朱淼 李昕明 朱宏偉

傳統(tǒng)能源如石油、天然氣和煤炭等大量開采和消耗，使其儲量已接近枯竭。能源短缺已成為當(dāng)前制約世界各國經(jīng)濟社會發(fā)展的主要問題。我國已連續(xù)多年成為世界上最大的能源消耗國，年能源消耗占到全球總量的1/5。因此，我國未來所面臨的能源問題尤其嚴(yán)重，尋找新的替代能源迫在眉睫。

太陽能是一種清潔友好的新能源，其儲量巨大，分布廣泛，被普遍認(rèn)為在未來的能源使用中具有光明的前景。太陽能電池便是基于光伏效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的器件。1954年，美國貝爾實驗室第1次報道了光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)6%的單晶硅pn結(jié)型太陽能電池，成為了太陽能發(fā)電史上的里程碑[1]。經(jīng)過數(shù)十年的研究和發(fā)展，今天可用于制作太陽能電池的材料已有硅（單晶、多晶、非晶）、砷化鎵、銅銦鎵硒（CIGS）等多種。此外，還包括有機薄膜電池和染料敏化電池等多種形式的太陽能電池。但由于材料成本及制作工藝所限，當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛、所占市場份額最高的還是晶體硅太陽能電池。其中，單晶硅太陽能電池所能達(dá)到的轉(zhuǎn)換效率約為25%，多晶硅太陽能電池約為20%左右[2]。

一、石墨烯-硅太陽能電池

石墨烯作為一種性能優(yōu)異的二維納米碳材料，具有極高的電子遷移率和良好的透光性，十分適合用作太陽能電池的透明導(dǎo)電材料。在有機太陽電池及染料敏化電池等領(lǐng)域，石墨烯已可取代成本較高的氧化銦錫（ITO）來制作電池的透明電極[3，4]。由于石墨烯的功函數(shù)（約4.5eV）高于硅的功函數(shù)4.31eV，若將石墨烯與硅直接進(jìn)行接觸，二者可形成異質(zhì)結(jié)，當(dāng)太陽光照射到其表面時，硅中的價電子吸收入射光中的光子能量發(fā)生躍遷，從而形成電子-空穴對。在內(nèi)建電場的作用下，電子-空穴對被分離，并可經(jīng)由石墨烯和硅傳輸?shù)酵怆娐樊?dāng)中，實現(xiàn)太陽能到電能的轉(zhuǎn)換?；谶@樣的原理，Li等人于2010年提出石墨烯-硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池模型（圖1），其轉(zhuǎn)換效率為1.5%左右[5，6]。

在該結(jié)構(gòu)中，n型硅的上表面四周覆有一層二氧化硅，以方便上電極的引出。石墨烯同時充當(dāng)透明導(dǎo)電層及與硅形成異質(zhì)結(jié)的功能層的作用，充分利用了石墨烯優(yōu)異的性能。由圖1可以看出，該模型結(jié)構(gòu)簡單，僅需將石墨烯轉(zhuǎn)移至硅基底直接進(jìn)行搭接即可實現(xiàn)。石墨烯-硅太陽能電池現(xiàn)已成為石墨烯在太陽能利用中的典型器件之一，相關(guān)的研究也使其光電轉(zhuǎn)換效率不斷提升。在后續(xù)的研究工作中，經(jīng)過對石墨烯制備及組裝工藝的優(yōu)化，電池原始效率（未經(jīng)優(yōu)化）已達(dá)5.5%[7]。

石墨烯-硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率還可通過多種方式進(jìn)行提升，根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)報道，主要有化學(xué)摻雜、光學(xué)減反和增加界面功能層3類方法。

1.化學(xué)摻雜

通過合適的化學(xué)物質(zhì)對石墨烯進(jìn)行摻雜以增加器件回路中的載流子濃度，從而提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率?？蛇x用的物質(zhì)包括硝酸、氯化亞砜、聚乙烯醇等。采用硝酸及氯化亞砜蒸汽處理可使石墨烯-硅太陽能電池的效率從5.5%分別提升至8.9%和9.3%[7]，聚乙烯醇可使網(wǎng)狀石墨烯-硅電池的效率從6.43%提升至11.03%[8]。此外，還有TFSA[9]、氯化金[10]等多種物質(zhì)可起到提升電池效率的作用。該種方法的優(yōu)勢是其可以作為一種通用的后處理方法應(yīng)用于各類石墨烯-硅電池的效率提升，且效果明顯，方法簡單，但其普遍存在穩(wěn)定性較差的問題，這有待于進(jìn)一步的研究解決。

2.光學(xué)減反

通過對電池的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計或增加減反層來減少器件表面對光的反射是提高太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的常用方法，在傳統(tǒng)的太陽能電池中也都通常具有相應(yīng)的減反結(jié)構(gòu)設(shè)計。對于石墨烯-硅太陽能電池，可將硅制成納米線或納米孔結(jié)構(gòu)以達(dá)到減反的效果，相應(yīng)的電池效率可達(dá)8.71%和10.3%[11]，而采用在器件表面旋涂二氧化鈦減反層的方法并聯(lián)合使用化學(xué)摻雜處理可將器件效率提升至14.5%[12]。

3.增加界面功能層

在石墨烯與硅之間增加一層界面功能層也可提升器件效率。通過在石墨烯與硅之間引入一層較薄的氧化石墨烯并聯(lián)合使用化學(xué)摻雜及光學(xué)減反的方法將器件效率提升至12.3%[13]。氧化石墨烯層在其中實際起到了p型摻雜的作用。通過調(diào)控硅表面的二氧化硅氧化層進(jìn)一步將效率提升至15.6%[14]。

