钜大LARGE | 点击量：1407次 | 2019年05月15日
麻省理工学院(MIT)开发的一种新型灵活透明的太阳能电池
研究人员开发了一种利用石墨烯制造太阳能电池的新技术，这种电池可以安装在玻璃、塑料、纸张和胶带等表面。
想象一下，未来太阳能电池就在我们身边——在窗户和墙壁上，手机上，笔记本电脑上，等等。
麻省理工学院(MIT)开发的一种新型灵活透明的太阳能电池，使这一未来又向前迈进了一步。
该装置将低成本的有机(含碳)材料与石墨烯电极相结合，石墨烯是一种灵活透明的材料，由廉价而丰富的碳源制成。
这一太阳能技术的进步得益于一种新方法，即在太阳能电池上沉积一层单原子厚度的石墨烯，而不会损害附近的敏感有机材料。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
到目前为止，透明太阳能电池的开发人员通常依赖价格昂贵、易碎的电极，当设备弯曲时，电极往往会断裂。
石墨烯的应用使真正柔软、低成本、透明的太阳能电池成为可能，这种电池几乎可以将任何表面转化为电能。
由有机化合物制成的光伏太阳能电池将比今天的无机硅太阳能电池提供多种优势。更便宜，更容易制造，是轻便和柔软的，而不是沉重、僵硬和脆弱的，因此将更容易运输，包括到没有中央电网的偏远地区，而且可以是透明的。
许多有机材料吸收阳光的紫外和红外成分，但传送我们眼睛能探测到的可见光部分。因此，有机太阳能电池可以安装在我们周围的表面，在我们不注意的情况下收集能量。
在自然界中，既导电又光学透明的材料非常罕见。
目前应用最广泛的是氧化铟锡(ITO)。
ITO具有导电性和透明性，但同时也具有刚性和脆性，因此当有机太阳能电池弯曲时，ITO电极容易发生断裂和脱落。此外，铟价格昂贵，相对稀有。
石墨烯是一种很有前途的ITO替代品，它是一种单原子厚度的碳，具有显著的特性。
导电性强、柔软、坚固、透明;
它是由廉价且无处不在的碳制成的。
此外，石墨烯电极的厚度可达1纳米——仅为ITO电极厚度的几分之一，与薄的有机太阳能电池本身的匹配度要高得多。
石墨烯的挑战
两个关键问题阻碍了石墨烯电极的大规模应用。
第一个问题是将石墨烯电极沉积到太阳能电池上。
大多数太阳能电池是在玻璃或塑料等基质上制造的。底部的石墨烯电极直接沉积在基体上——这一任务可以通过水、溶剂和热的处理来完成。其他层随后被添加，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)的表面是很棘手的。HTL溶于水，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。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，两个电极需要扮演不同的角色。
给定材料释放电子的难易程度是其功函数的一个固定性质。但是在太阳能电池中，只要一个电极就可以让电子很容易地流出。因此，如果两个电极都由石墨烯制成，就需要改变其中一个电极的功函数，这样电子就会知道该往哪个方向走——而改变任何材料的功函数都不是一件容易的事。
石墨烯转移平稳
在铜箔上生长一片石墨烯，然后用一种技术将其转移到基底上。在石墨烯薄片上沉积一层聚合物来支撑它，然后用酸性溶液蚀刻背面的铜箔，最后形成一个石墨烯-聚合物堆，并将其转移到水中进行冲洗。然后，只需将漂浮的石墨烯-聚合物层与基底一起舀起，然后用加热或丙酮冲洗除去聚合物层。结果是:石墨烯电极附着在基底上。
但是从水中舀出顶部电极是不可行的。因此，将漂浮的石墨烯聚合物堆压上半毫米厚的硅橡胶框架，制成一种印章。用镊子夹住框架，把它拿出来，擦干，放在HTL的顶部。
然后，在最低温度下，它们可以剥离硅橡胶图章和聚合物支撑层，将石墨烯沉积在HTL上。
