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    在澳门太阳城最新网站开发一个新的柔性石墨烯的太阳能电池在该样品的中心被认为是在该透明区域。围绕其边缘在其上的探针可以期间的设备性能测试附着金属接触。

    照片:斯图尔特darsch

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  • 教授荆实业(左)和研究生宋毅,新的灵活的石墨烯太阳能电池的开发,在电气工程和计算机科学系纳米材料和电子组的成员。

    教授荆实业(左)和研究生宋毅,新的灵活的石墨烯太阳能电池的开发,在电气工程和计算机科学系纳米材料和电子组的成员。

    照片:斯图尔特darsch

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  • 测试他们的石墨烯电极,研究人员制造太阳能电池具有由石墨烯的顶部和底部电极(阳极和阴极),在该图所示的氧化铟锡(ITO)和铝的组合。酒吧向右显示每种类型设备的两个性能指标。电流密度(CD)是每单位面积的电流量,在每平方厘米(毫安/厘米2)测定毫安。功率转换效率(PCE)是转换为电力入射太阳功率的分数。

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    研究人员的形象礼貌。

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透明的,柔性太阳能电池

在澳门太阳城最新网站开发一个新的柔性石墨烯的太阳能电池在该样品的中心被认为是在该透明区域。围绕其边缘在其上的探针可以期间的设备性能测试附着金属接触。

研究人员使用的石墨烯以产生太阳能电池它们可以在表面上,从玻璃到塑料纸和磁带装入开发一种新技术。


记者联系

弗朗西斯麦卡弗里
电子邮件: mccafffr@mit.edu
电话:617-324-2408
澳门太阳城最新网站能源倡议

想象一下,在未来,太阳能电池是在我们身边 - 在窗户和墙壁,手机,笔记本电脑等。一个新的灵活的,透明的太阳能MIT开发细胞带来未来更近一步。

该装置结合了低成本的有机(含碳)的材料与石墨烯,从廉价且充足的碳源由柔性的,透明的材料形成的电极。这种进步在太阳能技术通过沉积石墨烯的一个原子厚的层施加到所述太阳能电池的新颖方法启用 - 而不损坏附近敏感的有机材料。到现在为止,透明的太阳能电池的开发人员通常依靠倾向于当所述装置被弯曲以裂纹昂贵,易碎的电极。使用石墨烯代替的能力使得可能真正灵活的,低成本的,透明的太阳能电池,可以把几乎任何表面成电力的来源。

由有机化合物光伏太阳能电池将提供了今天的无机硅太阳能电池的各种优点。他们会更便宜和更容易制造。他们将轻便灵活,而不是沉重的,刚性的,脆弱的,所以会更容易运输,包括没有中央电网的偏远地区。它们可以是透明的。许多有机材料吸收紫外线和太阳光的红外分量,但发射的是我们的眼睛能够检测可见光部分。因此,有机太阳能电池可以安装在表面的所有美国和收获精力用在鬼不觉他们。

研究人员已经在朝向显影透明有机太阳能电池中的过去的十年取得显著进展。但他们已经遇到一个永久绊脚石:用于携带电流输出单元的电极找到合适的材料。

“这是罕见的在本质上是既导电且光学透明的材料,说:” 教授荆港 电气工程和计算机科学(EECS)部门。

最广泛使用的当前选择是氧化铟锡(ITO)。 ITO是导电且透明的,但它也是僵硬且脆,因此,当有机太阳能电池的弯曲时,ITO电极容易产生裂纹和剥离。此外,铟是昂贵的,并且比较少见。

为ITO一个有前途的替代方案是石墨烯,发生在一个原子厚的片材,并具有显着的特点碳的一种形式。它的高导电性,柔性,坚固,和透明的;和它的廉价和无处不在的碳制成。另外,石墨烯电极可以是仅1纳米厚的 - 的馏分厚如ITO电极和用于薄的有机太阳能电池本身远更好的匹配。

