研究人員開發了一種利用石墨烯制造太陽能電池的新技術，這種電池可以安裝在玻璃、塑料、紙張和膠帶等表面。

想象一下，未來太陽能電池就在我們身邊——在窗戶和墻壁上，手機上，筆記本電腦上，等等。

麻省理工學院(MIT)開發的一種新型靈活透明的太陽能電池，使這一未來又向前邁進了一步。

該裝置將低成本的有機(含碳)材料與石墨烯電極相結合，石墨烯是一種靈活透明的材料，由廉價而豐富的碳源制成。

這一太陽能技術的進步得益于一種新方法，即在太陽能電池上沉積一層單原子厚度的石墨烯，而不會損害附近的敏感有機材料。

到目前為止，透明太陽能電池的開發人員通常依賴價格昂貴、易碎的電極，當設備彎曲時，電極往往會斷裂。

石墨烯的應用使真正柔軟、低成本、透明的太陽能電池成為可能，這種電池幾乎可以將任何表面轉化為電能。

由有機化合物制成的光伏太陽能電池將比今天的無機硅太陽能電池提供多種優勢。更便宜，更容易制造，是輕便和柔軟的，而不是沉重、僵硬和脆弱的，因此將更容易運輸，包括到沒有中央電網的偏遠地區，而且可以是透明的。

許多有機材料吸收陽光的紫外和紅外成分，但傳送我們眼睛能探測到的可見光部分。因此，有機太陽能電池可以安裝在我們周圍的表面，在我們不注意的情況下收集能量。

在自然界中，既導電又光學透明的材料非常罕見。

目前應用最廣泛的是氧化銦錫(ITO)。

ITO具有導電性和透明性，但同時也具有剛性和脆性，因此當有機太陽能電池彎曲時，ITO電極容易發生斷裂和脫落。此外，銦價格昂貴，相對稀有。

石墨烯是一種很有前途的ITO替代品，它是一種單原子厚度的碳，具有顯著的特性。

導電性強、柔軟、堅固、透明;

它是由廉價且無處不在的碳制成的。

此外，石墨烯電極的厚度可達1納米——僅為ITO電極厚度的幾分之一，與薄的有機太陽能電池本身的匹配度要高得多。

石墨烯的挑戰

兩個關鍵問題阻礙了石墨烯電極的大規模應用。

第一個問題是將石墨烯電極沉積到太陽能電池上。

大多數太陽能電池是在玻璃或塑料等基質上制造的。底部的石墨烯電極直接沉積在基體上——這一任務可以通過水、溶劑和熱的處理來完成。其他層隨后被添加，以頂部石墨烯電極結束。但是將頂部電極放在所謂的空穴傳輸層(HTL)的表面是很棘手的。HTL溶于水，它下面的有機材料對幾乎任何東西都很敏感，包括水、溶劑和熱。因此，研究人員通常堅持在頂部使用ITO電極。

使用石墨烯的第二個問題是，兩個電極需要扮演不同的角色。

給定材料釋放電子的難易程度是其功函數的一個固定性質。但是在太陽能電池中，只要一個電極就可以讓電子很容易地流出。因此，如果兩個電極都由石墨烯制成，就需要改變其中一個電極的功函數，這樣電子就會知道該往哪個方向走——而改變任何材料的功函數都不是一件容易的事。

石墨烯轉移平穩

在銅箔上生長一片石墨烯，然后用一種技術將其轉移到基底上。在石墨烯薄片上沉積一層聚合物來支撐它，然后用酸性溶液蝕刻背面的銅箔，最后形成一個石墨烯-聚合物堆，并將其轉移到水中進行沖洗。然后，只需將漂浮的石墨烯-聚合物層與基底一起舀起，然后用加熱或丙酮沖洗除去聚合物層。結果是:石墨烯電極附著在基底上。

