1成果簡介

柔性輕質(zhì)基底對新一代太陽能電池至關(guān)重要，其不僅拓展了應(yīng)用場景，更顯著降低了制造、物流及運營成本。然而，多數(shù)聚合物材料缺乏薄膜光伏工藝所需的熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性。本文，里約熱內(nèi)盧天主教大學Luciana Dornelas Pinto等研究人員在《ACS Appl. Polym. Mater》期刊發(fā)表名為“Graphene-Reinforced PVC/PMMA Flexible Substrates for Thin-Film Solar Cells”的論文，研究開發(fā)并表征了經(jīng)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(fù)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(tài)表征，并通過熱重分析和動態(tài)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(xiàn)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(zhuǎn)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(wěn)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(jīng)優(yōu)化的PVC/PMMA/DOP復(fù)合體系中分散的石墨烯片層，實現(xiàn)了彈性與熱穩(wěn)定性的最佳平衡，其結(jié)構(gòu)完整性可維持至130℃。這些成果為制備兼具機械強度與熱穩(wěn)定性的聚合物材料提供了低成本、可規(guī)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(dǎo)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(jié)

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(fā)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(jié)構(gòu)中增塑劑DOP的存在也通過其芳香環(huán)特征吸收帶得到驗證。將DOP引入聚合物基體對實現(xiàn)混合物所需柔韌性至關(guān)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(fā)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(yīng)占據(jù)主導(dǎo)地位，顯著降低聚合物基體的內(nèi)聚力，導(dǎo)致共混物在100℃以上溫度下結(jié)構(gòu)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(tài)結(jié)構(gòu)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(guān)于增塑劑，熱分析結(jié)果通過SEM、AFM和XPS得到驗證：2克DOP用量過高導(dǎo)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(fā)目標是制備具備足夠耐熱性的柔性復(fù)合材料以承受III-V族薄膜轉(zhuǎn)移工藝（需100-130℃加熱），研究發(fā)現(xiàn)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(fù)合材料的耐熱性，滿足轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變溫度提升約25%，熱穩(wěn)定性顯著增強，軟化點從60℃躍升至130℃。這些結(jié)果表明，乙二醇的加入在保持柔韌性和熱穩(wěn)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(xù)研究將聚焦于：提升與III-V族半導(dǎo)體層的界面粘合力以實現(xiàn)可靠的薄膜轉(zhuǎn)移工藝；評估并增強光學透明度，旨在優(yōu)化光伏器件的光管理性能及潛在封裝效果。此類復(fù)合材料有望推動柔性高效光伏技術(shù)在可穿戴設(shè)備、地面系統(tǒng)曲面或可變形表面等廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用。

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

來源：材料分析與應(yīng)用