鉅大LARGE | 點擊量：1094次 | 2021年04月23日
新型有機太陽能電池：裝有石墨烯電極，柔性且透明
太陽能是一種清潔、可再生、無污染、易于獲取的能源，在未來能源發(fā)展中發(fā)揮著關(guān)鍵性用途。或許，我們會有一個美好的愿望：未來在我們周圍，太陽能電池將變得無處不在，例如窗戶和墻壁、汽車、智能手機、平板電腦等等，這樣有利于更加有效且便捷地利用太陽能。
關(guān)于實現(xiàn)這個愿望而言，有機太陽能電池是一個很好的選擇。由有機成分構(gòu)成的光伏太陽能電池，相關(guān)于現(xiàn)有的無機硅太陽能電池，具有各種優(yōu)勢。它們更加廉價，更加易于制造。它們是輕量且柔軟的，而不是笨重、剛性且易碎的，所以更加便于運輸，例如運輸?shù)經(jīng)]有中心電網(wǎng)的偏遠地區(qū)。此外，他們還可以是透明的。許多有機材料都可以吸收太陽光中的紫外線和紅外線部分，但是可以傳播我們?nèi)庋勰軝z測到的可見光部分。綜上所述，有機太陽能電池可以安裝在我們周圍物體的表面吸收能量，并且并不是容易被人眼看到。
過去數(shù)十年來，科學(xué)人員在開發(fā)透明的有機太陽能電池方面，已經(jīng)取得了顯著進展。但是，他們也遇到了一個頑固的絆腳石：為這些電池尋找合適的電極材料。對此，美國麻省理工學(xué)院電氣工程與計算機科學(xué)（EECS）專業(yè)的教授JingKong認為：
在自然界中，我們很難找到一種材料，它既有導(dǎo)電性，也具有光學(xué)透明性。
到目前為止，透明太陽能電池的開發(fā)通常都依賴于昂貴、脆弱的電極。最廣泛使用的材料是氧化銦錫（ITO）。ITO即具有導(dǎo)電性，又是透明的，但它又硬又脆，所以當(dāng)電池遭受彎曲時，ITO電極容易破裂。另外，銦也是一種昂貴和罕見的材料。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
石墨烯是ITO很好的替代品：它由碳原子構(gòu)成，只有一個原子的厚度，具有一些列卓越的特性，例如高度導(dǎo)電、柔性、耐用和透明。同時，構(gòu)成它的碳元素也是廉價且普遍存在的。此外，石墨烯電極可達到1納米的厚度，不足ITO電極厚度的幾分之一，更適用于本身很薄的有機太陽能電池。
然而，兩個關(guān)鍵性問題阻礙了石墨烯電極的大規(guī)模應(yīng)用。第一個問題是將石墨烯電極沉積到太陽能電池表面。大多數(shù)的太陽能電池在玻璃或者塑料基板上制造。底部的石墨烯電極被直接沉積到基板上，這項任務(wù)可以通過包含水、溶劑和熱量的工藝完成。然后，再添加其他層，最后是底部的石墨烯電極。但是，將頂部的石墨烯電極放置到空穴傳輸層(HTL)表面上，是一項很棘手的任務(wù)。
結(jié)果，研究研究人員只能在頂部使用ITO電極。2016-2017Eni-MIT研究員、Kong的納米材料和電子研究小組成員之一、EECS的研究生YiSong說道：
HTL溶解于水，而且位于它下方的有機材料，幾乎關(guān)于任何事物都會敏感，包括水、溶劑和熱量。
第二個問題是，兩個石墨烯電極要扮演不同的角色。讓電子克服原子核的束縛，從特定的材料表面逸出所需的最小能量，稱為逸出功。但是在太陽能電池中，應(yīng)該只有一個電極讓電子容易逸出。然而兩個電極都由石墨烯制成，因此要改變其中之一的逸出功，這樣電子才可以了解走那一條路。然而改變?nèi)魏尾牧系囊莩龉Σ⒉皇且患唵蔚氖隆?/p>
