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一举两得:作为增透膜的石墨烯透明电极

发布时间:2016-09-14

不知不觉中,触摸屏手机和平板电脑已经进入我们生活的各个角落。也许现在,你正在用手机或者平板电脑阅读这篇文章。在这个触摸屏大行其道的时代,我们经常会有这样的困扰:为什么有的屏幕在太阳底下就看不清了?这是因为光滑的屏幕像一面镜子,能反射环境光,当周围环境的亮度非常高时,反射光强度会掩盖屏幕的图像。为了解决这个问题,人们不断地开发新型减反射涂层材料和镀膜技术。实际上,不仅仅是触摸屏,对于透镜等光学器件和太阳能电池等光电器件,加入减反射涂层也是提高器件性能的重要途径。

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另一方面,透明电极在光电器件中的应用也日益得到重视。近年来风头正盛的石墨烯,就是一种重要的透明导电材料,在太阳能电池、光电探测器、触摸显示屏等领域具有很好的应用前景。不过目前在技术上,石墨烯在这一领域的大规模应用还受到很多因素的限制。大面积石墨烯薄膜通常采用化学气相沉积法(CVD)制备,而且在转移到目标基底(如硅、玻璃等)的过程中需要聚合物涂层的保护才能使石墨烯不致破损。通常情况下,石墨烯在转移至目标基底以后,人们还需要将聚合物保护层用有机溶剂去除,以期得到表面洁净的石墨烯薄膜。然而,聚合物通常难以完全去除,即使高温退火也不能保证石墨烯表面没有残留物。此外,石墨烯虽然具有良好的透光性,但无法消除平面基底(如抛光硅片)表面的光反射,使得器件性能受到限制。为了克服这一不足,通常还要在除去聚合物的石墨烯表面额外添加一层减反射涂层(如TiO2胶体等)来提高器件性能,这无疑又增加了更多的工序和成本。

那如果把增透涂层技术和透明电极技术结合起来呢?清华大学材料学院吕瑞涛和康飞宇教授团队就提出了一种将透明电极和减反射涂层结合的新途径,与通常在制作石墨烯器件时需要尽可能把聚合物涂层去除干净的思路相反,该团队以聚合物涂覆的CVD石墨烯薄膜直接作为减反射透明电极,在石墨烯/硅异质结太阳能电池中取得了良好的效果。经工艺优化后,采用PMMA作为涂层材料时,石墨烯/硅异质结电池的光电转换效率可以达到13.34%,短路电流密度可达34.00 mA/cm2。在器件制作过程中,无需再使用有机溶剂去除聚合物涂层,一方面使得工艺大为简化,另一方面也减少了有机溶剂的使用对环境可能造成的污染。更重要的是,保留了石墨烯的良好导电性,避免了溶剂和残留物对电池性能的影响,还可以为石墨烯薄膜提供保护。由于聚合物涂层的减反射作用,石墨烯/硅太阳能电池的光吸收得到显著增强。相比于没有聚合物涂层的电池样品,PMMA涂层可以使石墨烯硅太阳能电池的最高量子效率由60% 左右提高到80% 以上。调节旋涂转速可以控制聚合物厚度,能够选择性增强不同波长范围光吸收。另外采用透明氟聚合物CYTOP作为涂层材料,可以大大提高电池的长期稳定性。由于聚合物涂覆石墨烯具有良好的透光性、导电性和更好的机械性能,因此有希望在未来的光电器件和柔性器件中得到广泛的应用。

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 (Reproduced from the publication of Journal of Materials Chemistry A. http://xlink.rsc.org/?DOI= C6TA06261J. Copyright 2016 Royal Society of Chemistry)

该工作由清华大学、中国科学院金属研究所和美国宾夕法尼亚州立大学合作开展,并得到了国家自然科学基金和973计划的支持。该研究成果发表在Journal of Materials Chemistry A (DOI: 10.1039/C6TA06261J) ,第一作者为博士生甘鑫,通讯作者为清华大学材料学院吕瑞涛助理教授和康飞宇教授。


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