万能的石墨烯：视觉透明有机太阳能电池中的柔性电极

试想一下，如果一块看起来近乎透明的太阳能电池，能附加在任意形状的电子设备表面上，不影响视线还能利用太阳能充电，这会多么有意思。

有一种材料，自从其发现以来就因其优越的物理与化学特性一直备受关注，它就是大名鼎鼎“无所不能”的石墨烯。从光电角度考虑，石墨烯不仅可导电而且还具有光学透明性，将这两者综合起来，就有潜力作为透明导体应用于光伏器件中。目前，科学家们已经报道了许多利用化学沉积法制作的石墨烯电极应用于不同种类的光伏器件、发光二极管、光探测器以及激光器等。麻省理工学院（MIT）的Jing Kong团队最近把全石墨烯电极用在了有机太阳能电池中，看上去近乎透明，而且具有柔性。（Visibly-Transparent Organic Solar Cells on Flexible Substrates with All-Graphene Electrodes. Adv. Energy Mater., 2016, DOI: 10.1002/aenm.201600847）

在有机光伏器件中，因为具有不同吸光波长的给体与受体成分具有非常大的可选择性，这使得优化其对可见光的透明性成为可能。现在的有机太阳能电池器件正常需要利用氧化铟锡（ITO）与金属来作电极，但是ITO的溅射与金属电极的蒸镀都需要在高真空下完成。先不考虑电极的不透明性，仅从其成本以及材料利用来说也不够有效。石墨烯可以解决这些问题，因为石墨烯不到1纳米厚，而且实际上可以通过任何碳来源进行合成。

图1 a）器件结构 b) 不同层的能级 c) 活性层PDTP-DFBT、PC60BM以及PC70BM的吸收 d)穿过器件的照片 e) 器件累积的吸收，阴影部分是每层对于可见光的吸收。图片来源：Adv. Energy Mater.

如图2a所示，作者对比了不同的器件结构，详细的器件性能如表一所示。一方面作者考察了石墨烯代替常规器件的阴极或阳极（或者代替阴极和阳极）的器件性能，另一方面每组器件又分别选用PC61BM或者PC71BM作为活性层的受体材料。从各组数据来看，阴极与阳极均用石墨烯作为电极，其光电转换效率最低。总体上，ITO/Al与Gr/Al器件的差别非常小，Gr/Al器件由于石墨烯更好的光学透光性，具有略高的电流，但是由于石墨烯的薄膜电阻较大因而填充因子较低。

图2 a）不同的器件结构 b) 基于PC70BM 的器件的电流-电压曲线 c) 不同器件的对比 d) 光从不同方向入射的电流-电流曲线。图片来源：Adv. Energy Mater.

作者又利用透明塑料PEN作为基板制备了柔性器件。像PEN这类柔性基板比玻璃更加便宜，而且可弯曲的器件也更受市场欢迎。转移到PEN上的石墨烯，其薄层电阻比在玻璃上更大，这就导致了更大的串联电阻。而且，PEN粗糙度更大，就具有更多短接通路。这些就导致了其器件性能填充因子的下降。而且，由于PEN比玻璃拥有更高的截止波长，从底部照射其短路电流也会更低。

表一 不同器件结构的光伏参数表。图片来源：Adv. Energy Mater.

总之，作者新开发了一个普适的室温干燥转移石墨烯方法，制备了柔性透明的光伏器件。其中利用石墨烯作为器件的阴极与阳极，其器件的可见光范围的透光率可以达到60%。

尽管石墨烯有诸多好处，可是在本文的例子中，有机太阳能电池最主要的性能——光电转换效率——还未突破传统结构的器件。如何在利用石墨烯作为电极后，器件的光伏性能还可与传统器件相当或者更高？小编认为这才是关键！大家可以试想如何实现这一点？？？

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201600847/abstract

（本文由科研趣生供稿）