石墨烯增強PVC/PMMA柔性基板，用于薄膜太陽能電池

1成果簡介

柔性輕質基底對新一代太陽能電池至關重要，其不僅拓展了應用場景，更顯著降低了制造、物流及運營成本。然而，多數聚合物材料缺乏薄膜光伏工藝所需的熱穩定性和機械穩定性。本文，里約熱內盧天主教大學Luciana Dornelas Pinto等研究人員在《ACS Appl. Polym. Mater》期刊發表名為“Graphene-Reinforced PVC/PMMA Flexible Substrates for Thin-Film Solar Cells”的論文，研究開發并表征了經石墨烯改性的PVC/PMMA/DOP聚合物共混物，將其作為III-V族薄膜光伏的柔性基底。

該復合材料通過溶液澆鑄法制備，并采用傅里葉變換紅外光譜（FTIR）、拉曼光譜、X射線光電子能譜（XPS）進行化學表征，通過原子力顯微鏡和掃描電子顯微鏡進行形態表征，并通過熱重分析和動態機械分析進行熱機械表征。剝離石墨烯的加入顯著提高了混合物的熱阻，這體現在軟化點提高了約 70 °C，這是由于聚合物鏈的遷移性受到限制所致。此外，玻璃化轉變溫度（Tg）升高、分解起始溫度（Tonset）提升及最大降解速率溫度（Tmax）增加，進一步證實了石墨烯對材料熱穩定性的影響。光譜與顯微分析證實PVC與PMMA具有良好混溶性，并與增塑劑DOP形成有效作用。經優化的PVC/PMMA/DOP復合體系中分散的石墨烯片層，實現了彈性與熱穩定性的最佳平衡，其結構完整性可維持至130℃。這些成果為制備兼具機械強度與熱穩定性的聚合物材料提供了低成本、可規模化的解決方案，該材料可作為柔性高效太陽能電池的理想基底。

2圖文導讀

圖1. FTIR spectra of the blends B2, B5, B9, and B11, and the pure precursor materials PMMA, PVC and DOP.

圖2. Thermogravimetric curves of the blends: (a) B1, B2, B9, B10, B11; and (b) B3, B4, B5.

圖3. Dynamic mechanical analysis of PVC/PMMA/DOP blends: (a) glass-transition temperatures (Tg) determined from the maxima of the tan δ curves; and (b) magnified view of the storage modulus (E′).

圖4. AFM topography of polymer blends B2, B5, B9, and B11 acquired in intermittent-contact mode (2 × 2 μm) (a) topography images. (b) Corresponding RMS surface roughness.

圖5. SEM images of blends B5, B6, B9, and B11: (a) surface top view at 8000× magnification and (b) cross-section at 200× magnification.

3小結

本研究采用不同配比的PVC/PMMA/DOP共混體系（含/不含乙二醇添加劑），旨在合成兼具柔韌性、耐熱性和機械強度的聚合物混合物，以開發適用于柔性III-V族太陽能電池基底的材料。通過多種方法對這些共混物進行全面表征，評估其固有化學、機械和熱學特性，以理解在作為III-V族薄膜材料支撐層前后所觀察到的宏觀力學行為。

傅里葉變換紅外光譜顯示的吸收位移變化證實了共混物的形成，表明PVC中–CHCl基團的氫原子與PMMA中羰基（C═O）的氧原子之間存在相互作用。共混物結構中增塑劑DOP的存在也通過其芳香環特征吸收帶得到驗證。將DOP引入聚合物基體對實現混合物所需柔韌性至關重要，因其能降低分子間作用力并增強鏈移動性，使材料更具可塑性，適合作為柔性基材。拉曼光譜通過檢測到D、G及2D峰，證實了乙二醇（EG）在EG修飾混合物中的存在。

熱分析表明，乙二醇與共混物的聚合物基體發生相互作用，通過增強材料強度和限制鏈移動性來提高耐熱性。然而當DOP含量超過0.5克時，增塑效應占據主導地位，顯著降低聚合物基體的內聚力，導致共混物在100℃以上溫度下結構完整性受損——即使存在乙二醇亦然。

通過原子力顯微鏡（AFM）、掃描電子顯微鏡（SEM）提供的形態結構信息，以及X射線光電子能譜（XPS）的化學分析表明：降低PMMA含量可提升延展性，當需要增強柔韌性時，1.5:0.5的PVC/PMMA比例最為適宜。關于增塑劑，熱分析結果通過SEM、AFM和XPS得到驗證：2克DOP用量過高導致相分離。研究表明0.5克DOP含量能促進聚合物間混溶性，形成更均勻的基體，從而增強基材所需柔韌性（延展性）。

鑒于開發目標是制備具備足夠耐熱性的柔性復合材料以承受III-V族薄膜轉移工藝（需100-130℃加熱），研究發現聚合物基體中摻入乙二醇（EG）可部分抵消增塑劑引入的延展性，同時賦予足夠剛性以提升復合材料的耐熱性，滿足轉移工藝要求。

綜上所述，最佳配比的共混體系（PVC/PMMA/DOP=1.5:0.5:0.5，含20毫克分散乙二醇）相較未改性體系，玻璃化轉變溫度提升約25%，熱穩定性顯著增強，軟化點從60℃躍升至130℃。這些結果表明，乙二醇的加入在保持柔韌性和熱穩定性的同時有效增強了聚合物基體，使該混合物成為有前景的低成本基底，適用于III-V族薄膜光伏集成。后續研究將聚焦于：提升與III-V族半導體層的界面粘合力以實現可靠的薄膜轉移工藝；評估并增強光學透明度，旨在優化光伏器件的光管理性能及潛在封裝效果。此類復合材料有望推動柔性高效光伏技術在可穿戴設備、地面系統曲面或可變形表面等廣泛領域的應用。

文獻：
https://doi.org/10.1021/acsapm.5c03720

來源：材料分析與應用