透明石墨烯电极可能会催生新一代太阳能电池

一种制造大量高质量、原子厚度的石墨烯的新方法可能会制造出超轻、可弯曲的太阳能电池，以及新型的发光设备和其他薄膜电子产品。

这种由麻省理工学院(MIT)开发的新制造工艺，应该相对容易扩大规模用于工业生产，它涉及到一层中间的“缓冲”材料，这是该技术成功的关键。缓冲层可以使厚度小于1纳米(十亿分之一米)的超薄石墨烯薄片很容易从基片上剥离，从而实现快速的卷对卷制造。

昨天，麻省理工学院(MIT)博士后乔瓦尼·阿兹利诺(Giovanni Azzellino)和马赫迪·塔瓦科里(Mahdi Tavakoli)在《高级功能材料》(Advanced Functional Materials)上发表了一篇论文，详细介绍了这一过程;孔景光教授、托马斯·帕拉西奥斯教授和马库斯·比勒教授;和麻省理工学院的其他五个人。

找到一个方法,使薄、大面积、透明电极在露天稳定一直是近年来薄膜电子的主要任务,为各种不同的应用程序在光电设备——要么发光的东西,如电脑和智能手机屏幕,或收获,像太阳能电池。如今，这种应用的标准是氧化铟锡(ITO)，一种基于稀有和昂贵的化学元素的材料。

许多研究小组致力于寻找ITO的替代物，重点研究有机和无机的候选材料。石墨烯是一种纯碳，其原子呈扁平的六角形排列，具有极好的电气和机械性能，但它极薄，物理弹性强，由一种丰富的廉价材料制成。此外，用铜作为种子层，它可以通过化学气相沉积(CVD)很容易地生长成大片，孔的团队已经证明了这一点。然而，对于设备应用来说，最棘手的部分是如何将石墨烯从铜基板中释放出来。

这种释放，即所谓的石墨烯转移过程，往往会导致片状物出现撕裂、褶皱和缺陷，破坏薄膜的连续性，从而大幅降低其电导率。但阿兹利诺说，有了这项新技术，“现在我们可以可靠地生产大面积石墨烯薄片，并将其转移到我们想要的任何基底上，而且转移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，它是由一种叫做parylene的聚合物材料制成的，它在原子层面上与被部署的石墨烯薄片一致。与石墨烯一样，聚对烯是通过CVD生产的，这简化了生产过程和可扩展性。

为了演示这项技术，该团队制作了概念验证太阳能电池，采用了一种薄膜聚合太阳能电池材料，以及作为电池两个电极之一的新形成的石墨烯层，以及作为设备衬底的聚对烯层。他们测量了石墨烯薄膜在可见光下的光学透过率接近90%。

与最先进的基于itg的设备相比，基于石墨烯的原型太阳能电池的每重量功率提高了大约36倍。它还使用了1/200的材料，每单位面积的透明电极。而且，与ITO相比，石墨烯还有一个更根本的优势:“石墨烯几乎是免费的，”阿兹利诺说。

他说:“基于石墨烯的超轻型设备可以为新一代的应用铺平道路。”“所以，如果你想想便携式设备，单位重量的功率成为一个非常重要的价值数字。如果我们可以在你的平板电脑上部署一个透明的太阳能电池，它可以为平板电脑本身供电，会怎么样呢?他说，尽管还需要进一步的发展，但这种应用最终应该是可行的。

对二甲苯是微电子工业中广泛使用的缓冲材料，通常用于电子器件的封装和保护。因此，使用这种材料的供应链和设备已经广泛存在，阿兹利诺说。在三种现有的对二甲苯中，该团队的测试显示其中一种含有更多氯原子，是目前为止最有效的。

氯元素的原子距离聚对二甲苯底层石墨烯的层夹在一起提供了一个更大的优势,通过提供一种石墨烯的“兴奋剂”,最后提供一个更可靠的和非破坏性的方法大面积石墨烯的电导率提高,不同于其他许多已经被测试和报告到目前为止。

“石墨烯和聚丙烯腈薄膜总是面对面的，”阿兹利诺说。“所以基本上，兴奋剂的作用一直存在，所以优势是永久的。”

研究团队还包括Marek Hempel, Ang-Yu Lu, Francisco Martin-Martinez, Jiayuan Zhao和Jingjie Yeo，他们都来自麻省理工学院。这项工作是由埃尼公司通过麻省理工学院能源倡议，美国陆军研究办公室通过士兵纳米技术研究所和海军研究办公室支持的。