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石墨烯:助太阳能电池“遍地开花”

2017-08-11 09:12 来源:科技日报

  石墨烯结构图

  MIT科学家近日研制出的柔性石墨烯太阳能电池

  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。

(责任编辑:王蔚)

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