石墨烯是一種碳的同素異形體，其原子排列成蜂窩晶格結(jié)構(gòu)，由于其迷人和奇異的材料特性而引起了人們的極大興趣。石墨烯是一種具有雙極電特性的零帶隙半金屬，也顯示出優(yōu)異的機(jī)械性能，具有高楊氏模量( 1.1 TPa )、高導(dǎo)熱率(室溫下(3 × 103 W m−1 K−1  )和非常大的比表面積(2630 m2 g−1)。石墨烯表現(xiàn)出令人稱道的光學(xué)性能，具有高透明度(可見光光譜中的97.7 %透射率)和優(yōu)異的電學(xué)性能，具有高電導(dǎo)率(≈104 Ω−1cm−1)。具有這種優(yōu)異性能的石墨烯被用在各種應(yīng)用，例如電子；光子和光電電路；自旋電子學(xué)；能量儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)換；輕薄柔性但耐用的顯示屏；各種生物醫(yī)學(xué)設(shè)備；以及石墨烯基智能材料等新興領(lǐng)域。石墨烯在節(jié)能應(yīng)用中很廣泛，以實(shí)現(xiàn)高性能、高效、低成本、輕質(zhì)和柔性的能源設(shè)備，滿足世界范圍內(nèi)有限的能源資源。跟隨著石墨烯的步伐，其他原子級(jí)厚度的層狀半導(dǎo)體2D材料以其固有的獨(dú)特性質(zhì)進(jìn)入人們的視線。由于具有固有的帶隙和不同的晶體結(jié)構(gòu)，這些2D材料已經(jīng)成為與下一代電子和光電子相關(guān)的各種應(yīng)用的優(yōu)質(zhì)的候選材料。

成果簡(jiǎn)介

2D材料由于其出眾的光學(xué)和電子特性而吸引了相當(dāng)多的關(guān)注，并顯示出在下一代太陽能電池和其他光電器件應(yīng)用的巨大潛力。隨著光伏產(chǎn)業(yè)向更薄的活性材料趨勢(shì)發(fā)展，二維材料原子級(jí)的厚度和高度的柔性使得它們成為在未來一代光伏技術(shù)集成中的優(yōu)選。石墨烯具有高透明度和導(dǎo)電性，不僅可以用作太陽能電池中的電極，而且它的雙極電傳輸也使它能夠同時(shí)用作正極和負(fù)極。石墨烯以外的2D材料，如過渡金屬二硫化物，是單層水平的直接帶隙半導(dǎo)體，可用作超薄柔性太陽能電池的活性層。然而，由于標(biāo)準(zhǔn)光伏技術(shù)路線圖中沒有2D材料，因此在最近增長的2D材料和傳統(tǒng)太陽能材料庫之間仍然缺乏適當(dāng)?shù)膮f(xié)同作用。近日，來自美國中佛羅里達(dá)大學(xué)的Jayan Thomas教授和Tania Roy教授（共同通訊）在Advanced Materials上發(fā)表綜述，題為“The Role of Graphene and Other 2D Materials in Solar Photovoltaics”。綜述本文全面回顧了基于2D材料的太陽能光伏技術(shù)的現(xiàn)狀，以便利用太陽能電池2D材料的最新進(jìn)展來制定各種光伏技術(shù)的未來路線圖。

 

作者描述了石墨烯、石墨烯基材料和其他太陽能光伏2D材料的最新進(jìn)展，包括硅基太陽能電池、有機(jī)和鈣鈦礦太陽能電池。在回顧的所有光伏技術(shù)中，石墨烯由于其高透明度和導(dǎo)電性而被用作透明導(dǎo)電電極?？梢钥闯?，隨著層數(shù)的增加，石墨烯層的導(dǎo)電性以降低透明度為代價(jià)得到改善。因此，需要在兩者之間進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋?quán)衡，以實(shí)現(xiàn)最佳性能。對(duì)于硅光伏電池，石墨烯的作用是雙重的: i )它充當(dāng)透明導(dǎo)電電極，和ii )充當(dāng)有源層，用于通過與硅的肖特基結(jié)分離光生載流子。石墨烯的摻雜對(duì)于降低其薄層電阻和調(diào)整硅太陽能電池的內(nèi)建電勢(shì)至關(guān)重要。石墨烯的雙極性質(zhì)允許實(shí)現(xiàn)有機(jī)和鈣鈦礦太陽能電池的陽極和/或陰極以及ETL和/或HTL。此外，石墨烯極有可能作為有機(jī)太陽能電池中的三元材料和鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定材料發(fā)揮關(guān)鍵作用。過去幾年中，其他2D材料如MoS2, MoSe2, WS2, and WSe2在光伏器件中的應(yīng)用也得到研究?；谶@些材料在太陽光譜的可見至近紅外部分的高吸收系數(shù)，研究人員已經(jīng)探索了將這些材料用于太陽能電池的優(yōu)點(diǎn)。由于TMDCs的功函數(shù)和帶隙可以調(diào)節(jié)，這些材料也可以用作有機(jī)和鈣鈦礦太陽能電池的ETL和HTL?；?D/2D異質(zhì)結(jié)構(gòu)的太陽能電池具有高吸收系數(shù)、高輻射效率和清晰的清潔界面，可導(dǎo)致活性材料的每克最高瓦特利用率。石墨烯還被認(rèn)為具有熱載流子太陽能電池和生物傳感器儲(chǔ)能集成太陽能電池芯片的應(yīng)用潛力。將大面積卷對(duì)卷加工的石墨烯應(yīng)用于當(dāng)前的太陽能光伏平臺(tái)是石墨烯研究的重要方向之一。作者認(rèn)為石墨烯已經(jīng)展示了巨大的研究和工業(yè)潛力，可以被吸收到光伏標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)路線圖中。這方面的一個(gè)問題是，它必須與現(xiàn)有的工藝和供應(yīng)鏈競(jìng)爭(zhēng)，以獲得硅和氧化銦錫等現(xiàn)有材料同樣的地位。然而，作者認(rèn)為，具有巨大潛力的材料應(yīng)該總是相互協(xié)同補(bǔ)充和協(xié)調(diào)，而不是相互競(jìng)爭(zhēng)。