創(chuàng)新
美國麻省理工學(xué)院開發(fā)出一種柔性、透明的有機太陽能電池，讓我們離期望中的未來又更近了一步。他們使用石墨烯取代傳統(tǒng)電極，制成這種柔性、低成本、透明的太陽能電池，幾乎能將任何物體的表面都可以變成電源。
這種太陽能電池器件將低成本有機材料（含碳）與柔性、透明的石墨烯電極相機結(jié)合。他們?yōu)閷螌犹荚雍穸鹊氖┏练e到太陽能電池上，供應(yīng)了一種新方法，且這種方法也不會損壞其附近敏感的有機材料，從而有效地解決了上述石墨烯電極所存在的兩個問題。
過去三年以來，Kong和Song一直致力于解決石墨烯電極所存在的問題。他們首先開發(fā)并優(yōu)化了在基板上放置底部電極的工藝。
在那個工藝中，他們在銅箔上生長一片石墨烯。然后，他們使用了Kong和同事們在2008年演示過的技術(shù)，將它轉(zhuǎn)移到基板上。他們在石墨烯片的頂部沉積了一層聚合物用于支撐它，然后使用酸性溶液，將背面的銅箔腐蝕掉，最后形成石墨烯-聚合物堆疊物，然后轉(zhuǎn)移到水中進行清洗。然后，他們將浮動的、帶有基板的石墨烯-聚合物堆疊物舀上來，通過加熱或者丙酮清洗，去除聚合物層。結(jié)果形成了位于基板上的石墨烯電極。
但是，將頂部的電極從水中舀出來是行不通的。所以，他們通過將半毫米厚的硅橡膠框，壓到浮動的石墨烯-聚合物堆疊物上面，將它轉(zhuǎn)化為一種郵票，再用鑷子夾住硅橡膠框，將堆疊物從水中取出，弄干它，然后將它放到HTL的頂部。然后，他們通過稍微加熱，剝?nèi)ス柘鹉z郵票和聚合物支撐層，讓石墨烯沉積到HTL上。
起初，Song和Kong使用這項工藝制造出的電極的性能并不好。測試顯示，石墨烯層無法和HTL緊緊貼合在一起，所以電流無法有效地流出。很多解決方法都無法克服這一問題。例如，有一種方法是充分加熱這一結(jié)構(gòu)，讓石墨烯貼合的更好，但是它會損害有機物的靈敏度；另外一種方法是將石墨烯放置到HTL上面之前，在其底部放置某種膠，將兩層粘在一起，但是這樣會在它們之間又新增出另外一層，沒有新增反而降低了它們之間的面間接觸。
Song決定在郵票上添加膠，而不是變成石墨烯的下面一層，這或許會成為一種解決方法。他說：
我們在想，假如我們在石墨烯的頂部噴上這種非常柔軟、具有粘性的聚合物，會發(fā)生什么？它不會直接和傳輸層接觸，但是因為石墨烯這么薄，或許它的粘合性能通過石墨烯后，還可以保持完好無損。
為了測試這個想法，研究人員將一層乙烯-醋酸乙烯酯（EVA），結(jié)合到石墨烯之上的郵票中。EVA層非常薄而且柔軟，有點像食品包裝，并且很容易撕開。但是，他們發(fā)現(xiàn)聚合物層后來和郵票混一起，這種結(jié)構(gòu)正如Song希望的那樣：EVA薄膜和HTL緊緊地結(jié)合在一起，遵循物體表面上任何微觀的粗糙特點，迫使位于它下方的良好的石墨烯層也同樣如此。
這個工藝不僅提高了性能，而且?guī)硪饬喜坏降母綆Ш锰帯Ｑ芯咳藛T原先認為，他們的下一個任務(wù)將是尋找一條能夠改變頂部石墨烯電極逸出功的途徑，這樣它將和底部電極區(qū)分開來，保證流暢的電子流。但是，那一步并不是必要的。這項技術(shù)能夠?qū)⑹┓胖玫紿TL上，實際上已將電極的逸出功改變成他們所想要的。Song說：
我們很幸運。由于我們使用的這些制造工藝，我們的頂部和底部的電極正好具有正確的逸出功。
測試
