透明石墨烯电极可能会导致新一代太阳能电池

一种制造大片高质量原子薄石墨烯的新方法可能会导致超轻,柔性的太阳能电池,以及新型发光器件和其他薄膜电子产品。

新的制造工艺是由麻省理工学院开发的,应该相对容易地扩大以进行工业生产,其中涉及中间的“缓冲”材料层,这是该技术成功的关键。缓冲层可将厚度小于1纳米(十亿分之一米)的超薄石墨烯片轻松从其基材上提起,从而实现快速的卷对卷制造。

该过程在昨天发表的一篇论文中有详细介绍 先进功能材料 由麻省理工学院博士后乔瓦尼·阿泽利诺(Giovanni Azzellino)和马赫迪·塔瓦科利(Mahdi Tavakoli)撰写;金刚,Tomas Palacios和Markus Buehler教授;以及麻省理工学院的其他五个人。

近年来,寻找一种方法来制造薄的,大面积的,透明的,在露天环境中稳定的电极,已成为薄膜电子领域的主要追求,对于光电子设备中的各种应用(如计算机等会发光的事物)和智能手机的屏幕,或者像太阳能电池一样收获它。如今,此类应用的标准是铟锡氧化物(ITO),这是一种基于稀有且昂贵的化学元素的材料。

许多研究小组致力于寻找ITO的替代品,重点放在有机和无机候选材料上。石墨烯是一种纯碳形式,其原子排列成扁平的六边形阵列,具有极佳的电气和机械性能,但是却逐渐变薄,具有物理柔性,并由大量廉价的材料制成。此外,正如Kong的研究小组所证明的那样,使用铜作为种子层,可以通过化学气相沉积(CVD)轻松地将其制成大片状。但是,对于设备应用而言,最棘手的部分一直是寻找从其天然铜基板释放CVD生长的石墨烯的方法。

这种被称为石墨烯转移过程的释放趋向于导致片材中的撕裂,皱纹和缺陷网,这破坏了膜的连续性,因此大大降低了它们的导电性。但是,利用这项新技术,Azzellino说:“现在,我们能够可靠地制造大面积石墨烯片,将其转移到我们想要的任何基材上,并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。 ”

关键是缓冲层,该缓冲层由称为聚对二甲苯的聚合物材料制成,该缓冲层在原子水平上与在其上展开的石墨烯片相符。类似于石墨烯,聚对二甲苯是通过CVD生产的,从而简化了制造过程和可扩展性。

为了证明这项技术,研究小组制作了概念验证的太阳能电池,采用了薄膜聚合物太阳能电池材料,并为该电池的两个电极之一采用了新形成的石墨烯层,同时还使用了聚对二甲苯层作为器件衬底。他们测量了可见光下石墨烯薄膜的透光率接近90%。

与基于ITO的最新设备相比,基于石墨烯的原型太阳能电池每单位重量的输出功率提高了约36倍。透明电极每单位面积的材料用量也为1/200。而且,与ITO相比,它还有另一个根本优势:“石墨烯几乎免费提供,” Azzellino说。

他说:“基于超轻型石墨烯的设备可以为新一代应用铺平道路。” “因此,如果考虑便携式设备,每单位重量的功率将成为非常重要的品质因数。如果我们可以在平板电脑上部署能够为平板电脑本身供电的透明太阳能电池该怎么办?”他说,尽管还需要进一步的开发,但是这种新方法最终应会可行。

缓冲材料聚对二甲苯广泛用于微电子行业,通常用于封装和保护电子设备。 Azzellino说,因此使用这种材料的供应链和设备已经很广泛了。研究小组的测试显示,在现有的三种聚对二甲苯类型中,其中一种包含更多的氯原子,是迄今为止最有效的应用。

当层夹在一起时,富含氯的聚对二甲苯与下面的石墨烯的原子接近度提供了另一个优势,即为石墨烯提供了一种“掺杂”,最终为大面积石墨烯的电导率改善提供了一种更可靠且无损的方法,与迄今为止已测试和报告的许多其他报告不同。

“石墨烯和聚对二甲苯薄膜总是面对面的,” Azzellino说。 “所以基本上,掺杂作用始终存在,因此优势是永久的。”

该研究团队还包括麻省理工学院的Marek Hempel,卢昂宇,Francisco Martin-Martinez,赵佳媛和杨静洁。这项工作得到了麻省理工学院能源计划,埃尼·斯帕公司的支持,美国士兵纳米技术研究所的美国陆军研究办公室以及海军研究办公室的支持。



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