美国科学家成功研发可弯曲透明的石墨烯太阳电池

2017-08-11 11:26:16 科技日报　点击量：评论 (0)

近日，麻省理工学院(MIT)电子工程和计算机科学系教授孔静(音译)，利用石墨烯成功研发了一种可弯曲透明的太阳能电池，这种太阳能电池无需单独安装，可集成到手机和电脑屏幕内，有望大幅降低此类电子产品的制造成本

近日，麻省理工学院(MIT)电子工程和计算机科学系教授孔静(音译)，利用石墨烯成功研发了一种可弯曲透明的太阳能电池，这种太阳能电池无需单独安装，可集成到手机和电脑屏幕内，有望大幅降低此类电子产品的制造成本。

石墨烯“临危受命”

近10年来，研究人员一直在研发各种透明的有机太阳能电池，并取得重大进展。这些电池与硅基太阳能电池相比，具有制造工艺简单、成本低、轻便易弯曲、容易运送到没有电网的偏远地区等一系列优势。但这些研究面临着一个长期难以解决的难题：找不到集导电性和光学透明性于一身的合适的电极材料。

目前，最广泛使用的电极材料是铟锡氧化物(ITO)，这种材料导电性和透明性都符合要求，但材质太硬，弯曲时容易折断碎裂。而且，铟属于稀有金属，原材料成本高。

因此，科学家逐渐将目光转移至石墨烯。这种用随处可见的碳制成的材料，不仅具有导电性高、可弯曲和透明的特点，而且做成的电极只有1nm，更符合超薄有机太阳能电池的需求。

新工艺克服瓶颈

然而，两大瓶颈始终制约着石墨烯电极在太阳能电池的普及。

一是石墨烯两个电极难以沉积到太阳能电池上。大多数太阳能电池板都是玻璃或塑料，当把其中一个石墨烯电极(底层电极)直接沉积时，需要水溶液和加热，导致另一个顶层电极沉积工艺特别复杂。孔静表示：“两层石墨烯电极之间的空穴运输层(HTL)易溶解，因此对水和热特别敏感，如此一来，其他研究团队往往将顶层电极用ITO代替，只在底层使用石墨烯电极。”

另一瓶颈是顶层电极和底层电极必须承担不同的工作性能，实现这一点非常不容易。

孔静教授带领其实验室团队研发出的特定工艺，却能一次性解决这两大瓶颈。通过使用铜箔、聚合物层、硅胶和一层乙烯—醋酸乙烯酯(EVA)，不仅成功将两层石墨烯电极沉积到太阳能板上，而且能改变顶层石墨烯电极的工作性能，使其与底层石墨烯的性能完全不同，确保了电流顺畅。

透明度迄今最高

为了检测石墨烯电极是否实用，孔静团队利用学校另一个实验室的太阳能电池板，将石墨烯电极、ITO电极和铝电极分别集成到玻璃板上，比较了三种电极的太阳能转换效率。测试结果发现，石墨烯电极和ITO电极的转换效率相当；铝电极的转换效率最高。孔静解释道，这是因为铝电极能将部分太阳光反射回电池板，可吸收更多的太阳能，因此效率最高。

他们对用两层石墨烯电极制成的太阳能电池进行透明度检测发现，其光学透明度达到61%，最高值69%，在目前透明太阳能电池中最高。

孔静表示，他们的石墨烯太阳能电池能铺展到任何表面，不管这个表面的软硬和透明程度如何。他们还用透明塑料、不透明纸和半透明胶带分别做底板，将双层石墨烯电极沉积其上制成太阳能电池，发现三者转换效率相当，略低于玻璃为底板的太阳能电池转换效率。这意味着，石墨烯太阳能电池未来用途非常广泛，无论是墙壁和玻璃，还是手机和电脑，石墨烯电池都可以铺展在上面，提供所需电能。

虽然目前石墨烯电池的转换效率只有4%，但根据孔静团队的理论计算，在不降低透明度的情况下，石墨烯太阳能电池的转换效率可提高到10%，提升空间很大，这也是他们下一步的研究重点。