研究人员开发了一种使用石墨烯制造太阳能电池的新技术，这些太阳能电池能安装在从玻璃到塑料再到纸张和胶带的各种表面上。
想象一下我们周围到处都是太阳能电池的未来——窗户和墙壁、手机、笔记本电脑等等。麻省理工学院开发的一种新型柔性透明太阳能电池使这一未来更近了一步。
该设备将低成本有机（含碳）材料与石墨烯电极结合在一起，石墨烯是一种柔性、透明的材料，由廉价且丰富的碳源制成。太阳能技术的这一进步是通过一种新方法实现的，该方法将一个原子厚的石墨烯层沉积到太阳能电池上，而不会损坏附近的敏感有机材料。到目前为止，透明太阳能电池的研发人员通常依赖昂贵、易碎的电极，当设备弯曲时，这些电极往往会破裂。使用石墨烯替代的能力使真正灵活、低成本、透明的太阳能电池成为可能，这些太阳能电池几乎能将任何表面变成电源。
由有机化合物制成的光伏太阳能电池与当今的无机硅太阳能电池相比具有多种优势。它们会更便宜且更容易制造。它们重量轻且灵活，而不是笨重、僵硬和易碎，因此更易于运输，包括运输到没有中央电网的偏远地区。它们能是透明的。许多有机材料吸收太阳光的紫外线和红外线成分，但透过我们眼睛可以检测到的可见光部分。因此，有机太阳能电池能安装在我们周围的表面上，并在我们不注意的情况下收集能量。
在过去十年中，研究人员在开发透明有机太阳能电池方面取得了重大进展。但是他们遇到了一个顽固的绊脚石：为将电流从电池中带出的电极寻找合适的材料。
“在自然界中特别难找到既导电又透光的材料，” 电机工程与计算机科学系 (EECS) 的孔敬教授说。
当前使用最广泛的选项是氧化铟锡 (ITO)。ITO 具有导电性和透明性，但它又硬又脆，因此当有机太阳能电池弯曲时，ITO 电极往往会破裂并脱落。此外，铟价格昂贵且相对稀有。
ITO 的一个有前途的替代品是石墨烯，它是一种碳，存在于一个原子厚的薄片中，具有显着的特性。它具有高导电性、柔韧性、坚固性和透明性；它由廉价且无处不在的碳制成。此外，石墨烯电极的厚度可能只有 1 纳米——是 ITO 电极厚度的一小部分，更适合薄型有机太阳能电池本身。
两个核心问题减缓了石墨烯电极的大规模采用。第一个问题是将石墨烯电极沉积到太阳能电池上。大多数太阳能电池都建在玻璃或塑料等基板上。底部石墨烯电极直接沉积在该基板上——这项任务能够最终靠涉及水、溶剂和热量的过程来实现。然后添加其他层，以顶部石墨烯电极结束。但是将顶部电极放在所谓的空穴传输层 (HTL) 的表面上是很棘手的。
“HTL 溶解在水中，它下面的有机材料对几乎任何东西都很敏感，包括水、溶剂和热量，”EECS 研究生 Yi Song 说，他是 2016-2017 Eni-MIT 能源研究员和Kong 的纳米材料和电子集团。因此，研究人员通常坚持在顶部使用 ITO 电极。
使用石墨烯的第二个问题是两个电极需要发挥不同的作用。给定材料释放电子的难易程度是一种称为其功函数的固定属性。但在太阳能电池中，只要其中一个电极就能让电子轻松流出。因此，如果两个电极都由石墨烯制成，则需要改变其中一个的功函数，这样电子才能知道该往哪个方向走——而改变任何材料的功函数都不是直截了当的。
在过去的三年里，孔和宋一直在努力解决这样一些问题。他们第一步开发并优化了在基板上放置底部电极的工艺。
在那个过程中，他们在铜箔上生长了一片石墨烯。然后他们使用 Kong 和她的同事在 2008 年展示的技术将其转移到基板上。他们在石墨烯片的顶部沉积一层聚合物以支撑它，然后使用酸性溶液蚀刻背面的铜箔，结束他们将石墨烯-聚合物堆叠转移到水中进行漂洗。然后，他们简单地将漂浮的石墨烯-聚合物堆与基板一起捞起，并使用加热或丙酮冲洗去除聚合物层。结果：石墨烯电极放置在基板上。
但是将顶部电极从水中挖出是不可行的。因此，他们通过将半毫米厚的硅橡胶框架压在上面，将漂浮的石墨烯-聚合物堆叠变成一种邮票。他们用镊子夹住框架，取出叠层，将其擦干，然后将其放在 HTL 顶部。然后，只需稍微加热，他们就可以剥离硅橡胶印章和聚合物支撑层，留下沉积在 HTL 上的石墨烯。
最初，Song 和 Kong 用这种工艺制造的电极性能不佳。测试表明，石墨烯层没有紧密地粘附在 HTL 上，因此电流无法有效流出。这样的一个问题的明显解决方案是行不通的。将结构加热到足以使石墨烯粘附会损坏敏感的有机物。在将石墨烯放在 HTL 上之前，在其底部涂上某种胶水会将两层粘在一起，但最终会成为它们之间的附加层，由此减少而不是增加界面接触。
