太阳能电池的2D材料

无机晶体硅太阳能电池占据了90%以上的市场份额，尽管最近在开发有机和钙钛矿等新型结构和材料方面的研究工作激增。

大多数商用太阳能电池使用结晶硅作为吸收层的原因包括长期稳定性、硅的丰富性、相对较低的制造成本、其他元素掺杂的能力以及天然氧化物钝化层。

然而，晶体硅的间接带隙性质使它成为一个较差的光发射器，限制了它的太阳能转换效率。

例如，与钙钛矿非凡的高吸光系数相比，硅需要1000倍以上的材料才能吸收相同数量的阳光。

为了降低每瓦成本，提高未来几代太阳能电池的每克功率利用率，降低有源吸收器的厚度是一个关键的设计要求。

这就是像石墨烯这样的新型二维(2D)材料发挥作用的地方，因为它们可以制造更薄、更轻、更灵活的太阳能电池。

目前已经报道了几种石墨烯太阳能电池的实验设计，石墨烯作为电池的不同部分。

石墨烯和其他直接带隙单分子层材料，如过渡金属双卤代烃(TMDCs)、黑磷等，由于其优异的电子输运性能和极高的载流子迁移率，在低成本、灵活、高效的光伏器件中具有巨大的应用潜力。

不同二维半导体材料族带隙值的比较。同时展示了晶体结构，突出了不同科之间的异同。灰色水平条表示可以通过

最近一篇关于先进材料的综述(“石墨烯和其他2D材料在太阳能光伏中的作用”)全面概述了目前基于2D材料的太阳能光伏的最新技术。

它描述了石墨烯、石墨烯基材料和其他用于太阳能光伏的2D材料(包括硅基太阳能电池、有机和钙钛矿太阳能电池)的最新进展。

石墨烯太阳能电池

在综述的第一部分中，作者介绍了掺杂和未掺杂石墨烯作为超薄透明导电电极和硅基太阳能电池的肖特基势垒结层(空穴收集器)的作用。

本节还讨论了石墨烯(未掺杂/掺杂)作为有机/钙钛矿太阳能电池的电荷传输层/透明电极。

在太阳能电池中，由于界面上两种不同材料之间的势能势垒而形成的电场能够将材料内部吸收光而产生的电子和空穴分离开来。

根据界面材料的类型，有三种类型的结:同结、异质结(形成于具有不同能带隙的半导体之间)和肖特基结(发生带弯曲的金属-半导体结)。

虽然石墨烯可以更好地将光传输到半导体中，但它也与硅形成肖特基势垒结，从而有效地分离电子-空穴对并收集载流子。

作者详细讨论了石墨烯作为透明导电电极和结层(空穴收集器)在石墨烯-硅太阳能电池中的作用。

ITO作为有机和钙钛矿基太阳能电池的透明导电电极具有重要作用，但也存在一些不足。

在这些有机太阳能电池中，石墨烯——由于其高导电性、理想的工作功能和最佳的表面形态——可以作为ITO的潜在替代品，同时在透明度、导电性、灵活性方面提供类似的性能，具有更高的材料利用率和更低的加工成本。

综述了石墨烯基电极材料、电荷传输层材料、有机太阳能电池的十年期材料以及钙钛矿太阳能电池的电荷传输层和稳定材料的作用。

石墨烯和其他先进太阳能电池的2D材料

石墨烯和其他先进太阳能电池的2D材料

不同类型的2d材料太阳能电池示意图

超越石墨烯的二维材料在太阳能电池应用中的作用。

理论上，一个亚纳米厚度的TMDC单层膜可以吸收50nmSi或15nm砷化镓(GaAs)的阳光，因此可以产生高达4.5mAcm-2的电流。

作者讨论并计算了TDMCs在硅基太阳能电池、有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池中的潜在性能。

超薄二维/二维异质结太阳能电池的概念

作者指出，“从光伏的角度来看，全2d太阳能电池的想法似乎不是很有效，因为传统使用的活性材料要厚得多，从而吸收更多的阳光。”

然而，有趣的是，这种太阳能电池有潜力超越基于Si和GaAs的传统光伏电池的性能。

TMDCs在光谱的可见光到近红外波段有一个带隙，这使它们成为太阳能电池应用的理想材料。”

“此外，作为单层厚度的直接带隙半导体，它们具有很高的辐射效率。

再加上它们每单位厚度的吸收系数(大于Si、GaAs和钙钛矿)显著提高，使得它们适合于高度吸收超薄光伏器件。

具有锋利、干净界面的原子薄层的强吸收使得活性物质的每克利用率达到最高。”

新一代的2d光电

在综述的最后一部分，将讨论基于2D材料的下一代概念，如串联式和热载流子太阳能电池，以及能量收集和存储设备的芯片集成设计，从而实现一种理想的太阳能电池，在这种电池中可以收集任何吸收光子的全部能量。

总结他们的审查，作者提出了一个简短的展望，以满足挑战和要求的下一代2D光伏低成本和高生产率。

“我们认为石墨烯已经显示出巨大的研究和工业潜力，可以被纳入光伏技术的标准路线图。

为此目的的一个担忧是，它必须与现有的硅和铟锡氧化物等材料的生产工艺和供应链竞争。

然而，我们认为，具有巨大潜力的材料应该始终相互补充和赞美，而不是相互竞争。”