研究发现石墨烯太阳能电池能取得最高效率

利用石墨烯良好的电学和光学性能，再掺杂一种有机物，研究人员就取得了迄今最高的能量转换效率，他们做的是石墨烯为基础的太阳能电池。无掺杂设备的能量转换效率是1.9％，掺杂后提高4倍多，达到8.6％。

石墨烯为基础的肖特基结太阳能电池：（a）无掺杂，b）有掺杂，（c）图中有掺杂的太阳能电池显示接触器和接触导线。来源：美国化学学会

这些研究人员中，领导是塞法汀通盖（SefaattinTongay）和亚瑟F.赫巴德（ArthurF.Hebard），他们来自盖恩斯维尔（Gainesville）佛罗里达大学（UniversityofFlorida），他们的研究探讨高效率石墨烯太阳能电池，发表在五月三日的《纳米快报》（NanoLetters）上。

在这里，我们不仅利用了石墨烯优异的光学透明性，而且降低了石墨烯的电阻，调整石墨烯的费米能级（Fermilevel），使用的是廉价环保的有机涂层。通盖说，在这一步，自然属性对我们很有利，在接口上出现了较高的整流和电场，进一步提高了太阳能电池的效率。

在新的太阳能电池中，单层石墨烯放在硅片上，用作肖特基结（Schottkyjunction），重要组成部分就是简单的光伏设备，称为肖特基结太阳能电池（Schottkyjunctionsolarcells）。

在光照条件下，电子-空穴对（electron-holepairs）会在硅中因光出现。光生电子和空穴被分离，就是因为肖特基结内置的电势，它们会被收集到带相反电荷的石墨烯和半导体接触器上。这种单向流动的电流（电子流朝着一个方向，空穴朝着另一个反向）是肖特基结规定的属性，可以使设备发电。

石墨烯为基础的肖特基结太阳能电池在过去也演示过，这里，研究人员迈出了新的一步，掺杂石墨烯时采用有机化学品三氟甲磺酸（TFSA：trifloromethanesulfonicacid），他们使用了简单的旋涂法（spin-castingmethod）。

掺杂使研究人员可以调整石墨烯的费米水平（可衡量电子电势能量），这带来了两个变化，可提高太阳能电池的整体效率：降低了石墨烯的电阻，提高了太阳能电池的内置电势，这就可以更加有效地分离电子-空穴对，这些电子空穴对是由所吸收的光子出现的。

有了8.6％的效率，这种掺杂器件就显着提高了效率，超过其他基于石墨烯的肖特基结太阳能电池，这些电池迄今已证实的电能量转换效率是0.1％到2.86％不等。

肖特基结太阳能电池使用铟锡氧化物（indiumtinoxide），相比之下，太阳能电池使用石墨烯有几个优势。例如，可以调整石墨烯的性质，优化太阳能电池的效率，而且石墨烯层也可用于硅以外的半导体。

研究人员希望，这里使用的方法简单而且具有可扩展性，可以进一步改进设备，并在未来进入实际应用。

我们期望，这一效率可以进一步提高，因为可以设计工程接口，使用不同的有机涂料层，出现更高的掺杂效应，也可以提高石墨烯的质量和转运程序，使用防反射层，还有很多其他方法，都是太阳能电池界所了解的，通盖说。这仅仅是一个开始。

赫巴德说，进一步发现石墨烯的物理属性，会带来更高效、廉价的太阳能电池。

我们介绍的能量转换效率可以提高，只要简单地使用一种稳定的有机覆盖层，这仅仅是一个开始，他说。石墨烯及其衍生物不断地给我们带来惊喜，因为具有不同寻常的性质（强度，弹性，扩散屏障，可调谐的费米能级，线性电子光谱等）。进一步的发展也会实现，可以更深入的理解物理学，就是进入的光子如何有效地出现电子和空穴，然后又被分离和收集，就采用我们介绍的配置。这方面的知识应该用于寻找硅的替代物，比如有机物和聚合物，它们更便宜，可大面积使用。

很显然，石墨烯及其衍生物的研究已经广为人知；我们期望，我们对太阳能电池的研究会继续下去。

更多信息：《高效率石墨烯太阳能电池采用化学掺杂》（HighEfficiencyGrapheneSolarCellsbyChemicalDoping）。《纳米快报》，2012年五月三日。

我们演示了单层石墨/n型硅肖特基结太阳能电池（singlelayergraphene/n-SiSchottkyjunctionsolarcells），采用AM1.5强度的光照，表现出的能量转换效率（PCE）是8.6％。这一性能的取得，是因为掺杂石墨烯与双(三氟甲烷磺酰)亚胺（bis(trifluoromethanesulfonyl)amide），这样会超过原生（无掺杂）设备性能4.5倍，是迄今能量转换效率最高的石墨烯基太阳能电池。电流-电压、电容-电压，以及外部量子效率的测量都表明有提高，原因就是掺杂诱导，转变了石墨烯的化学位（chemicalpotential），提高了石墨载流密度（降低了电池串联电阻）。而且提高了电池的内置电势（提高开路电压），这两者都提高了太阳能电池的填充因子（fillfactor）。