石墨烯的挑战

两个关键问题减缓了批发采用的石墨电极。第一个问题是在石墨烯电极沉积到太阳能电池。大多数太阳能电池是建立在基材如玻璃或塑料。底部石墨烯电极被直接沉积在基底上 - 可以通过涉及水,溶剂,热和工艺来实现的任务。那么其他的层被添加,与顶石墨烯电极结束。但把该顶部电极到所谓的空穴传输层(HTL)的表面是棘手的。

“在HTL溶于水,有机材料,它下面是敏感的几乎任何东西,包括水,溶剂,热,说:” EECS的研究生宋毅,一个2016 - 2017年ENI-MIT 能源研究员 和香港的纳米材料和电子集团的成员。结果,研究人员已经典型地坚持使用在顶部的ITO电极。

利用石墨烯中的第二个问题是,这两个电极需要扮演不同的角色。与给定的材料让去的电子易于被称为其功函数的一组属性。但是在太阳能电池,只是电极中的一个应该让电子容易流出。作为结果,具有做出来的石墨烯的两个电极需要改变其中之一的功函数,因此电子会知道该往哪个方向走 - 和不断变化的任何材料的功函数并不简单。

光滑石墨烯转移

在过去的三年中,香港和歌一直在努力解决这些问题。他们首先开发和优化用于铺设底部电极的基板上的方法。

在这一过程中,它们生长的石墨烯片上的铜箔。他们然后将其转移到使用由香港和她的同事证明的技术在2008年他们在石墨烯片的顶部上沉积聚合物层,以支持它,然后使用的酸性溶液蚀刻铜箔断背面侧的基板,结束了它们转移到水用于漂洗的石墨烯的聚合物叠层。他们然后简单地铲起与基底浮动石墨烯的聚合物堆和使用热或丙酮冲洗除去聚合物层。结果:石墨烯电极搁置在基板上。

但舀顶部电极出的水是不可行的。因此他们改为打开浮动石墨烯的聚合物堆成一种邮票,按硅橡胶的半毫米厚的框架在其上。抓用镊子框架,它们抬起堆出来,烘干后,并设置它倒在HTL的顶部。然后,以最少的变暖,它们可以剥离硅橡胶印模和聚合物支撑层,留下沉积在HTL上的石墨烯。

最初,该歌曲和香港使用该方法制造的电极并未表现良好。试验表明,石墨烯层并没有严格坚持HTL,所以目前不能有效地流了出来。这个问题的解决方案显然是行不通的。加热结构足以使石墨烯坚持会损坏敏感的有机物。并把某种胶上的石墨烯的底部铺设下来在HTL将两个层粘结在一起之前,但最终将它们之间的附加层,降低而不是增加的界面接触。

歌决定补胶邮票可能是要走的路 - 但不是作为石墨烯的下层。

“我们认为,如果我们这个喷很软,粘性聚合物上的石墨烯的顶部会发生什么?”他说。 “它不会与所述空穴输送层直接接触,但是由于石墨烯是如此之薄,也许其粘合性可能会通过所述石墨烯保持不变。”

为了验证这一想法,研究人员并入乙烯 - 乙酸乙烯酯,或EVA,一个层到他们的邮票,就在石墨烯的顶部。 EVA层是非常灵活的和薄的 - 有点像食品包装 - 和可以很容易地撕开。但他们发现,随之而来的聚合物层保持在一起,并安排工作,就像歌曾希望:EVA膜紧紧地粘附在HTL,符合表面上的任何微观粗糙的特点,并迫使下石墨烯薄层它这样做。

该工艺不仅提高了性能,而且还带来了意想不到的附带好处。研究人员认为他们的下一个任务是找到一种方法来更改顶部石墨烯电极的功函数,因此会从一个底部的区别,以确保平稳的电子流。但是这一步是没有必要的。他们对铺设在石墨烯上的HTL技术实际上改变了电极的功函数正是他们需要它。

“我们很幸运,说:”歌曲。 “我们的顶部和底部电极只是碰巧有正确的工作职能为我们所用,使他们在过程的结果。”

