研究人員開(kāi)發(fā)了一種利用石墨烯制造太陽(yáng)能電池的新技術(shù)，這種電池可以安裝在玻璃、塑料、紙張和膠帶等表面。

想象一下，未來(lái)太陽(yáng)能電池就在我們身邊——在窗戶(hù)和墻壁上，手機(jī)上，筆記本電腦上，等等。

麻省理工學(xué)院(MIT)開(kāi)發(fā)的一種新型靈活透明的太陽(yáng)能電池，使這一未來(lái)又向前邁進(jìn)了一步。

該裝置將低成本的有機(jī)(含碳)材料與石墨烯電極相結(jié)合，石墨烯是一種靈活透明的材料，由廉價(jià)而豐富的碳源制成。

這一太陽(yáng)能技術(shù)的進(jìn)步得益于一種新方法，即在太陽(yáng)能電池上沉積一層單原子厚度的石墨烯，而不會(huì)損害附近的敏感有機(jī)材料。

到目前為止，透明太陽(yáng)能電池的開(kāi)發(fā)人員通常依賴(lài)價(jià)格昂貴、易碎的電極，當(dāng)設(shè)備彎曲時(shí)，電極往往會(huì)斷裂。

石墨烯的應(yīng)用使真正柔軟、低成本、透明的太陽(yáng)能電池成為可能，這種電池幾乎可以將任何表面轉(zhuǎn)化為電能。

由有機(jī)化合物制成的光伏太陽(yáng)能電池將比今天的無(wú)機(jī)硅太陽(yáng)能電池提供多種優(yōu)勢(shì)。更便宜，更容易制造，是輕便和柔軟的，而不是沉重、僵硬和脆弱的，因此將更容易運(yùn)輸，包括到?jīng)]有中央電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，而且可以是透明的。

許多有機(jī)材料吸收陽(yáng)光的紫外和紅外成分，但傳送我們眼睛能探測(cè)到的可見(jiàn)光部分。因此，有機(jī)太陽(yáng)能電池可以安裝在我們周?chē)谋砻妫谖覀儾蛔⒁獾那闆r下收集能量。

在自然界中，既導(dǎo)電又光學(xué)透明的材料非常罕見(jiàn)。

目前應(yīng)用最廣泛的是氧化銦錫(ITO)。

ITO具有導(dǎo)電性和透明性，但同時(shí)也具有剛性和脆性，因此當(dāng)有機(jī)太陽(yáng)能電池彎曲時(shí)，ITO電極容易發(fā)生斷裂和脫落。此外，銦價(jià)格昂貴，相對(duì)稀有。

石墨烯是一種很有前途的ITO替代品，它是一種單原子厚度的碳，具有顯著的特性。

導(dǎo)電性強(qiáng)、柔軟、堅(jiān)固、透明;

它是由廉價(jià)且無(wú)處不在的碳制成的。

此外，石墨烯電極的厚度可達(dá)1納米——僅為ITO電極厚度的幾分之一，與薄的有機(jī)太陽(yáng)能電池本身的匹配度要高得多。

石墨烯的挑戰(zhàn)

兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題阻礙了石墨烯電極的大規(guī)模應(yīng)用。

第一個(gè)問(wèn)題是將石墨烯電極沉積到太陽(yáng)能電池上。

大多數(shù)太陽(yáng)能電池是在玻璃或塑料等基質(zhì)上制造的。底部的石墨烯電極直接沉積在基體上——這一任務(wù)可以通過(guò)水、溶劑和熱的處理來(lái)完成。其他層隨后被添加，以頂部石墨烯電極結(jié)束。但是將頂部電極放在所謂的空穴傳輸層(HTL)的表面是很棘手的。HTL溶于水，它下面的有機(jī)材料對(duì)幾乎任何東西都很敏感，包括水、溶劑和熱。因此，研究人員通常堅(jiān)持在頂部使用ITO電極。

使用石墨烯的第二個(gè)問(wèn)題是，兩個(gè)電極需要扮演不同的角色。

給定材料釋放電子的難易程度是其功函數(shù)的一個(gè)固定性質(zhì)。但是在太陽(yáng)能電池中，只要一個(gè)電極就可以讓電子很容易地流出。因此，如果兩個(gè)電極都由石墨烯制成，就需要改變其中一個(gè)電極的功函數(shù)，這樣電子就會(huì)知道該往哪個(gè)方向走——而改變?nèi)魏尾牧系墓瘮?shù)都不是一件容易的事。

石墨烯轉(zhuǎn)移平穩(wěn)

在銅箔上生長(zhǎng)一片石墨烯，然后用一種技術(shù)將其轉(zhuǎn)移到基底上。在石墨烯薄片上沉積一層聚合物來(lái)支撐它，然后用酸性溶液蝕刻背面的銅箔，最后形成一個(gè)石墨烯-聚合物堆，并將其轉(zhuǎn)移到水中進(jìn)行沖洗。然后，只需將漂浮的石墨烯-聚合物層與基底一起舀起，然后用加熱或丙酮沖洗除去聚合物層。結(jié)果是:石墨烯電極附著在基底上。

但是從水中舀出頂部電極是不可行的。因此，將漂浮的石墨烯聚合物堆壓上半毫米厚的硅橡膠框架，制成一種印章。用鑷子夾住框架，把它拿出來(lái)，擦干，放在HTL的頂部。

