新型有机太阳能电池：装有石墨烯电极，柔性且透明

太阳能是一种清洁、可再生、无污染、易于获取的能源，在未来能源发展中发挥着关键性用途。或许，我们会有一个美好的愿望：未来在我们周围，太阳能电池将变得无处不在，例如窗户和墙壁、汽车、智能手机、平板电脑等等，这样有利于更加有效且便捷地利用太阳能。

关于实现这个愿望而言，有机太阳能电池是一个很好的选择。由有机成分构成的光伏太阳能电池，相关于现有的无机硅太阳能电池，具有各种优势。它们更加廉价，更加易于制造。它们是轻量且柔软的，而不是笨重、刚性且易碎的，所以更加便于运输，例如运输到没有中心电网的偏远地区。此外，他们还可以是透明的。许多有机材料都可以吸收太阳光中的紫外线和红外线部分，但是可以传播我们肉眼能检测到的可见光部分。综上所述，有机太阳能电池可以安装在我们周围物体的表面吸收能量，并且并不是容易被人眼看到。

过去数十年来，科学人员在开发透明的有机太阳能电池方面，已经取得了显著进展。但是，他们也遇到了一个顽固的绊脚石：为这些电池寻找合适的电极材料。对此，美国麻省理工学院电气工程与计算机科学（EECS）专业的教授JingKong认为：

在自然界中，我们很难找到一种材料，它既有导电性，也具有光学透明性。

到目前为止，透明太阳能电池的开发通常都依赖于昂贵、脆弱的电极。最广泛使用的材料是氧化铟锡（ITO）。ITO即具有导电性，又是透明的，但它又硬又脆，所以当电池遭受弯曲时，ITO电极容易破裂。另外，铟也是一种昂贵和罕见的材料。

石墨烯是ITO很好的替代品：它由碳原子构成，只有一个原子的厚度，具有一些列卓越的特性，例如高度导电、柔性、耐用和透明。同时，构成它的碳元素也是廉价且普遍存在的。此外，石墨烯电极可达到1纳米的厚度，不足ITO电极厚度的几分之一，更适用于本身很薄的有机太阳能电池。

然而，两个关键性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表面。大多数的太阳能电池在玻璃或者塑料基板上制造。底部的石墨烯电极被直接沉积到基板上，这项任务可以通过包含水、溶剂和热量的工艺完成。然后，再添加其他层，最后是底部的石墨烯电极。但是，将顶部的石墨烯电极放置到空穴传输层(HTL)表面上，是一项很棘手的任务。

结果，研究研究人员只能在顶部使用ITO电极。2016-2017Eni-MIT研究员、Kong的纳米材料和电子研究小组成员之一、EECS的研究生YiSong说道：

HTL溶解于水，而且位于它下方的有机材料，几乎关于任何事物都会敏感，包括水、溶剂和热量。

第二个问题是，两个石墨烯电极要扮演不同的角色。让电子克服原子核的束缚，从特定的材料表面逸出所需的最小能量，称为逸出功。但是在太阳能电池中，应该只有一个电极让电子容易逸出。然而两个电极都由石墨烯制成，因此要改变其中之一的逸出功，这样电子才可以了解走那一条路。然而改变任何材料的逸出功并不是一件简单的事。

创新

美国麻省理工学院开发出一种柔性、透明的有机太阳能电池，让我们离期望中的未来又更近了一步。他们使用石墨烯取代传统电极，制成这种柔性、低成本、透明的太阳能电池，几乎能将任何物体的表面都可以变成电源。

这种太阳能电池器件将低成本有机材料（含碳）与柔性、透明的石墨烯电极相机结合。他们为将单层碳原子厚度的石墨烯沉积到太阳能电池上，供应了一种新方法，且这种方法也不会损坏其附近敏感的有机材料，从而有效地解决了上述石墨烯电极所存在的两个问题。

过去三年以来，Kong和Song一直致力于解决石墨烯电极所存在的问题。他们首先开发并优化了在基板上放置底部电极的工艺。

在那个工艺中，他们在铜箔上生长一片石墨烯。然后，他们使用了Kong和同事们在2008年演示过的技术，将它转移到基板上。他们在石墨烯片的顶部沉积了一层聚合物用于支撑它，然后使用酸性溶液，将背面的铜箔腐蚀掉，最后形成石墨烯-聚合物堆叠物，然后转移到水中进行清洗。然后，他们将浮动的、带有基板的石墨烯-聚合物堆叠物舀上来，通过加热或者丙酮清洗，去除聚合物层。结果形成了位于基板上的石墨烯电极。

但是，将顶部的电极从水中舀出来是行不通的。所以，他们通过将半毫米厚的硅橡胶框，压到浮动的石墨烯-聚合物堆叠物上面，将它转化为一种邮票，再用镊子夹住硅橡胶框，将堆叠物从水中取出，弄干它，然后将它放到HTL的顶部。然后，他们通过稍微加热，剥去硅橡胶邮票和聚合物支撑层，让石墨烯沉积到HTL上。

