想象這樣一些場(chǎng)景:未來(lái),無(wú)論是窗戶和墻壁,還是手機(jī)和筆記本電腦,太陽(yáng)能電池?zé)o處不在。麻省理工學(xué)院(MIT)電子工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系教授孔靜(音譯),近日利用石墨烯研發(fā)的可彎曲透明太陽(yáng)能電池,就讓這一夢(mèng)想中的場(chǎng)景離現(xiàn)實(shí)更近了一步。這種太陽(yáng)能電池?zé)o需單獨(dú)安裝,可集成到手機(jī)和電腦屏幕內(nèi),有望大幅降低這些電子產(chǎn)品的制造成本。
石墨烯“臨危受命”
近10年來(lái),研究人員一直在研發(fā)各種透明的有機(jī)太陽(yáng)能電池,并取得重大進(jìn)展。這些電池與硅基太陽(yáng)能電池相比,具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì):制造工藝簡(jiǎn)單,成本便宜,輕便易彎曲,容易運(yùn)送到?jīng)]有電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)。但這些研究面臨著一個(gè)長(zhǎng)期難以解決的難題:找不到集導(dǎo)電性和光學(xué)透明性于一身的合適電極材料。
目前,最廣泛使用的材料是銦錫氧化物(ITO),這種材料導(dǎo)電性和透明性都符合要求,但太硬,彎曲時(shí)容易折斷碎裂,而且,銦是一種稀有金屬,用來(lái)生產(chǎn)太陽(yáng)能電池成本過(guò)高。
石墨烯層成為替代ITO的最佳選擇。這種用隨處可見(jiàn)的碳制成的材料,不僅導(dǎo)電性高、可彎曲和透明,而且做成的電極只有1個(gè)納米厚,更符合超薄有機(jī)太陽(yáng)能電池的需求。
新工藝克服瓶頸
但兩大瓶頸始終制約著石墨烯電極在太陽(yáng)能電池的普及。第一個(gè)瓶頸是石墨烯兩個(gè)電極難以沉積到太陽(yáng)能電池上。大多數(shù)太陽(yáng)能電池板都是玻璃或塑料,當(dāng)把其中一個(gè)石墨烯電極(底層電極)直接沉積時(shí),需要水溶液和加熱,導(dǎo)致另一個(gè)頂層電極沉積工藝特別復(fù)雜。孔靜表示:“兩層石墨烯電極之間的空穴運(yùn)輸層(HTL)易溶解,因此對(duì)水和熱特別敏感,如此一來(lái),其他研究團(tuán)隊(duì)往往將頂層電極用ITO代替,只在底層使用石墨烯電極?!?/p>
石墨烯電極的另一瓶頸是,頂層電極和底層電極必須承擔(dān)不同的工作性能,實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)非常不容易。
孔靜教授帶領(lǐng)其實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)研發(fā)出的特定工藝,卻能一次性解決這兩大瓶頸。他們使用銅箔、聚合物層、硅膠和一層乙烯—醋酸乙烯酯(EVA),不僅成功將兩層石墨烯電極沉積到太陽(yáng)能板上,而且能改變頂層石墨烯電極的工作性能,使其與底層石墨烯的性能完全不同,確保了電流順暢。
透明度迄今最高
為了檢測(cè)石墨烯電極是否實(shí)用,孔靜團(tuán)隊(duì)利用學(xué)校另一個(gè)實(shí)驗(yàn)室的太陽(yáng)能電池板,將石墨烯電極、ITO電極和鋁電極分別集成到玻璃板上,比較了三種電極的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率。測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn),石墨烯電極和ITO電極的轉(zhuǎn)換效率相當(dāng);鋁電極的轉(zhuǎn)換效率最高??嘴o解釋道,這是因?yàn)殇X電極能將部分太陽(yáng)光反射回電池板,可吸收更多的太陽(yáng)能,因此效率最高。
他們對(duì)用兩層石墨烯電極制成的太陽(yáng)能電池進(jìn)行透明度檢測(cè)發(fā)現(xiàn),其光學(xué)透明度達(dá)到61%,最高值有69%,在目前透明太陽(yáng)能電池中最高。
孔靜表示,他們的石墨烯太陽(yáng)能電池能鋪展到任何表面,不管這個(gè)表面的軟硬和透明程度如何。他們還用透明塑料、不透明紙和半透明膠帶分別做底板,將雙層石墨烯電極沉積其上制成太陽(yáng)能電池,發(fā)現(xiàn)三者轉(zhuǎn)換效率相當(dāng),略低于玻璃為底板的太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率。這意味著,石墨烯太陽(yáng)能電池未來(lái)用途非常廣泛,無(wú)論是墻壁和玻璃,還是手機(jī)和電腦,石墨烯電池都可以鋪展在上面,提供所需電能。
雖然目前石墨烯電池的轉(zhuǎn)換效率只有4%,但根據(jù)孔靜團(tuán)隊(duì)的理論計(jì)算,在不降低透明度的情況下,石墨烯太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率可提高到10%,提升空間很大,這也是他們下一步的研究重點(diǎn)。