太陽(yáng)能是一種清潔、可再生、無(wú)污染、易于獲取的能源，在未來(lái)能源發(fā)展中發(fā)揮著關(guān)鍵性用途?；蛟S，我們會(huì)有一個(gè)美好的愿望：未來(lái)在我們周?chē)?，太?yáng)能電池將變得無(wú)處不在，例如窗戶(hù)和墻壁、汽車(chē)、智能手機(jī)、平板電腦等等，這樣有利于更加有效且便捷地利用太陽(yáng)能。

關(guān)于實(shí)現(xiàn)這個(gè)愿望而言，有機(jī)太陽(yáng)能電池是一個(gè)很好的選擇。由有機(jī)成分構(gòu)成的光伏太陽(yáng)能電池，相關(guān)于現(xiàn)有的無(wú)機(jī)硅太陽(yáng)能電池，具有各種優(yōu)勢(shì)。它們更加廉價(jià)，更加易于制造。它們是輕量且柔軟的，而不是笨重、剛性且易碎的，所以更加便于運(yùn)輸，例如運(yùn)輸?shù)經(jīng)]有中心電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)。此外，他們還可以是透明的。許多有機(jī)材料都可以吸收太陽(yáng)光中的紫外線(xiàn)和紅外線(xiàn)部分，但是可以傳播我們?nèi)庋勰軝z測(cè)到的可見(jiàn)光部分。綜上所述，有機(jī)太陽(yáng)能電池可以安裝在我們周?chē)矬w的表面吸收能量，并且并不是容易被人眼看到。

過(guò)去數(shù)十年來(lái)，科學(xué)人員在開(kāi)發(fā)透明的有機(jī)太陽(yáng)能電池方面，已經(jīng)取得了顯著進(jìn)展。但是，他們也遇到了一個(gè)頑固的絆腳石：為這些電池尋找合適的電極材料。對(duì)此，美國(guó)麻省理工學(xué)院電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)（EECS）專(zhuān)業(yè)的教授JingKong認(rèn)為：

在自然界中，我們很難找到一種材料，它既有導(dǎo)電性，也具有光學(xué)透明性。

到目前為止，透明太陽(yáng)能電池的開(kāi)發(fā)通常都依賴(lài)于昂貴、脆弱的電極。最廣泛使用的材料是氧化銦錫（ITO）。ITO即具有導(dǎo)電性，又是透明的，但它又硬又脆，所以當(dāng)電池遭受彎曲時(shí)，ITO電極容易破裂。另外，銦也是一種昂貴和罕見(jiàn)的材料。

石墨烯是ITO很好的替代品：它由碳原子構(gòu)成，只有一個(gè)原子的厚度，具有一些列卓越的特性，例如高度導(dǎo)電、柔性、耐用和透明。同時(shí)，構(gòu)成它的碳元素也是廉價(jià)且普遍存在的。此外，石墨烯電極可達(dá)到1納米的厚度，不足ITO電極厚度的幾分之一，更適用于本身很薄的有機(jī)太陽(yáng)能電池。

然而，兩個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題阻礙了石墨烯電極的大規(guī)模應(yīng)用。第一個(gè)問(wèn)題是將石墨烯電極沉積到太陽(yáng)能電池表面。大多數(shù)的太陽(yáng)能電池在玻璃或者塑料基板上制造。底部的石墨烯電極被直接沉積到基板上，這項(xiàng)任務(wù)可以通過(guò)包含水、溶劑和熱量的工藝完成。然后，再添加其他層，最后是底部的石墨烯電極。但是，將頂部的石墨烯電極放置到空穴傳輸層(HTL)表面上，是一項(xiàng)很棘手的任務(wù)。

結(jié)果，研究研究人員只能在頂部使用ITO電極。2016-2017Eni-MIT研究員、Kong的納米材料和電子研究小組成員之一、EECS的研究生YiSong說(shuō)道：

HTL溶解于水，而且位于它下方的有機(jī)材料，幾乎關(guān)于任何事物都會(huì)敏感，包括水、溶劑和熱量。

第二個(gè)問(wèn)題是，兩個(gè)石墨烯電極要扮演不同的角色。讓電子克服原子核的束縛，從特定的材料表面逸出所需的最小能量，稱(chēng)為逸出功。但是在太陽(yáng)能電池中，應(yīng)該只有一個(gè)電極讓電子容易逸出。然而兩個(gè)電極都由石墨烯制成，因此要改變其中之一的逸出功，這樣電子才可以了解走那一條路。然而改變?nèi)魏尾牧系囊莩龉Σ⒉皇且患?jiǎn)單的事。

