石墨烯：助太阳能电池“遍地开花”

         想象这样一些场景：未来，无论是窗户和墙壁，还是手机和笔记本电脑，太阳能电池无处不在。麻省理工学院（MIT）电子工程和计算机科学系教授孔静（音译），近日利用石墨烯研发的可弯曲透明太阳能电池，就让这一梦想中的场景离现实更近了一步。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，有望大幅降低这些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，具有多项优势：制造工艺简单，成本便宜，轻便易弯曲，容易运送到没有电网的偏远地区。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电极材料。


        目前，最广泛使用的材料是铟锡氧化物（ITO），这种材料导电性和透明性都符合要求，但太硬，弯曲时容易折断碎裂，而且，铟是一种稀有金属，用来生产太阳能电池成本过高。


        石墨烯层成为替代ITO的最佳选择。这种用随处可见的碳制成的材料，不仅导电性高、可弯曲和透明，而且做成的电极只有1个纳米厚，更符合超薄有机太阳能电池的需求。


新工艺克服瓶颈


        但两大瓶颈始终制约着石墨烯电极在太阳能电池的普及。第一个瓶颈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。”


        石墨烯电极的另一瓶颈是，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。他们使用铜箔、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%，最高值有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。