起初，宋和孔用这种方法制作的电极表现不佳。测试表明，石墨烯层没有与HTL紧密结合，因此电流无法有效流出。这个问题显而易见的解决办法行不通。加热到足以使石墨烯粘附的程度，会破坏敏感的有机物。在HTL上放置之前，在石墨烯的底部涂上某种胶水，会将两层粘合在一起，但最终会在两层之间形成一层附加层，减少而不是增加界面接触。
如果把这种非常柔软、粘稠的聚合物喷在石墨烯上。
研究人员在石墨烯上的表面上添加了一层乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)。EVA层非常柔韧，很薄，有点像食品保鲜膜，很容易撕开。这个过程不仅提高了性能，还带来了意想不到的副作用。研究人员认为，他们的下一个任务将是找到一种方法来改变顶部石墨烯电极的工作功能，使其与底部石墨烯电极的工作功能有所不同，从而确保电子顺畅流动。
在HTL上放置石墨烯的技术实际上改变了电极的工作功能，使之达到他们所需要的程度。由于制造电极的过程，上电极和下电极恰好有正确的工作功能。
测试电极
为了观察石墨烯电极在实际应用中的表现，研究人员需要将其植入功能正常的有机太阳能电池中。作为对比，研究人员在刚性玻璃基板上用石墨烯、ITO和铝(一种标准电极材料)制成电极，制造了一系列太阳能电池。
新型柔性石墨烯/石墨烯器件与标准刚性ITO/石墨烯器件的电流密度(或CDs，即单位面积内流过的电流)和功率转换效率(或PCEs，即进入的太阳能转换成电能的比例)相当。比那些只有一个铝电极的设备要低，底部的铝电极会将部分入射光反射回太阳能电池，因此该设备总体上比透明设备能吸收更多的太阳能。
所有石墨烯/石墨烯器件的PCEs值——在刚性玻璃基片和柔性基片上——范围在2.8%到4.1%之间。
研究人员表示，虽然这些数值远低于现有商用太阳能电池板的PCEs值，但与之前使用全石墨烯电极的半透明器件所取得的PCEs值相比，这是一个显著的进步。对其石墨烯/石墨烯器件透明度的测量取得了进一步令人鼓舞的结果。人类的眼睛可以探测到波长在400到700纳米之间的光。全石墨烯器件在整个可见区域的透光率为61%，在550纳米处的透光率高达69%。这些值(透射率)是文献中具有同等能量转换效率的透明太阳能电池中最高的值之一。
柔性基材，弯曲性能
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，刚性或柔性，透明或不透明。例如，如果你想把它放在你的汽车表面，它看起来不会模糊。为了证明这种通用性，他们将石墨烯-石墨烯器件沉积在包括塑料、不透明纸和半透明卡普顿胶带在内的柔性基片上。测量结果显示，该设备在三种柔性基片上的性能大致相当，仅略低于玻璃基片，这可能是因为表面更粗糙，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的能力，使其有望用于消费电子产品——这一领域正在全球迅速发展。
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，这一改变将大大降低制造成本。它们也将非常适合未来的设备，如削皮贴片太阳能电池和纸质电子产品。由于这些设备不可避免地会被弯曲和折叠，研究人员对他们的样本进行了同样的处理。
尽管他们的所有设备——包括那些带有ITO电极的设备——都可以反复折叠，但那些带有石墨烯电极的设备在其产量开始下降之前，可以弯曲得更紧。
未来的目标
研究人员现在还在考虑如何最好地将太阳能电池扩展到覆盖整个窗户和墙壁所需的大面积设备上，在这些设备上，太阳能电池可以高效地发电，而人眼实际上是看不见的。
现在正致力于在不牺牲透明度的情况下提高石墨烯基有机太阳能电池的效率。增加活动面积会推高PCE，但透明度会下降。根据他们的计算，在目前的透明度水平下，理论上的最大PCE是10%。目前最好的PCE大约是4%，所以还有一段路要走。