創(chuàng)新

美國(guó)麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)出一種柔性、透明的有機(jī)太陽(yáng)能電池，讓我們離期望中的未來(lái)又更近了一步。他們使用石墨烯取代傳統(tǒng)電極，制成這種柔性、低成本、透明的太陽(yáng)能電池，幾乎能將任何物體的表面都可以變成電源。

這種太陽(yáng)能電池器件將低成本有機(jī)材料（含碳）與柔性、透明的石墨烯電極相機(jī)結(jié)合。他們?yōu)閷螌犹荚雍穸鹊氖┏练e到太陽(yáng)能電池上，供應(yīng)了一種新方法，且這種方法也不會(huì)損壞其附近敏感的有機(jī)材料，從而有效地解決了上述石墨烯電極所存在的兩個(gè)問(wèn)題。

過(guò)去三年以來(lái)，Kong和Song一直致力于解決石墨烯電極所存在的問(wèn)題。他們首先開(kāi)發(fā)并優(yōu)化了在基板上放置底部電極的工藝。

在那個(gè)工藝中，他們?cè)阢~箔上生長(zhǎng)一片石墨烯。然后，他們使用了Kong和同事們?cè)?008年演示過(guò)的技術(shù)，將它轉(zhuǎn)移到基板上。他們?cè)谑┢捻敳砍练e了一層聚合物用于支撐它，然后使用酸性溶液，將背面的銅箔腐蝕掉，最后形成石墨烯-聚合物堆疊物，然后轉(zhuǎn)移到水中進(jìn)行清洗。然后，他們將浮動(dòng)的、帶有基板的石墨烯-聚合物堆疊物舀上來(lái)，通過(guò)加熱或者丙酮清洗，去除聚合物層。結(jié)果形成了位于基板上的石墨烯電極。

但是，將頂部的電極從水中舀出來(lái)是行不通的。所以，他們通過(guò)將半毫米厚的硅橡膠框，壓到浮動(dòng)的石墨烯-聚合物堆疊物上面，將它轉(zhuǎn)化為一種郵票，再用鑷子夾住硅橡膠框，將堆疊物從水中取出，弄干它，然后將它放到HTL的頂部。然后，他們通過(guò)稍微加熱，剝?nèi)ス柘鹉z郵票和聚合物支撐層，讓石墨烯沉積到HTL上。

起初，Song和Kong使用這項(xiàng)工藝制造出的電極的性能并不好。測(cè)試顯示，石墨烯層無(wú)法和HTL緊緊貼合在一起，所以電流無(wú)法有效地流出。很多解決方法都無(wú)法克服這一問(wèn)題。例如，有一種方法是充分加熱這一結(jié)構(gòu)，讓石墨烯貼合的更好，但是它會(huì)損害有機(jī)物的靈敏度；另外一種方法是將石墨烯放置到HTL上面之前，在其底部放置某種膠，將兩層粘在一起，但是這樣會(huì)在它們之間又新增出另外一層，沒(méi)有新增反而降低了它們之間的面間接觸。

Song決定在郵票上添加膠，而不是變成石墨烯的下面一層，這或許會(huì)成為一種解決方法。他說(shuō)：

我們?cè)谙?，假如我們?cè)谑┑捻敳繃娚线@種非常柔軟、具有粘性的聚合物，會(huì)發(fā)生什么？它不會(huì)直接和傳輸層接觸，但是因?yàn)槭┻@么薄，或許它的粘合性能通過(guò)石墨烯后，還可以保持完好無(wú)損。

為了測(cè)試這個(gè)想法，研究人員將一層乙烯-醋酸乙烯酯（EVA），結(jié)合到石墨烯之上的郵票中。EVA層非常薄而且柔軟，有點(diǎn)像食品包裝，并且很容易撕開(kāi)。但是，他們發(fā)現(xiàn)聚合物層后來(lái)和郵票混一起，這種結(jié)構(gòu)正如Song希望的那樣：EVA薄膜和HTL緊緊地結(jié)合在一起，遵循物體表面上任何微觀的粗糙特點(diǎn)，迫使位于它下方的良好的石墨烯層也同樣如此。

這個(gè)工藝不僅提高了性能，而且?guī)?lái)意料不到的附帶好處。研究人員原先認(rèn)為，他們的下一個(gè)任務(wù)將是尋找一條能夠改變頂部石墨烯電極逸出功的途徑，這樣它將和底部電極區(qū)分開(kāi)來(lái)，保證流暢的電子流。但是，那一步并不是必要的。這項(xiàng)技術(shù)能夠?qū)⑹┓胖玫紿TL上，實(shí)際上已將電極的逸出功改變成他們所想要的。Song說(shuō)：