回顧石墨烯-硅太陽能電池的發(fā)展歷程，其效率從最初的1.5%（2010年）已提升至現(xiàn)在的15.6%（2015年），發(fā)展可謂十分迅速，其路線圖如圖2所示。

石墨烯-硅光電模型在歐盟石墨烯旗艦項目執(zhí)行委員會主席Andrea Ferrari和石墨烯專家Rodney Ruoff撰寫的綜述中被列為石墨烯太陽能電

池6個代表性結(jié)構(gòu)之一[16，1（7]如圖3所

示）。除應(yīng)用于太陽能電池方面，還可用于實現(xiàn)太陽能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化，如光電催化制氫，利用該結(jié)構(gòu)中的石墨稀-硅異質(zhì)結(jié)吸收太陽光并產(chǎn)生光生載流子，在表面負(fù)載催化劑的作用下即可實現(xiàn)分解水制氫。另外，該模型的推廣應(yīng)用還包括勢壘晶體管、場效應(yīng)光電器件、超靈敏光電探測、氣體傳感、近場熱光電池、太赫茲調(diào)制及探測等。

二、應(yīng)用前景及存在的問題

由上述分析可以看出，石墨烯自身的優(yōu)異性質(zhì)十分適合應(yīng)用于太陽能電池領(lǐng)域，且基于石墨烯-硅的太陽能電池在短短5年時間內(nèi)效率已提高了10倍，其值已超過了傳統(tǒng)的非晶硅太陽能電池（約10%），具有很好的應(yīng)用前景和很大的發(fā)展空間。然而，基于石墨烯的太陽能電池現(xiàn)在大多還處于實驗室研發(fā)階段，將其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用依然面臨著如下亟待解決的問題。

1.石墨烯的規(guī)?；苽?/p>

目前用于石墨烯規(guī)?；苽涞姆椒ㄖ饕腔瘜W(xué)氣相沉積法和氧化還原法2種?；瘜W(xué)氣相沉積法制備石墨烯需要使用銅或其他過渡金屬作為基底，在高溫下通入甲烷等碳源制備，生長時間長、能耗高、產(chǎn)量低，目前來說成本高昂，且后續(xù)還要經(jīng)過復(fù)雜的工序才能將其轉(zhuǎn)移至所需基底上，這些都嚴(yán)重阻礙了石墨烯的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。氧化還原法制備石墨烯雖然可以在液相環(huán)境中批量制備，且可通過多種液體成膜的方法（如旋涂法、提拉法等）方便的使其在硅表面成膜，但該種方法制備的石墨烯結(jié)構(gòu)缺陷多，還原劑不易去除，使得器件的光電轉(zhuǎn)換效率較化學(xué)氣相沉積法制備的太陽能電池有很大差距。因此，發(fā)展低成本、高質(zhì)量的石墨烯制備方法是實現(xiàn)石墨烯-硅太陽能電池產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的重點也是難點之一。

2.電池的組裝工藝

石墨烯-硅太陽能電池組裝的主要瓶頸之一在于石墨烯的轉(zhuǎn)移。在保證石墨烯連續(xù)性的條件下，實現(xiàn)石墨烯在硅表面的大面積轉(zhuǎn)移，尤其是將其工業(yè)化仍然面臨著很大的挑戰(zhàn)。國內(nèi)多家石墨烯公司近年來已實現(xiàn)了化學(xué)氣相沉積法連續(xù)制備石墨烯并將其轉(zhuǎn)移至柔性高分子材料如聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）表面。該工藝可為石墨烯在硅表面的轉(zhuǎn)移及石墨烯-硅太陽能電池的組裝提供借鑒。另外，為保證器件性能的穩(wěn)定性及壽命，需對器件進(jìn)行適當(dāng)封裝，并在石墨烯表面涂覆一定的保護(hù)層，相應(yīng)的工藝也有待進(jìn)一步開發(fā)。

3.光電轉(zhuǎn)換效率的提升

雖然石墨烯-硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率較其問世之初已有了很大提升，但其與晶體硅電池相比還有一定差距，進(jìn)一步提升的空間也比較大。然而，目前所采用的電池效率提升手段還不太理想，穩(wěn)定性尚需進(jìn)一步提升，并避免使用貴金屬等昂貴的材料，以大大降低其制備成本。后續(xù)工作需在一定程度上進(jìn)一步加強石墨烯做為碳材料高儲量、可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)勢，開發(fā)簡單、高效的電池效率提升方法也是發(fā)展石墨烯-硅太陽能電池所面臨的關(guān)鍵問題。

三、結(jié)語

綜上所述，石墨烯-硅太陽能電池不僅結(jié)構(gòu)簡單，且石墨烯作為一種碳材料，其與硅在地球上的儲量均極為豐富，將二者應(yīng)用于太陽能領(lǐng)域既清潔環(huán)保，又符合可持續(xù)發(fā)展的要求。石墨烯-硅太陽能電池經(jīng)過不斷的研究和改進(jìn)其光電轉(zhuǎn)換效率已取得了顯著的提升，并仍有很大的提升空間。然而，將其工業(yè)化生產(chǎn)并實現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用仍面臨材料制備、組裝工藝及進(jìn)一步提高效率等諸多問題，挑戰(zhàn)與機遇共存。石墨烯-硅太陽能電池現(xiàn)已成為石墨烯基太陽能電池中的重要類型之一，隨著研究的不斷深入，逐步明確產(chǎn)品開發(fā)模式和市場定位，充分發(fā)揮其高效、輕質(zhì)、柔性、便攜的特點，面向柔性、便攜電子與能源器件（例如以光伏充電為主）應(yīng)用，力爭與現(xiàn)有電子設(shè)備無縫集成，相信其必將具有良好的發(fā)展前景。

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