為了檢測石墨烯電極實際的性能如何，研究人員要將它們集成到有機太陽能電池中。為了完成這項任務(wù)，他們要太陽能電池和測試設(shè)備，所以他們尋求了他們的同事、新興技術(shù)教授、工程學(xué)院創(chuàng)新副院長VladimirBulovi?的幫助。
作為比較，他們構(gòu)造了一些列由石墨烯、ITO和鋁（一種標(biāo)準(zhǔn)的電極材料）制成的具有剛性玻璃基板的太陽能電池。新型柔性的石墨烯/石墨烯器件和傳統(tǒng)剛性的ITO/石墨烯器件的電流密度（縮寫：CD，單位面積流動的電流）和能量轉(zhuǎn)化效率（縮寫：PCE，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的比例）是可以比較的。這些值那些鋁電極的器件要低，但是這是他們希望得到的結(jié)果。Kong說：
位于底部的鋁電極會將一些入射光線反射回太陽能電池中，所以整個器件會比透明器件吸收更多的太陽能。
他們的石墨烯/石墨烯器件的PCEs（位于剛性玻璃基板和柔性基板上）的范圍是從2.8%到4.1%。雖然這些值低于現(xiàn)有的商用太陽能電池板，但是相關(guān)于先前的全石墨烯電極的半透明器件，PCEs還是得到了顯著提升。
他們的石墨烯/石墨烯器件透明度的測量結(jié)果，更令人鼓舞。人眼可以檢測光線波長在400納米和700納米之間。全石墨烯器件顯示，跨越整個可見光區(qū)域的光學(xué)透光率是61%，而550納米時，可達69%。Kong說：
相關(guān)于文獻中提及的能量轉(zhuǎn)化效率相近的所有透明太陽能電池，這些值【透光率】是最高的。
價值
研究人員稱，他們的有機太陽能電池能夠放置于任何物體表面之上，剛性或者柔性的、透明或者不透明的。Kong說：
例如，假如你想要將它放到汽車上，這樣也不會不好看。你將能夠透過它看到原來在那里的東西。
為了演示這種多功能性，他們將石墨烯-石墨烯器件放置到柔性基板，包括塑料、不透明的紙張和半透明的聚酰亞胺膠帶上。測量結(jié)果顯示，三種柔性基板的器件性能差不多，而且只比玻璃基板的低一點點，很可能是因為表面更粗糙了一些，所以會存在接觸不良的可能性。
將太陽能電池放置在任何物體的表面能力，讓它更加適合消費電子產(chǎn)品。消費電子是全球范圍內(nèi)迅速上升的領(lǐng)域之一。例如，太陽能電池可在智能手機和平板電腦上直接制造，而不是獨立制造然后在組裝，這一改變將會顯著降低制造成本。
他們也將適用于未來的電子器件，例如即剝即貼的太陽能電池和電子紙。因為這些器件免不了被彎曲和折疊，所以研究人員讓他們的樣品也可以承受彎曲和折疊。假如有一天，所有的器件包括那些具有ITO電極的，都可以被反復(fù)折疊。那么，這些石墨烯電極在其輸出開始減退前，可彎曲的程度更深。
未來
研究人員正在致力于，在不犧牲透明度的前提下，提高基于石墨烯的有機太陽能電池的效率。（新增活動區(qū)域的數(shù)量將提高PCE，但是透明度將降低。）根據(jù)他們的計算，他們目前可達到的最大的理論PCE值是10%。Song說：
我們最佳的PCE是4%左右，所以我們還有一些路要走。
他們也正在考慮如何最大程度地將他們的太陽能電池變?yōu)榇竺娣e器件，從而可以覆蓋整個窗戶和墻壁。這樣一來，他們可以有效地出現(xiàn)能量，同時也可以關(guān)于人眼幾乎不可見。
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