鉅大LARGE | 點擊量：1394次 | 2021年09月13日
研究發現石墨烯太陽能電池能取得最高效率
利用石墨烯良好的電學和光學性能，再摻雜一種有機物，研究人員就取得了迄今最高的能量轉換效率，他們做的是石墨烯為基礎的太陽能電池。無摻雜設備的能量轉換效率是1.9％，摻雜后提高4倍多，達到8.6％。
石墨烯為基礎的肖特基結太陽能電池：（a）無摻雜，b）有摻雜，（c）圖中有摻雜的太陽能電池顯示接觸器和接觸導線。來源：美國化學學會
這些研究人員中，領導是塞法汀通蓋（SefaattinTongay）和亞瑟F.赫巴德（ArthurF.Hebard），他們來自蓋恩斯維爾（Gainesville）佛羅里達大學（UniversityofFlorida），他們的研究探討高效率石墨烯太陽能電池，發表在五月三日的《納米快報》（NanoLetters）上。
在這里，我們不僅利用了石墨烯優異的光學透明性，而且降低了石墨烯的電阻，調整石墨烯的費米能級（Fermilevel），使用的是廉價環保的有機涂層。通蓋說，在這一步，自然屬性對我們很有利，在接口上出現了較高的整流和電場，進一步提高了太陽能電池的效率。
在新的太陽能電池中，單層石墨烯放在硅片上，用作肖特基結（Schottkyjunction），重要組成部分就是簡單的光伏設備，稱為肖特基結太陽能電池（Schottkyjunctionsolarcells）。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
在光照條件下，電子-空穴對（electron-holepairs）會在硅中因光出現。光生電子和空穴被分離，就是因為肖特基結內置的電勢，它們會被收集到帶相反電荷的石墨烯和半導體接觸器上。這種單向流動的電流（電子流朝著一個方向，空穴朝著另一個反向）是肖特基結規定的屬性，可以使設備發電。
石墨烯為基礎的肖特基結太陽能電池在過去也演示過，這里，研究人員邁出了新的一步，摻雜石墨烯時采用有機化學品三氟甲磺酸（TFSA：trifloromethanesulfonicacid），他們使用了簡單的旋涂法（spin-castingmethod）。
摻雜使研究人員可以調整石墨烯的費米水平（可衡量電子電勢能量），這帶來了兩個變化，可提高太陽能電池的整體效率：降低了石墨烯的電阻，提高了太陽能電池的內置電勢，這就可以更加有效地分離電子-空穴對，這些電子空穴對是由所吸收的光子出現的。
有了8.6％的效率，這種摻雜器件就顯著提高了效率，超過其他基于石墨烯的肖特基結太陽能電池，這些電池迄今已證實的電能量轉換效率是0.1％到2.86％不等。
肖特基結太陽能電池使用銦錫氧化物（indiumtinoxide），相比之下，太陽能電池使用石墨烯有幾個優勢。例如，可以調整石墨烯的性質，優化太陽能電池的效率，而且石墨烯層也可用于硅以外的半導體。
研究人員希望，這里使用的方法簡單而且具有可擴展性，可以進一步改進設備，并在未來進入實際應用。
我們期望，這一效率可以進一步提高，因為可以設計工程接口，使用不同的有機涂料層，出現更高的摻雜效應，也可以提高石墨烯的質量和轉運程序，使用防反射層，還有很多其他方法，都是太陽能電池界所了解的，通蓋說。這僅僅是一個開始。
赫巴德說，進一步發現石墨烯的物理屬性，會帶來更高效、廉價的太陽能電池。
我們介紹的能量轉換效率可以提高，只要簡單地使用一種穩定的有機覆蓋層，這僅僅是一個開始，他說。石墨烯及其衍生物不斷地給我們帶來驚喜，因為具有不同尋常的性質（強度，彈性，擴散屏障，可調諧的費米能級，線性電子光譜等）。進一步的發展也會實現，可以更深入的理解物理學，就是進入的光子如何有效地出現電子和空穴，然后又被分離和收集，就采用我們介紹的配置。這方面的知識應該用于尋找硅的替代物，比如有機物和聚合物，它們更便宜，可大面積使用。
很顯然，石墨烯及其衍生物的研究已經廣為人知；我們期望，我們對太陽能電池的研究會繼續下去。
更多信息：《高效率石墨烯太陽能電池采用化學摻雜》（HighEfficiencyGrapheneSolarCellsbyChemicalDoping）。《納米快報》，2012年五月三日。
我們演示了單層石墨/n型硅肖特基結太陽能電池（singlelayergraphene/n-SiSchottkyjunctionsolarcells），采用AM1.5強度的光照，表現出的能量轉換效率（PCE）是8.6％。這一性能的取得，是因為摻雜石墨烯與雙(三氟甲烷磺酰)亞胺（bis(trifluoromethanesulfonyl)amide），這樣會超過原生（無摻雜）設備性能4.5倍，是迄今能量轉換效率最高的石墨烯基太陽能電池。電流-電壓、電容-電壓，以及外部量子效率的測量都表明有提高，原因就是摻雜誘導，轉變了石墨烯的化學位（chemicalpotential），提高了石墨載流密度（降低了電池串聯電阻）。而且提高了電池的內置電勢（提高開路電壓），這兩者都提高了太陽能電池的填充因子（fillfactor）。
