新型有機太陽能電池：裝有石墨烯電極，柔性且透明！

導讀

美國麻省理工學院開發出一種柔性、透明的有機太陽能電池，它結合了低成本的有機材料（含碳）與柔性、透明的石墨烯電極。同時，他們研發出一種新方法，成功地將石墨烯沉積到太陽能電池上。未來，這種太陽能電池將有望安裝到任何物體表面。

關鍵字

太陽能、材料、電池

背景

太陽能是一種清潔、可再生、無污染、易於獲取的能源，在未來能源發展中發揮著關鍵性作用。或許，我們會有一個美好的願望：未來在我們周圍，太陽能電池將變得無處不在，例如窗戶和牆壁、汽車、智能手機、平板電腦等等，這樣有利於更加有效且便捷地利用太陽能。

對於實現這個願望而言，有機太陽能電池是一個很好的選擇。由有機成分構成的光伏太陽能電池，相對於現有的無機硅太陽能電池，具有各種優勢。它們更加廉價，更加易於製造。它們是輕量且柔軟的，而不是笨重、剛性且易碎的，所以更加便於運輸，例如運輸到沒有中心電網的偏遠地區。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，但是可以傳播我們肉眼能檢測到的可見光部分。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，並且並不是容易被人眼看到。

過去數十年來，科學人員在開發透明的有機太陽能電池方面，已經取得了顯著進展。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，美國麻省理工學院電氣工程與計算機科學（EECS）專業的教授 Jing Kong 認為：

「在自然界中，我們很難找到一種材料，它既有導電性，也具有光學透明性。」

到目前為止，透明太陽能電池的開發通常都依賴於昂貴、脆弱的電極。最廣泛使用的材料是氧化銦錫（ITO）。ITO 即具有導電性，又是透明的，但它又硬又脆，所以當電池遭受彎曲時，ITO 電極容易破裂。另外，銦也是一種昂貴和罕見的材料。

石墨烯是ITO很好的替代品：它由碳原子構成，只有一個原子的厚度，具有一些列卓越的特性，例如高度導電、柔性、耐用和透明。同時，構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，更適用於本身很薄的有機太陽能電池。

然而，兩個關鍵性問題阻礙了石墨烯電極的大規模應用。第一個問題是將石墨烯電極沉積到太陽能電池表面。大多數的太陽能電池在玻璃或者塑料基板上製造。底部的石墨烯電極被直接沉積到基板上，這項任務可以通過包含水、溶劑和熱量的工藝完成。然後，再添加其他層，最後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。

結果，研究研究人員只能在頂部使用ITO電極。2016-2017 Eni-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 Yi Song 說道：

「HTL溶解於水，而且位於它下方的有機材料，幾乎對於任何事物都會敏感，包括水、溶劑和熱量。」

第二個問題是，兩個石墨烯電極需要扮演不同的角色。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製成，因此需要改變其中之一的逸出功，這樣電子才可以知道走那一條路。然而改變任何材料的逸出功並不是一件簡單的事。

創新

美國麻省理工學院開發出一種柔性、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電極，製成這種柔性、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。

（圖片來源：Stuart Darsch）

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合。他們為將單層碳原子厚度的石墨烯沉積到太陽能電池上，提供了一種新方法，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。

技術

（圖片來源：MIT）

方案

過去三年以來， Kong 和 Song 一直致力於解決石墨烯電極所存在的問題。他們首先開發並優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。然後，他們使用了Kong和同事們在2008年演示過的技術，將它轉移到基板上。他們在石墨烯片的頂部沉積了一層聚合物用於支撐它，然後使用酸性溶液，將背面的銅箔腐蝕掉，最後形成石墨烯-聚合物堆疊物，然後轉移到水中進行清洗。然後，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。結果形成了位於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，弄乾它，然後將它放到HTL的頂部。然後，他們通過稍微加熱，剝去硅橡膠郵票和聚合物支撐層，讓石墨烯沉積到HTL上。

起初，Song 和 Kong 使用這項工藝製造出的電極的性能並不好。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。很多解決方案都無法克服這一問題。例如，有一種方法是充分加熱這一結構，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增加出另外一層，沒有增加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案。他說：

「我們在想，如果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，會發生什麼？它不會直接和傳輸層接觸，但是因為石墨烯這麼薄，或許它的粘合性能通過石墨烯後，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，並且很容易撕開。但是，他們發現聚合物層後來和郵票混一起，這種結構正如Song希望的那樣：EVA薄膜和HTL緊緊地結合在一起，遵循物體表面上任何微觀的粗糙特徵，迫使位於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，而且帶來意料不到的附帶好處。研究人員原先認為，他們的下一個任務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分開來，保證流暢的電子流。但是，那一步並不是必要的。這項技術能夠將石墨烯放置到HTL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。由於我們使用的這些製造工藝，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，研究人員需要將它們集成到有機太陽能電池中。為了完成這項任務，他們需要太陽能電池和測試設備，所以他們尋求了他們的同事、新興技術教授、工程學院創新副院長 Vladimir Bulovi? 的幫助。

作為對比，他們構造了一些列由石墨烯、ITO和鋁（一種標準的電極材料）製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）和能量轉化效率（縮寫：PCE，將太陽能轉化為電能的比例）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果。Kong 說：

「位於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。」

（圖片來源：Stuart Darsch）

他們的石墨烯/石墨烯器件的PCEs（位於剛性玻璃基板和柔性基板上）的範圍是從2.8%到4.1%。雖然這些值低於現有的商用太陽能電池板，但是相對於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，跨越整個可見光區域的光學透光率是61%，而550納米時，可達69%。Kong 說：

「相對於文獻中提及的能量轉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於任何物體表面之上，剛性或者柔性的、透明或者不透明的。Kong 說：

「例如，如果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裡的東西。」

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醯亞胺膠帶上。測量結果顯示，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品。消費電子是全球範圍內迅速增長的領域之一。例如，太陽能電池可在智能手機和平板電腦上直接製造，而不是獨立製造然後在組裝，這一改變將會顯著降低製造成本。

他們也將適用於未來的電子器件，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摺疊，所以研究人員讓他們的樣品也可以承受彎曲和摺疊。如果有一天，所有的器件包括那些具有ITO電極的，都可以被反覆摺疊。那麼，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

研究人員正在致力於，在不犧牲透明度的前提下，提高基於石墨烯的有機太陽能電池的效率。（增加活動區域的數量將提高PCE，但是透明度將降低。）根據他們的計算，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為大面積器件，從而可以覆蓋整個窗戶和牆壁。這樣一來，他們可以有效地產生能量，同時也可以對於人眼幾乎不可見。

參考資料

【1】http://news.mit.edu/2017/mit-researchers-develop-graphene-based-transparent-flexible-solar-cells-0728

【2】http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201600847/full

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！