石墨烯是一種典型的二維納米材料，具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等性能，在能源與電子等領(lǐng)域中具有應(yīng)用前景。2010年，中國(guó)科研人員首次提出并實(shí)現(xiàn)了石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池，該模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并有望與現(xiàn)有的半導(dǎo)體工藝結(jié)合，并被認(rèn)為是石墨烯太陽(yáng)能電池應(yīng)用研究的重要結(jié)構(gòu)之一（圖1）。

 

圖1 基于石墨烯的各種太陽(yáng)能電池模型結(jié)構(gòu)

最近，美國(guó)麻省理工學(xué)院與中國(guó)清華大學(xué)、國(guó)家納米科學(xué)中心等科研人員合作研究了石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)的界面狀態(tài)（圖2）。通過(guò)討論該異質(zhì)結(jié)的界面狀態(tài)，優(yōu)化了該模型的結(jié)構(gòu)，并最終實(shí)現(xiàn)了15.6%的光電轉(zhuǎn)換效率。該結(jié)果為石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池報(bào)道的最高記錄，也是石墨烯各類(lèi)型太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率的最高結(jié)果之一。該研究不僅有助于理解石墨烯/硅的結(jié)構(gòu)模型，還為其他類(lèi)似的二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究提供了思路和借鑒。通過(guò)對(duì)石墨烯與太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極材料中的充分利用，將有效的增強(qiáng)電子的傳輸速度，進(jìn)一步降低電子之間的復(fù)合，從而實(shí)現(xiàn)光陽(yáng)極對(duì)于染料的吸附能力，提高DSSC 的綜合光電轉(zhuǎn)換效率。部分相關(guān)學(xué)者選擇通過(guò)低溫互凝結(jié)的方式促進(jìn)石墨烯與TiO2的符合，發(fā)現(xiàn)在二者的比例為1 比20 的狀態(tài)下，復(fù)合的效果相對(duì)較好。在使用此狀態(tài)下的復(fù)合物作為光陽(yáng)極的DSSC 的效率更高于其他復(fù)合物的效率。另外，還有專(zhuān)家學(xué)者將不同含量的石墨烯與TiO2粉末進(jìn)行混合，并用其溶液以旋轉(zhuǎn)涂覆方式覆蓋到ITO 的玻璃上，以制備出光陽(yáng)極。結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)石墨烯的含量為百分之一的狀態(tài)下，太陽(yáng)能電池的綜合效率達(dá)到最高值。

 

太陽(yáng)能電池是石墨烯應(yīng)用的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。石墨烯幾乎對(duì)所有紅外線具有高透明性，有利于提升光能利用率。透光率升高會(huì)導(dǎo)致載流子密度降低，但由于石墨烯具有非常高的載流子遷移率，即使載流子密度非常小，也能確保一定的導(dǎo)電率，可以作為太陽(yáng)能電池中的受體材料。