Song 决定在邮票上添加胶水可能是可行的方法——但不是作为石墨烯下的一层。
“我们想，如果我们将这种非常柔软、粘稠的聚合物喷涂在石墨烯上会发生啥？” 他说。“它不会与空穴传输层非间接接触，但由于石墨烯非常薄，它的粘合性能可能会通过石墨烯保持完好无损。”
为了验证这个想法，研究人员在他们的印章中加入了一层乙烯-醋酸乙烯酯 (EVA)，就在石墨烯的顶部。EVA 层非常柔韧且薄——有点像保鲜膜——很容易撕裂。但他们发现接下来的聚合物层将它们结合在一起，并且这种排列正如 Song 希望的那样起作用：EVA 薄膜紧紧地粘附在 HTL 上，符合表面上的任何微观粗糙特征并迫使下面的石墨烯精细层它做同样的事情。
该过程不仅提高了性能，还带来了意想不到的附带好处。研究人员认为他们的下一个任务是找到一种方法来改变顶部石墨烯电极的功函数，使其与底部电极的功函数不同，从而确保电子流动顺畅。但那一步不是必须的。他们在 HTL 上放置石墨烯的技术实际上改变了电极的功函数，使其全部符合他们的需要。
“我们很幸运，”宋说。“由于个人会使用的制造工艺，我们的顶部和底部电极恰好具有正确的功函数。”
为了明白他们的石墨烯电极在实践中的表现如何，研究人需要将它们整合到功能性有机太阳能电池中。为完成这项任务，他们求助于他们的同事Vladimir Bulović的太阳能电池制造和测试设施，他是 Fariborz Maseeh（1990 年）新兴技术教授和工程学院创新副院长。
为了作比较，他们在刚性玻璃基板上构建了一系列太阳能电池，电极由石墨烯、ITO 和铝（标准电极材料）制成。新型柔性石墨烯/石墨烯器件和标准刚性 ITO/石墨烯器件的电流密度（或 CD，每单位面积的电流量）和功率转换效率（或 PCE，输入太阳能转化为电能的比例）具有可比性。它们低于具有一个铝电极的设备，但这是他们预期的发现。
“底部的铝电极会将一些入射光反射回太阳能电池，因此与透明设备相比，该设备总体上能吸收更多的太阳能，”Kong 说。
他们所有的石墨烯/石墨烯器件——在刚性玻璃基板和柔性基板上——的 PCE 在 2.8% 到 4.1% 之间。研究人员表示，虽然这些值远低于现有商用太阳能电池板的 PCE，但与之前涉及全石墨烯电极的半透明设备的工作相比，它们是 PCE 的显着改进。
对他们的石墨烯/石墨烯器件透明度的测量产生了进一步令人鼓舞的结果。人眼可以检测波长在大约 400 纳米到 700 纳米之间的光。全石墨烯器件在整个可见光范围内的透光率为 61%，在 550 纳米处高达 69%。“那些[透光率]值是文献中具有可比功率转换效率的透明太阳能电池的最高值，”Kong 说。
研究人员指出，他们的有机太阳能电池可以沉积在任何类型的表面上，无论是刚性的还是柔性的，透明的还是不透明的。“例如，如果你想把它放在你的汽车表面，它看起来不会很糟糕，”Kong 说。“你将能够看透原来那里的东西。”
为了证明这种多功能性，他们将石墨烯-石墨烯器件沉积在柔性基板上，包括塑料、不透明纸和半透明 Kapton 胶带。测量根据结果得出，三种柔性基板上的设备性能大致相同——仅略低于玻璃上的性能，这原因是表面更粗糙，因此接触不良的可能性更大。
将太阳能电池沉积在任何表面上的能力使其有望用于消费电子科技类产品——该领域在全世界内发展迅速。例如，太阳能电池可以直接在手机和笔记本电脑上制造，而不是单独制造然后安装，这一变化将大大降造成本。
它们也很适合未来的设备，例如剥离和粘贴太阳能电池和纸质电子科技类产品。由于这些设备不可避免地会弯曲和折叠，因此研究人员对他们的样品进行了相同的处理。虽然他们所有的设备——包括带有 ITO 电极的设备——都能反复折叠，但带有石墨烯电极的设备能在输出开始下降之前弯曲得更紧。
研究人员现在正致力于在不牺牲透明度的情况下提高基于石墨烯的有机太阳能电池的效率。（增加活动区域的数量会推高 PCE，但透明度会下降。）根据他们的计算，在当前透明度水平下可实现的最大理论 PCE 为 10%。
“我们最好的 PCE 大约是 4%，所以我们还有一段路要走，”Song 说。
他们现在还在考虑怎么最好地将他们的太阳能电池扩大到覆盖整个窗户和墙壁所需的大面积设备，在那里它们能有效地发电，同时保持对人眼几乎不可见。
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