起初，Song和Kong使用这项工艺制造出的电极的性能并不好。测试显示，石墨烯层无法和HTL紧紧贴合在一起，所以电流无法有效地流出。很多解决方法都无法克服这一问题。例如，有一种方法是充分加热这一结构，让石墨烯贴合的更好，但是它会损害有机物的灵敏度；另外一种方法是将石墨烯放置到HTL上面之前，在其底部放置某种胶，将两层粘在一起，但是这样会在它们之间又新增出另外一层，没有新增反而降低了它们之间的面间接触。

Song决定在邮票上添加胶，而不是变成石墨烯的下面一层，这或许会成为一种解决方法。他说：

我们在想，假如我们在石墨烯的顶部喷上这种非常柔软、具有粘性的聚合物，会发生什么？它不会直接和传输层接触，但是因为石墨烯这么薄，或许它的粘合性能通过石墨烯后，还可以保持完好无损。

为了测试这个想法，研究人员将一层乙烯-醋酸乙烯酯（EVA），结合到石墨烯之上的邮票中。EVA层非常薄而且柔软，有点像食品包装，并且很容易撕开。但是，他们发现聚合物层后来和邮票混一起，这种结构正如Song希望的那样：EVA薄膜和HTL紧紧地结合在一起，遵循物体表面上任何微观的粗糙特点，迫使位于它下方的良好的石墨烯层也同样如此。

这个工艺不仅提高了性能，而且带来意料不到的附带好处。研究人员原先认为，他们的下一个任务将是寻找一条能够改变顶部石墨烯电极逸出功的途径，这样它将和底部电极区分开来，保证流畅的电子流。但是，那一步并不是必要的。这项技术能够将石墨烯放置到HTL上，实际上已将电极的逸出功改变成他们所想要的。Song说：

我们很幸运。由于我们使用的这些制造工艺，我们的顶部和底部的电极正好具有正确的逸出功。

测试

为了检测石墨烯电极实际的性能如何，研究人员要将它们集成到有机太阳能电池中。为了完成这项任务，他们要太阳能电池和测试设备，所以他们寻求了他们的同事、新兴技术教授、工程学院创新副院长VladimirBulović的帮助。

作为比较，他们构造了一些列由石墨烯、ITO和铝（一种标准的电极材料）制成的具有刚性玻璃基板的太阳能电池。新型柔性的石墨烯/石墨烯器件和传统刚性的ITO/石墨烯器件的电流密度（缩写：CD，单位面积流动的电流）和能量转化效率（缩写：PCE，将太阳能转化为电能的比例）是可以比较的。这些值那些铝电极的器件要低，但是这是他们希望得到的结果。Kong说：

位于底部的铝电极会将一些入射光线反射回太阳能电池中，所以整个器件会比透明器件吸收更多的太阳能。

他们的石墨烯/石墨烯器件的PCEs（位于刚性玻璃基板和柔性基板上）的范围是从2.8%到4.1%。虽然这些值低于现有的商用太阳能电池板，但是相关于先前的全石墨烯电极的半透明器件，PCEs还是得到了显著提升。

他们的石墨烯/石墨烯器件透明度的测量结果，更令人鼓舞。人眼可以检测光线波长在400纳米和700纳米之间。全石墨烯器件显示，跨越整个可见光区域的光学透光率是61%，而550纳米时，可达69%。Kong说：

相关于文献中提及的能量转化效率相近的所有透明太阳能电池，这些值【透光率】是最高的。

价值

研究人员称，他们的有机太阳能电池能够放置于任何物体表面之上，刚性或者柔性的、透明或者不透明的。Kong说：

例如，假如你想要将它放到汽车上，这样也不会不好看。你将能够透过它看到原来在那里的东西。

为了演示这种多功能性，他们将石墨烯-石墨烯器件放置到柔性基板，包括塑料、不透明的纸张和半透明的聚酰亚胺胶带上。测量结果显示，三种柔性基板的器件性能差不多，而且只比玻璃基板的低一点点，很可能是因为表面更粗糙了一些，所以会存在接触不良的可能性。

将太阳能电池放置在任何物体的表面能力，让它更加适合消费电子产品。消费电子是全球范围内迅速上升的领域之一。例如，太阳能电池可在智能手机和平板电脑上直接制造，而不是独立制造然后在组装，这一改变将会显著降低制造成本。

他们也将适用于未来的电子器件，例如即剥即贴的太阳能电池和电子纸。因为这些器件免不了被弯曲和折叠，所以研究人员让他们的样品也可以承受弯曲和折叠。假如有一天，所有的器件包括那些具有ITO电极的，都可以被反复折叠。那么，这些石墨烯电极在其输出开始减退前，可弯曲的程度更深。

未来

研究人员正在致力于，在不牺牲透明度的前提下，提高基于石墨烯的有机太阳能电池的效率。（新增活动区域的数量将提高PCE，但是透明度将降低。）根据他们的计算，他们目前可达到的最大的理论PCE值是10%。Song说：

我们最佳的PCE是4%左右，所以我们还有一些路要走。

他们也正在考虑如何最大程度地将他们的太阳能电池变为大面积器件，从而可以覆盖整个窗户和墙壁。这样一来，他们可以有效地出现能量，同时也可以关于人眼几乎不可见。