石墨烯：助太陽能電池“遍地開花”

2017-08-11 14:22:49 科技日報　點擊量：評論 (0)

想象這樣一些場景：未來，無論是窗戶和墻壁，還是手機和筆記本電腦，太陽能電池無處不在。麻省理工學院（MIT）電子工程和計算機科學系教授孔靜（音譯），近日利用石墨烯研發(fā)的可彎曲透明太陽能電池，就讓這一夢想

想象這樣一些場景：未來，無論是窗戶和墻壁，還是手機和筆記本電腦，太陽能電池無處不在。麻省理工學院（MIT）電子工程和計算機科學系教授孔靜（音譯），近日利用石墨烯研發(fā)的可彎曲透明太陽能電池，就讓這一夢想中的場景離現(xiàn)實更近了一步。這種太陽能電池無需單獨安裝，可集成到手機和電腦屏幕內(nèi)，有望大幅降低這些電子產(chǎn)品的制造成本。

MIT科學家近日研制出的柔性石墨烯太陽能電池

石墨烯“臨危受命”

近10年來，研究人員一直在研發(fā)各種透明的有機太陽能電池，并取得重大進展。這些電池與硅基太陽能電池相比，具有多項優(yōu)勢：制造工藝簡單，成本便宜，輕便易彎曲，容易運送到?jīng)]有電網(wǎng)的偏遠地區(qū)。但這些研究面臨著一個長期難以解決的難題：找不到集導電性和光學透明性于一身的合適電極材料。

目前，最廣泛使用的材料是銦錫氧化物（ITO），這種材料導電性和透明性都符合要求，但太硬，彎曲時容易折斷碎裂，而且，銦是一種稀有金屬，用來生產(chǎn)太陽能電池成本過高。

石墨烯層成為替代ITO的最佳選擇。這種用隨處可見的碳制成的材料，不僅導電性高、可彎曲和透明，而且做成的電極只有1個納米厚，更符合超薄有機太陽能電池的需求。

新工藝克服瓶頸

但兩大瓶頸始終制約著石墨烯電極在太陽能電池的普及。第一個瓶頸是石墨烯兩個電極難以沉積到太陽能電池上。大多數(shù)太陽能電池板都是玻璃或塑料，當把其中一個石墨烯電極（底層電極）直接沉積時，需要水溶液和加熱，導致另一個頂層電極沉積工藝特別復雜。孔靜表示：“兩層石墨烯電極之間的空穴運輸層（HTL）易溶解，因此對水和熱特別敏感，如此一來，其他研究團隊往往將頂層電極用ITO代替，只在底層使用石墨烯電極。”

石墨烯電極的另一瓶頸是，頂層電極和底層電極必須承擔不同的工作性能，實現(xiàn)這一點非常不容易。

孔靜教授帶領(lǐng)其實驗室團隊研發(fā)出的特定工藝，卻能一次性解決這兩大瓶頸。他們使用銅箔、聚合物層、硅膠和一層乙烯—醋酸乙烯酯（EVA），不僅成功將兩層石墨烯電極沉積到太陽能板上，而且能改變頂層石墨烯電極的工作性能，使其與底層石墨烯的性能完全不同，確保了電流順暢。

透明度迄今最高

為了檢測石墨烯電極是否實用，孔靜團隊利用學校另一個實驗室的太陽能電池板，將石墨烯電極、ITO電極和鋁電極分別集成到玻璃板上，比較了三種電極的太陽能轉(zhuǎn)換效率。測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，石墨烯電極和ITO電極的轉(zhuǎn)換效率相當；鋁電極的轉(zhuǎn)換效率最高。孔靜解釋道，這是因為鋁電極能將部分太陽光反射回電池板，可吸收更多的太陽能，因此效率最高。

他們對用兩層石墨烯電極制成的太陽能電池進行透明度檢測發(fā)現(xiàn)，其光學透明度達到61%，最高值有69%，在目前透明太陽能電池中最高。

孔靜表示，他們的石墨烯太陽能電池能鋪展到任何表面，不管這個表面的軟硬和透明程度如何。他們還用透明塑料、不透明紙和半透明膠帶分別做底板，將雙層石墨烯電極沉積其上制成太陽能電池，發(fā)現(xiàn)三者轉(zhuǎn)換效率相當，略低于玻璃為底板的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率。這意味著，石墨烯太陽能電池未來用途非常廣泛，無論是墻壁和玻璃，還是手機和電腦，石墨烯電池都可以鋪展在上面，提供所需電能。

雖然目前石墨烯電池的轉(zhuǎn)換效率只有4%，但根據(jù)孔靜團隊的理論計算，在不降低透明度的情況下，石墨烯太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率可提高到10%，提升空間很大，這也是他們下一步的研究重點。

原標題:石墨烯：助太陽能電池“遍地開花”