石墨烯:助太陽能電池“遍地開花”

發布時間:2017/9/6

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的可彎曲透明太陽能電池,就讓這一夢想中的場景離現實更近了一步。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,有望大幅降低這些電子產品的制造成本。

石墨烯“臨危受命”

近10年來,研究人員一直在研發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,具有多項優勢:制造工藝簡單,成本便宜,輕便易彎曲,容易運送到沒有電網的偏遠地區。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。

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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,實現這一點非常不容易。

孔靜教授帶領其實驗室團隊研發出的特定工藝,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換效率。測試結果發現,石墨烯電極和ITO電極的轉換效率相當;鋁電極的轉換效率最高。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。

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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現,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,發現三者轉換效率相當,略低于玻璃為底板的太陽能電池轉換效率。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換效率只有4%,但根據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。



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