柔性轻质基底对新一代太阳能电池至关重要，其不仅拓展了应用场景，更显著降低了制造、物流及运营成本。然而，多数聚合物材料缺乏薄膜光伏工艺所需的热稳定性和机械稳定性。本文，里约热内卢天主教大学Luciana Dornelas Pinto等研究人员在《ACS Appl. Polym. Mater》期刊发表名为“Graphene-Reinforced PVC/PMMA Flexible Substrates for Thin-Film Solar Cells”的论文，研究开发并表征了经石墨烯改性的PVC/PMMA/DOP聚合物共混物，将其作为III-V族薄膜光伏的柔性基底。
该复合材料通过溶液浇铸法制备，并采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、拉曼光谱、X射线光电子能谱（XPS）进行化学表征，通过原子力显微镜和扫描电子显微镜进行形态表征，并通过热重分析和动态机械分析进行热机械表征。剥离石墨烯的加入显著提高了混合物的热阻，这体现在软化点提高了约 70 °C，这是由于聚合物链的迁移性受到限制所致。此外，玻璃化转变温度（Tg）升高、分解起始温度（Tonset）提升及最大降解速率温度（Tmax）增加，进一步证实了石墨烯对材料热稳定性的影响。光谱与显微分析证实PVC与PMMA具有良好混溶性，并与增塑剂DOP形成有效作用。经优化的PVC/PMMA/DOP复合体系中分散的石墨烯片层，实现了弹性与热稳定性的最佳平衡，其结构完整性可维持至130℃。这些成果为制备兼具机械强度与热稳定性的聚合物材料提供了低成本、可规模化的解决方案，该材料可作为柔性高效太阳能电池的理想基底。
本研究采用不同配比的PVC/PMMA/DOP共混体系（含/不含乙二醇添加剂），旨在合成兼具柔韧性、耐热性和机械强度的聚合物混合物，以开发适用于柔性III-V族太阳能电池基底的材料。通过多种方法对这些共混物进行全面表征，评估其固有化学、机械和热学特性，以理解在作为III-V族薄膜材料支撑层前后所观察到的宏观力学行为。
傅里叶变换红外光谱显示的吸收位移变化证实了共混物的形成，表明PVC中–CHCl基团的氢原子与PMMA中羰基（C═O）的氧原子之间存在相互作用。共混物结构中增塑剂DOP的存在也通过其芳香环特征吸收带得到验证。将DOP引入聚合物基体对实现混合物所需柔韧性至关重要，因其能降低分子间作用力并增强链移动性，使材料更具可塑性，适合作为柔性基材。拉曼光谱通过检测到D、G及2D峰，证实了乙二醇（EG）在EG修饰混合物中的存在。
热分析表明，乙二醇与共混物的聚合物基体发生相互作用，通过增强材料强度和限制链移动性来提高耐热性。然而当DOP含量超过0.5克时，增塑效应占据主导地位，显著降低聚合物基体的内聚力，导致共混物在100℃以上温度下结构完整性受损——即使存在乙二醇亦然。
通过原子力显微镜（AFM）、扫描电子显微镜（SEM）提供的形态结构信息，以及X射线光电子能谱（XPS）的化学分析表明：降低PMMA含量可提升延展性，当需要增强柔韧性时，1.5:0.5的PVC/PMMA比例最为适宜。关于增塑剂，热分析结果通过SEM、AFM和XPS得到验证：2克DOP用量过高导致相分离。研究表明0.5克DOP含量能促进聚合物间混溶性，形成更均匀的基体，从而增强基材所需柔韧性（延展性）。
鉴于开发目标是制备具备足够耐热性的柔性复合材料以承受III-V族薄膜转移工艺（需100-130℃加热），研究发现聚合物基体中掺入乙二醇（EG）可部分抵消增塑剂引入的延展性，同时赋予足够刚性以提升复合材料的耐热性，满足转移工艺要求。
综上所述，最佳配比的共混体系（PVC/PMMA/DOP=1.5:0.5:0.5，含20毫克分散乙二醇）相较未改性体系，玻璃化转变温度提升约25%，热稳定性显著增强，软化点从60℃跃升至130℃。这些结果表明，乙二醇的加入在保持柔韧性和热稳定性的同时有效增强了聚合物基体，使该混合物成为有前景的低成本基底，适用于III-V族薄膜光伏集成。后续研究将聚焦于：提升与III-V族半导体层的界面粘合力以实现可靠的薄膜转移工艺；评估并增强光学透明度，旨在优化光伏器件的光管理性能及潜在封装效果。此类复合材料有望推动柔性高效光伏技术在可穿戴设备、地面系统曲面或可变形表面等广泛领域的应用。
文献：https://doi.org/10.1021/acsapm.5c03720
本文来自材料分析与应用，本文观点不代表石墨烯网立场，转载请联系原作者。
