanotubos de carbono son un alótropo de carbono que se encuentra tanto en la variedad de nanotubos de carbono de pared simple como de nanotubos de carbono de pared múltiple. Los nanotubos de carbono son conocidos por mostrar unas extraordinarias propiedades de resistencia, conducción de calor y eléctricas.

25 Las redes de NTC conocidas son conductores de tipo p, mientras que los conductores transparentes tradicionales son exclusivamente de tipo n. La disponibilidad de un conductor transparente de tipo p podría llevar a nuevos diseños de células que simplificaría la fabricación y mejoraría la eficacia. Estos se depositan más fácilmente y de forma más económica que el OIE sobre superficies de vidrio y plástico, ya que pueden obtenerse en solución, en comparación con el OIE que tiene que ser pulverizado sobre una superficie al vacío. Es por esto que es deseable aplicar capas de NTC y 30 sustituir el OIE en los dispositivos fotovoltalcos.

La combinación de NTC con donantes de electrones supone un concepto Importante para recoger la energía solar y convertirla en electricidad. Al igual que el C6o, los NTC se han Introducido en los mismos polímeros conjugados para producir dispositivos fotovoltaicos orgánicos [E. Kymakls, G. A. J. Aramatunga, Rev. Adv. Mater. Sel. 10, 300-305 (2005)].

35 Lo más Importante, las heterouniones a base de NTC son especialmente Interesantes debido a su geometría exclusiva, así como por sus excelentes propiedades electrónicas, térmicas y mecánicas. Los etllen electrón/hueco libres excitados por fotones pueden separarse mediante un voltaje aplicado externamente, mediante campos Internos en las barreras Schottky, en las uniones p-n o en los defectos. Puede generarse una corriente fotoeléctrica o un fotovoltaje.

La... [Seguir leyendo]

1. Un método para el grabado químico selectivo de una matriz polimerica que contiene nanotubos de carbono (NTC) sobre una subestructura plástica que comprende:

a) Imprimir una pasta de grabado químico alcalina sobre la superficie de un material compuesto que comprende la 5 matriz polimèrica con nanotubos de carbono y el sustrato plástico,

b) calentar y

c) limpiar el sustrato.

2. El método según la reivindicación 1 que comprende la etapa a) imprimir una pasta de grabado químico, en el que el agente de grabado químico se selecciona a partir del grupo de hidróxido de tetrametllamonlo, hldróxido de tetrapropllamonio e hidróxido de tetraetilamonlo o a partir del grupo de NaOH y KOH.

3. El método de la reivindicación 1, usando una pasta de grabado químico que comprende un solvente, seleccionado a partir del grupo de agua, alcoholes mono o polihídricos, como glicerol, 1,2-propanodiol, 1,4-butanodiol, 1,3- butanodlol, 1,5-pentanodiol, 2-etil-1-hexenol, etllenglicol, dietilenglicol y dlpropllengllcol, y éteres de los mismos, como éter monobutílico de etilenglicol, éter monometílico de trietilengllcol, éter monobutílico de dietilenglicol y éter monometílico de dipropilenglicol, y ásteres como acetato de [2,2,-butoxl(etoxl)]et¡lo, ásteres de ácido carbónico, como carbonato de propileno, cetonas, como acetofenona, metil-2-hexanona, 2-octanona, 4-hidroxi-4-metil-2-pentanonay 1- metìl-2-pìrrolìdona, como tal o en mezcla, en una cantidad del 10 al 90 % en peso, preferiblemente en una cantidad del 15 al 85 % en peso, en función de la cantidad total del medio.

4. El método de la reivindicación 1, usando una pasta de grabado químico en el que el solvente es 1,4-butanodiol.

5. El método de la reivindicación 1, usando una pasta de grabado químico que comprende partículas de carga orgánicas o inorgánicas o mezclas de las mismas en cantidades del 0,5 al 25 % en peso, en función de la cantidad total del medio de grabado químico.

6. El método de la reivindicación 1, usando una pasta de grabado químico que comprende partículas de polímero orgánicas seleccionadas a partir del grupo de poliestirenos, ácidos poliacrílicos, poliamidas, poliimidas, polimetacrilatos, melamina, uretano, benzoguanina y resinas fenólicas, resinas de silicona, celulosa micronizada, polímeros fluorados (PIFE, PVDF, entre otros) y cera micronizada como agente de carga y espesante.

7. El método de la reivindicación 1, usando una pasta de grabado químico que comprende partículas inorgánicas seleccionadas a partir del grupo de óxidos de aluminio, fluoruro de calcio, óxido de boro y cloruro de sodio como agentes de carga y espesante.

8. El método de la reivindicación 1, en el que la pasta de grabado químico se aplica sobre la superficie mediante serigrafia, inyección de tinta, dispersión o microinyección.

9. El método según una o más de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque el calentamiento del sustrato dura de 10 s a 15 min, preferiblemente de 30 s a 7 min, a una temperatura en el intervalo de 20 a 170 °C.

10. El método según una o más de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque el calentamiento del sustrato dura 5 minutos a 130 °C.

11. El método según las reivindicaciones 9 o 10, caracterizado porque el sustrato tratado se enjuaga con agua DI o con un solvente; y porque la parte enjuaga se seca con aire seco o flujo de nitrógeno.

12. El método según una o más de las reivindicaciones precedentes 1 a 11, donde dicho plástico es poliuretano, PEN (naftalato de polietilene) o PET (tereftalato de polietilene).

13. El método según una o más de las reivindicaciones precedentes 1 a 11 en el que los NTC (nanotubos de carbono), que están embebidos en las capas de polímero conductor, son nanotubos de carbono de pared simple (NTCPS), nanotubos de carbono de pared múltiple (NTCPM), fulerenos (C6o) o grátenos.

14. El método según una o más de las reivindicaciones precedentes 1 a 11 donde el polímero conductor se selecciona a partir del grupo de poll(3-octllt¡ofeno) (P30T), polímero de poll(3-hexllt¡ofeno) (P3HT), poll(3,4-etllend¡ox¡t¡ofeno) u otros derivados de polltlofeno y pollanlllnas, o es una combinación de polímeros como poll[2-metox¡-5-(3',7'- dlmet¡loct¡lox¡)1,4-fen¡lenvln¡leno] (MDMO-PPV) / 1-(3-metoxlcarbonll)-prop¡l-1-fen¡l)[6,6]C6i (PCBM); polímero pol¡(3-hexll-tlofeno) (P3HT)/(PCBM) y poll(3,4-et¡len-d¡oxlt¡ofeno)/pol¡(sulfonato de estlreno) (PEDOT/PSS).

15. El método según una o más de las reivindicaciones 1 a 14, en el que la resolución de las líneas, puntos o estructuras Impresas es de al menos 500 pm.