石墨烯：助太陽(yáng)能電池“遍地開(kāi)花”

　　想象這樣一些場(chǎng)景：未來(lái)，無(wú)論是窗戶(hù)和墻壁，還是手機和筆記本電腦，太陽(yáng)能電池無(wú)處不在。麻省理工學(xué)院(MIT)電子工程和計算機科學(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)景離現實(shí)更近了一步。這種太陽(yáng)能電池無(wú)需單獨安裝，可集成到手機和電腦屏幕內，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，具有多項優(yōu)勢：制造工藝簡(jiǎn)單，成本便宜，輕便易彎曲，容易運送到?jīng)]有電網(wǎng)的偏遠地區。但這些研究面臨著(zhù)一個(gè)長(cháng)期難以解決的難題：找不到集導電性和光學(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(zhù)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。大多數太陽(yáng)能電池板都是玻璃或塑料，當把其中一個(gè)石墨烯電極(底層電極)直接沉積時(shí)，需要水溶液和加熱，導致另一個(gè)頂層電極沉積工藝特別復雜?？嘴o表示：“兩層石墨烯電極之間的空穴運輸層(HTL)易溶解，因此對水和熱特別敏感，如此一來(lái)，其他研究團隊往往將頂層電極用ITO代替，只在底層使用石墨烯電極。”

　　石墨烯電極的另一瓶頸是，頂層電極和底層電極必須承擔不同的工作性能，實(shí)現這一點(diǎn)非常不容易。

　　孔靜教授帶領(lǐng)其實(shí)驗室團隊研發(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

　　為了檢測石墨烯電極是否實(shí)用，孔靜團隊利用學(xué)校另一個(gè)實(shí)驗室的太陽(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)能轉換效率。測試結果發(fā)現，石墨烯電極和ITO電極的轉換效率相當;鋁電極的轉換效率最高?？嘴o解釋道，這是因為鋁電極能將部分太陽(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)行透明度檢測發(fā)現，其光學(xué)透明度達到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)現三者轉換效率相當，略低于玻璃為底板的太陽(yáng)能電池轉換效率。這意味著(zhù)，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換效率只有4%，但根據孔靜團隊的理論計算，在不降低透明度的情況下，石墨烯太陽(yáng)能電池的轉換效率可提高到10%，提升空間很大，這也是他們下一步的研究重點(diǎn)。