透明石墨烯电极可以改进太阳能电池

一种制造大片高质量、原子级薄的石墨烯的新方法可能会导致超轻、柔性太阳能电池，以及新型发光设备和其他薄膜电子产品。

由麻省理工学院开发的制造工艺应该相对容易扩大规模用于工业生产。它涉及到中间“缓冲”层的材料，这是技术成功的关键。缓冲层可以使厚度小于1纳米(十亿分之一米)的超薄石墨烯薄片轻松地从基片上剥离，从而实现快速卷对卷制造。

近年来，寻找一种方法来制造薄的、大面积的、透明的、在室外稳定的电极一直是薄膜电子学的主要追求，用于光电子设备的各种应用，这些设备要么发光，比如电脑和智能手机屏幕，要么收集光，比如太阳能电池。目前这种应用的标准是氧化铟锡(ITO)，这是一种基于稀有而昂贵的化学元素的材料。

许多研究小组一直致力于寻找ITO的替代品，重点是有机和无机候选材料。石墨烯是纯碳的一种形式，其原子呈扁平六角形排列，具有极好的电学和机械性能，但它薄得令人难以相信，物理上很灵活，而且材料丰富、价格低廉。此外，它可以通过化学气相沉积(CVD)以铜作为种子层，很容易地以大薄片的形式生长，正如孔的团队所证明的那样。然而，对于设备应用来说，最棘手的部分是找到方法将cvd生长的石墨烯从其原生铜衬底中释放出来。

这种释放被称为石墨烯转移过程，往往会在薄片中产生撕裂、褶皱和缺陷，从而破坏薄膜的连续性，从而大大降低其导电性。但根据麻省理工学院博士后乔瓦尼·阿泽利诺的说法，有了这项新技术，“现在我们能够可靠地制造大面积石墨烯片，将它们转移到我们想要的任何基底上，而且我们转移它们的方式不会影响原始石墨烯的电气和机械性能。”

关键在于缓冲层，它由一种叫做聚二甲苯的高分子材料制成，在原子水平上与石墨烯薄片一致。与石墨烯一样，聚二甲苯是通过CVD生产的，这简化了制造过程和可扩展性。

作为这项技术的演示，该团队制作了概念验证太阳能电池，采用了薄膜聚合物太阳能电池材料，以及新形成的石墨烯层，用于电池的两个电极之一，以及也用作设备基底的聚苯乙烯层。他们测量出石墨烯薄膜在可见光下的光学透过率接近90%。

与基于ito的最先进的设备相比，基于石墨烯的原型太阳能电池每重量的交付功率提高了大约36倍。它还使用了1/200的材料量，每单位面积的透明电极。

与伊藤相比，石墨烯还有一个更根本的优势:“石墨烯几乎是免费的，”阿泽利诺说。“基于石墨烯的超轻设备可以为新一代应用铺平道路。所以如果你想到便携式设备，单位重量的功率成为一个非常重要的优点。如果我们能在你的平板电脑上安装一个透明的太阳能电池，让平板电脑自己充电呢?”他说，虽然还需要进一步的发展，但这种新方法最终应该是可行的。

缓冲材料，聚二甲苯，用于微电子工业，通常封装和保护电子设备。因此，使用这种材料的供应链和设备已经广泛存在，阿泽利诺说。在现有的三种类型的聚二甲苯中，该团队的测试表明，其中一种含有更多氯原子，是目前为止最有效的应用。

富含氯的聚二甲苯与底层石墨烯的原子接近，当层被夹在一起时，提供了另一个优势，通过为石墨烯提供一种“掺杂”，最终为大面积石墨烯的导电性改善提供了一种更可靠和无损的方法，这与迄今为止已经测试和报道的许多其他方法不同。

“石墨烯和聚二甲苯薄膜总是面对面的，”阿泽利诺说。“所以基本上，兴奋剂作用一直存在，因此优势是永久性的。”

麻省理工学院

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-副主编克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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