我們很幸運(yùn)。由于我們使用的這些制造工藝，我們的頂部和底部的電極正好具有正確的逸出功。

測(cè)試

為了檢測(cè)石墨烯電極實(shí)際的性能如何，研究人員要將它們集成到有機(jī)太陽(yáng)能電池中。為了完成這項(xiàng)任務(wù)，他們要太陽(yáng)能電池和測(cè)試設(shè)備，所以他們尋求了他們的同事、新興技術(shù)教授、工程學(xué)院創(chuàng)新副院長(zhǎng)VladimirBulovi?的幫助。

作為比較，他們構(gòu)造了一些列由石墨烯、ITO和鋁（一種標(biāo)準(zhǔn)的電極材料）制成的具有剛性玻璃基板的太陽(yáng)能電池。新型柔性的石墨烯/石墨烯器件和傳統(tǒng)剛性的ITO/石墨烯器件的電流密度（縮寫(xiě)：CD，單位面積流動(dòng)的電流）和能量轉(zhuǎn)化效率（縮寫(xiě)：PCE，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的比例）是可以比較的。這些值那些鋁電極的器件要低，但是這是他們希望得到的結(jié)果。Kong說(shuō)：

位于底部的鋁電極會(huì)將一些入射光線(xiàn)反射回太陽(yáng)能電池中，所以整個(gè)器件會(huì)比透明器件吸收更多的太陽(yáng)能。

他們的石墨烯/石墨烯器件的PCEs（位于剛性玻璃基板和柔性基板上）的范圍是從2.8%到4.1%。雖然這些值低于現(xiàn)有的商用太陽(yáng)能電池板，但是相關(guān)于先前的全石墨烯電極的半透明器件，PCEs還是得到了顯著提升。

他們的石墨烯/石墨烯器件透明度的測(cè)量結(jié)果，更令人鼓舞。人眼可以檢測(cè)光線(xiàn)波長(zhǎng)在400納米和700納米之間。全石墨烯器件顯示，跨越整個(gè)可見(jiàn)光區(qū)域的光學(xué)透光率是61%，而550納米時(shí)，可達(dá)69%。Kong說(shuō)：

相關(guān)于文獻(xiàn)中提及的能量轉(zhuǎn)化效率相近的所有透明太陽(yáng)能電池，這些值【透光率】是最高的。

價(jià)值

研究人員稱(chēng)，他們的有機(jī)太陽(yáng)能電池能夠放置于任何物體表面之上，剛性或者柔性的、透明或者不透明的。Kong說(shuō)：

例如，假如你想要將它放到汽車(chē)上，這樣也不會(huì)不好看。你將能夠透過(guò)它看到原來(lái)在那里的東西。

為了演示這種多功能性，他們將石墨烯-石墨烯器件放置到柔性基板，包括塑料、不透明的紙張和半透明的聚酰亞胺膠帶上。測(cè)量結(jié)果顯示，三種柔性基板的器件性能差不多，而且只比玻璃基板的低一點(diǎn)點(diǎn)，很可能是因?yàn)楸砻娓植诹艘恍?，所以?huì)存在接觸不良的可能性。

將太陽(yáng)能電池放置在任何物體的表面能力，讓它更加適合消費(fèi)電子產(chǎn)品。消費(fèi)電子是全球范圍內(nèi)迅速上升的領(lǐng)域之一。例如，太陽(yáng)能電池可在智能手機(jī)和平板電腦上直接制造，而不是獨(dú)立制造然后在組裝，這一改變將會(huì)顯著降低制造成本。

他們也將適用于未來(lái)的電子器件，例如即剝即貼的太陽(yáng)能電池和電子紙。因?yàn)檫@些器件免不了被彎曲和折疊，所以研究人員讓他們的樣品也可以承受彎曲和折疊。假如有一天，所有的器件包括那些具有ITO電極的，都可以被反復(fù)折疊。那么，這些石墨烯電極在其輸出開(kāi)始減退前，可彎曲的程度更深。

未來(lái)

研究人員正在致力于，在不犧牲透明度的前提下，提高基于石墨烯的有機(jī)太陽(yáng)能電池的效率。（新增活動(dòng)區(qū)域的數(shù)量將提高PCE，但是透明度將降低。）根據(jù)他們的計(jì)算，他們目前可達(dá)到的最大的理論P(yáng)CE值是10%。Song說(shuō)：

我們最佳的PCE是4%左右，所以我們還有一些路要走。

他們也正在考慮如何最大程度地將他們的太陽(yáng)能電池變?yōu)榇竺娣e器件，從而可以覆蓋整個(gè)窗戶(hù)和墻壁。這樣一來(lái)，他們可以有效地出現(xiàn)能量，同時(shí)也可以關(guān)于人眼幾乎不可見(jiàn)。