然后，在最低溫度下，它們可以剝離硅橡膠圖章和聚合物支撐層，將石墨烯沉積在HTL上。

起初，宋和孔用這種方法制作的電極表現(xiàn)不佳。測(cè)試表明，石墨烯層沒(méi)有與HTL緊密結(jié)合，因此電流無(wú)法有效流出。這個(gè)問(wèn)題顯而易見(jiàn)的解決辦法行不通。加熱到足以使石墨烯粘附的程度，會(huì)破壞敏感的有機(jī)物。在HTL上放置之前，在石墨烯的底部涂上某種膠水，會(huì)將兩層粘合在一起，但最終會(huì)在兩層之間形成一層附加層，減少而不是增加界面接觸。

如果把這種非常柔軟、粘稠的聚合物噴在石墨烯上。

研究人員在石墨烯上的表面上添加了一層乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)。EVA層非常柔韌，很薄，有點(diǎn)像食品保鮮膜，很容易撕開(kāi)。這個(gè)過(guò)程不僅提高了性能，還帶來(lái)了意想不到的副作用。研究人員認(rèn)為，他們的下一個(gè)任務(wù)將是找到一種方法來(lái)改變頂部石墨烯電極的工作功能，使其與底部石墨烯電極的工作功能有所不同，從而確保電子順暢流動(dòng)。

在HTL上放置石墨烯的技術(shù)實(shí)際上改變了電極的工作功能，使之達(dá)到他們所需要的程度。由于制造電極的過(guò)程，上電極和下電極恰好有正確的工作功能。

測(cè)試電極

為了觀(guān)察石墨烯電極在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)，研究人員需要將其植入功能正常的有機(jī)太陽(yáng)能電池中。作為對(duì)比，研究人員在剛性玻璃基板上用石墨烯、ITO和鋁(一種標(biāo)準(zhǔn)電極材料)制成電極，制造了一系列太陽(yáng)能電池。

新型柔性石墨烯/石墨烯器件與標(biāo)準(zhǔn)剛性ITO/石墨烯器件的電流密度(或CDs，即單位面積內(nèi)流過(guò)的電流)和功率轉(zhuǎn)換效率(或PCEs，即進(jìn)入的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能的比例)相當(dāng)。比那些只有一個(gè)鋁電極的設(shè)備要低，底部的鋁電極會(huì)將部分入射光反射回太陽(yáng)能電池，因此該設(shè)備總體上比透明設(shè)備能吸收更多的太陽(yáng)能。

所有石墨烯/石墨烯器件的PCEs值——在剛性玻璃基片和柔性基片上——范圍在2.8%到4.1%之間。

研究人員表示，雖然這些數(shù)值遠(yuǎn)低于現(xiàn)有商用太陽(yáng)能電池板的PCEs值，但與之前使用全石墨烯電極的半透明器件所取得的PCEs值相比，這是一個(gè)顯著的進(jìn)步。對(duì)其石墨烯/石墨烯器件透明度的測(cè)量取得了進(jìn)一步令人鼓舞的結(jié)果。人類(lèi)的眼睛可以探測(cè)到波長(zhǎng)在400到700納米之間的光。全石墨烯器件在整個(gè)可見(jiàn)區(qū)域的透光率為61%，在550納米處的透光率高達(dá)69%。這些值(透射率)是文獻(xiàn)中具有同等能量轉(zhuǎn)換效率的透明太陽(yáng)能電池中最高的值之一。

柔性基材，彎曲性能

研究人員指出，他們的有機(jī)太陽(yáng)能電池可以沉積在任何類(lèi)型的表面，剛性或柔性，透明或不透明。例如，如果你想把它放在你的汽車(chē)表面，它看起來(lái)不會(huì)模糊。為了證明這種通用性，他們將石墨烯-石墨烯器件沉積在包括塑料、不透明紙和半透明卡普頓膠帶在內(nèi)的柔性基片上。測(cè)量結(jié)果顯示，該設(shè)備在三種柔性基片上的性能大致相當(dāng)，僅略低于玻璃基片，這可能是因?yàn)楸砻娓植?，因此接觸不良的可能性更大。將太陽(yáng)能電池沉積在任何表面的能力，使其有望用于消費(fèi)電子產(chǎn)品——這一領(lǐng)域正在全球迅速發(fā)展。

例如，太陽(yáng)能電池可以直接在手機(jī)和筆記本電腦上制造，而不是單獨(dú)制造然后安裝，這一改變將大大降低制造成本。它們也將非常適合未來(lái)的設(shè)備，如削皮貼片太陽(yáng)能電池和紙質(zhì)電子產(chǎn)品。由于這些設(shè)備不可避免地會(huì)被彎曲和折疊，研究人員對(duì)他們的樣本進(jìn)行了同樣的處理。

盡管他們的所有設(shè)備——包括那些帶有ITO電極的設(shè)備——都可以反復(fù)折疊，但那些帶有石墨烯電極的設(shè)備在其產(chǎn)量開(kāi)始下降之前，可以彎曲得更緊。

未來(lái)的目標(biāo)

研究人員現(xiàn)在還在考慮如何最好地將太陽(yáng)能電池?cái)U(kuò)展到覆蓋整個(gè)窗戶(hù)和墻壁所需的大面積設(shè)備上，在這些設(shè)備上，太陽(yáng)能電池可以高效地發(fā)電，而人眼實(shí)際上是看不見(jiàn)的。

現(xiàn)在正致力于在不犧牲透明度的情況下提高石墨烯基有機(jī)太陽(yáng)能電池的效率。增加活動(dòng)面積會(huì)推高PCE，但透明度會(huì)下降。根據(jù)他們的計(jì)算，在目前的透明度水平下，理論上的最大PCE是10%。目前最好的PCE大約是4%，所以還有一段路要走。