麻省理工学院最近开发出一种新的制造工艺，一种制造大面积、高质量、如原子薄的石墨烯的新方法，可能会导致超轻量、柔性的太阳能电池以及新型发光器件和其他薄膜电子产品。
该项技术的关键是中间的“缓冲”材料层，它可以使厚度小于1纳米（十亿分之一米）的超薄石墨烯片轻松从其基材上剥离下来，从而实现快速的卷对卷大规模工业生产制造。
透明石墨烯电极生产工艺
如上图所示石墨烯的制造新工艺及其实验设备，基于在通过气相沉积工艺沉积石墨烯之后使用中间的材料载体层。载体允许将厚度小于1纳米的超薄石墨烯片从基材上提起，从而实现快速的卷对卷制造。
近年来，对于在光电子设备中的各种应用，寻找一种方法来制造很薄的、大面积的、透明的、在露天环境中稳定的电极，一直是薄膜电子学的主要追求，例如电脑与智能手机的屏幕，或者像太阳能电池捕获太阳能的屏幕。这些应用的当今标准是铟锡氧化物（indium tin oxide，简称ITO），这是一种基于稀有且昂贵的化学元素的材料。
许多研究小组致力于寻找这种铟锡氧化物的替代品，重点放在有机和无机候选材料上。石墨烯是一种纯碳形式，其原子排列成扁平的六边形阵列，具有极佳的电气和机械性能，具有物理柔性，可由大量廉价的材料制成。通过化学气相沉积（CVD），可以很容易地以铜为种子层，以大片的形式生长。然而，对于生产设备应用而言，最棘手的部分一直是寻找从其天然铜基板释放化学气相沉积生长的石墨烯的方法。
这种释放过程被称为石墨烯转移，容易导致片材上的撕裂、皱纹和缺陷网，破坏膜的连续性，从而大大降低其电导率。使用这种新技术，能够可靠地制造大面积石墨烯片，将其转移到想要的任何基材上，并且转移的方式不会影响原始石墨烯的电气和机械性能。”
工艺关键是缓冲层，该缓冲层由称为聚对二甲苯的聚合物材料制成，该缓冲层在原子水平上与其所在的石墨烯片相符。类似于石墨烯，聚对二甲苯是通过化学气相沉积生产的，这简化了制造过程和可扩展性。
为证明这项技术，研究小组制作了概念验证的太阳能电池，采用薄膜聚合物太阳能电池材料，并为电池的两个电极之一采用了新形成的石墨烯层，聚对二甲苯层也可用于作为器件衬底。研究人员测量了在可见光下石墨烯薄膜的透光率接近90％。
与基于铟锡氧化物的最新设备相比，基于石墨烯的原型太阳能电池每单位重量的输出功率提高了约36倍。透明电极每单位面积的材料用量也仅为1/200。而且，与铟锡氧化物相比，还有另一个基本优势：石墨烯的成本低廉得多。
研究人员说：“基于超轻型石墨烯的设备可以为新一代应用铺平道路。” “因此，如果考虑便携式设备，每单位重量的功率将成为非常重要的品质因数。如果我们可以在平板电脑上部署能够为平板电脑本身供电的透明太阳能电池，那该如何？这种透明石墨烯电极将导致新一代太阳能电池”。
缓冲材料聚对二甲苯广泛用于微电子行业，通常用于封装和保护电子设备。因此，使用这种材料的供应链和设备已经很广泛了。研究小组的测试显示，在现有的三种聚对二甲苯类型中，其中一种包含更多的氯原子，是迄今为止最有效的应用。
当夹层在一起时，富含氯的聚对二甲苯与下面的石墨烯之间的原子接近度提供了进一步的优势，方法是为石墨烯提供一种“掺杂”，最终为提高大面积石墨烯的电导率提供一种更可靠且无损的方法，与到目前为止许多其它已测试报告不同。
研究人员表示：“石墨烯和聚对二甲苯膜总是面对面的。” “因此，基本上，掺杂作用一直存在，因此优势是永久的。”
该最新研究成果论文刊登在最近的《先进功能材料》杂志上。论文通讯作者、该研究团队负责人、麻省理工学院电气工程与计算机科学教授、孔婧（Jing Kong），她于1997年毕业于北京大学化学系，2002年在斯坦福大学获得化学博士学位。
参考：“Synergistic RolltoRoll Transfer and Doping of CVDGraphene Using Parylene for AmbientStable and UltraLightweight Photovoltaics”. /doi/abs/10.1002/adfm.01924