把电极到测试

看如何以及他们的石墨烯电极将在实践中执行,研究人员需要将其纳入功能有机太阳能电池。该任务,他们把自己的同事的太阳能电池制造和测试设备 弗拉基米尔bulović,该法伯斯·马西(1990年)的新兴技术和副院长创新工程学院教授。

为了进行比较,它们建立在刚性玻璃基板的一系列的太阳能电池与由石墨烯,ITO和铝的电极(标准电极材料)。电流密度(或CD,每单位面积流过的电流的量)和功率转换效率(或PCES,入射的太阳功率的转换为电能的分数)为新的挠性的石墨烯/石墨烯的设备和标准刚性ITO /石墨烯器件具有可比性。它们比那些具有一个铝电极的装置的低,但是这是一个发现他们的预期。

“在底部的铝电极将反映一些入射光的回太阳能电池中,所以该装置整体可以吸收比透明装置能够更太阳的能量的,”孔说。

在刚性的玻璃基板以及柔性基板 - - 他们所有的石墨烯/石墨烯器件的PCES范围从2.8%到4.1%。而这些值远远低于现有的商用太阳能电池板的PCES,他们对涉及半透明装置采用全石墨电极在以前的工作取得PCES一个显著的改善,研究人员说。

其石墨烯/石墨烯设备的透明度的测量结果得到进一步令人鼓舞的结果。人眼可以在波长约400纳米和700个纳米之间的光检测。全石墨烯器件具有61%透光率在整个可见政权和高达550个纳米的69%。 “这些值[对于透射率]是最高的为透明的太阳能电池与文献中比较电源转换效率中,”孔说。

柔性基板,弯曲行为

研究人员指出,他们的有机太阳能电池可以在任何种类的表面,刚性或柔性的,透明的或不被沉积。 “如果你想要把你的汽车的表面上,例如,它不会看起来很糟糕,”孔说。 “你就可以通过对看见什么最初在那里。”

证明的通用性,它们沉积其石墨烯的石墨烯器件到柔性衬底包括塑料,不透明纸,和半透明的聚酰亚胺胶带。测量结果表明,该设备的性能上的三个柔性基板大致相等的 - 只有比那些玻璃制成略低,可能是因为表面是粗糙所以有接触不良更大的潜力。

在任何表面上沉积太阳能电池的能力,使得它有前途的消费电子产品的使用 - 这是迅速增长的全球领域。例如,太阳能电池可直接在手机和笔记本电脑制造,而不是分开制造,然后安装,改变,将显著降低制造成本。

他们也将是非常适合于未来的设备,如剥离和棒太阳能电池和电子纸。因为这些设备将不可避免地被弯曲并折叠时,研究人员进行他们的样品相同的处理。而他们所有的设备 - 包括那些带有ITO电极 - 可反复折叠,那些有石墨电极可弯曲更为紧密地在他们的输出开始下降。

未来的目标

研究人员正在努力改进其基于石墨烯的有机太阳能电池的效率,而不会牺牲透明度。根据他们的计算(增加有源区的量会向上推动PCE,但透明度将下降。),最大理论PCE在它们的当前的透明度水平可实现的是10%。

“我们最好的PCE是4%左右,所以我们还有一段路要走,说:”歌曲。

他们也正在考虑如何最好地他们的太阳能电池扩大到覆盖整个窗户和墙壁,在那里他们可以有效地发电,而剩下的几乎看不见人眼所需的大面积的设备。

这项研究是由意大利能源公司埃尼集团股份公司支持作为ENI-MIT联盟太阳能前沿中心的一部分。 ENI是澳门太阳城最新网站能源计划的创始成员之一。

该文章发表于 2017年春 问题在于 能源期货, 澳门太阳城最新网站能源倡议的杂志。


主题: 工程学院, 可替代能源, Electrical Engineering & Computer Science (eecs), 能源, 石墨烯, 澳门太阳城最新网站能源倡议, 研究, 再生能源, 太阳能, 可持续性, 光伏, 电子研究实验室, 化学, 材料科学与工程

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