但是從水中舀出頂部電極是不可行的。因此，將漂浮的石墨烯聚合物堆壓上半毫米厚的硅橡膠框架，制成一種印章。用鑷子夾住框架，把它拿出來，擦干，放在HTL的頂部。

然后，在最低溫度下，它們可以剝離硅橡膠圖章和聚合物支撐層，將石墨烯沉積在HTL上。

起初，宋和孔用這種方法制作的電極表現不佳。測試表明，石墨烯層沒有與HTL緊密結合，因此電流無法有效流出。這個問題顯而易見的解決辦法行不通。加熱到足以使石墨烯粘附的程度，會破壞敏感的有機物。在HTL上放置之前，在石墨烯的底部涂上某種膠水，會將兩層粘合在一起，但最終會在兩層之間形成一層附加層，減少而不是增加界面接觸。

如果把這種非常柔軟、粘稠的聚合物噴在石墨烯上。

研究人員在石墨烯上的表面上添加了一層乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)。EVA層非常柔韌，很薄，有點像食品保鮮膜，很容易撕開。這個過程不僅提高了性能，還帶來了意想不到的副作用。研究人員認為，他們的下一個任務將是找到一種方法來改變頂部石墨烯電極的工作功能，使其與底部石墨烯電極的工作功能有所不同，從而確保電子順暢流動。

在HTL上放置石墨烯的技術實際上改變了電極的工作功能，使之達到他們所需要的程度。由于制造電極的過程，上電極和下電極恰好有正確的工作功能。

測試電極

為了觀察石墨烯電極在實際應用中的表現，研究人員需要將其植入功能正常的有機太陽能電池中。作為對比，研究人員在剛性玻璃基板上用石墨烯、ITO和鋁(一種標準電極材料)制成電極，制造了一系列太陽能電池。

新型柔性石墨烯/石墨烯器件與標準剛性ITO/石墨烯器件的電流密度(或CDs，即單位面積內流過的電流)和功率轉換效率(或PCEs，即進入的太陽能轉換成電能的比例)相當。比那些只有一個鋁電極的設備要低，底部的鋁電極會將部分入射光反射回太陽能電池，因此該設備總體上比透明設備能吸收更多的太陽能。

所有石墨烯/石墨烯器件的PCEs值——在剛性玻璃基片和柔性基片上——范圍在2.8%到4.1%之間。

研究人員表示，雖然這些數值遠低于現有商用太陽能電池板的PCEs值，但與之前使用全石墨烯電極的半透明器件所取得的PCEs值相比，這是一個顯著的進步。對其石墨烯/石墨烯器件透明度的測量取得了進一步令人鼓舞的結果。人類的眼睛可以探測到波長在400到700納米之間的光。全石墨烯器件在整個可見區域的透光率為61%，在550納米處的透光率高達69%。這些值(透射率)是文獻中具有同等能量轉換效率的透明太陽能電池中最高的值之一。

柔性基材，彎曲性能

研究人員指出，他們的有機太陽能電池可以沉積在任何類型的表面，剛性或柔性，透明或不透明。例如，如果你想把它放在你的汽車表面，它看起來不會模糊。為了證明這種通用性，他們將石墨烯-石墨烯器件沉積在包括塑料、不透明紙和半透明卡普頓膠帶在內的柔性基片上。測量結果顯示，該設備在三種柔性基片上的性能大致相當，僅略低于玻璃基片，這可能是因為表面更粗糙，因此接觸不良的可能性更大。將太陽能電池沉積在任何表面的能力，使其有望用于消費電子產品——這一領域正在全球迅速發展。

例如，太陽能電池可以直接在手機和筆記本電腦上制造，而不是單獨制造然后安裝，這一改變將大大降低制造成本。它們也將非常適合未來的設備，如削皮貼片太陽能電池和紙質電子產品。由于這些設備不可避免地會被彎曲和折疊，研究人員對他們的樣本進行了同樣的處理。

盡管他們的所有設備——包括那些帶有ITO電極的設備——都可以反復折疊，但那些帶有石墨烯電極的設備在其產量開始下降之前，可以彎曲得更緊。

未來的目標

研究人員現在還在考慮如何最好地將太陽能電池擴展到覆蓋整個窗戶和墻壁所需的大面積設備上，在這些設備上，太陽能電池可以高效地發電，而人眼實際上是看不見的。

現在正致力于在不犧牲透明度的情況下提高石墨烯基有機太陽能電池的效率。增加活動面積會推高PCE，但透明度會下降。根據他們的計算，在目前的透明度水平下，理論上的最大PCE是10%。目前最好的PCE大約是4%，所以還有一段路要走。