石墨烯在太陽能電池中的應用

摘 要：環境污染、資源短缺已經成為世界各國所重點關注的問題，如何通過新型能源的開發以實現對于傳統能源的替代成為各國的相關研究學者重點研究的問題。太陽能作為二十一世紀以來我國應用最為廣泛的主要能源之一，對我國的綜合發展產生了至關重要的影響，同時也為我國的綜合產業水平提高做出了巨大的貢獻。石墨烯作為一種新型材料，其被應用于太陽能電池的透光電極、電池中電子受體材料等多個方面。通過對石墨烯在太陽能電池中的應用分析，為新材料新技術的不斷研究提供了理論支持，將有效的促進我國新能源產業的綜合發展。

關鍵詞：石墨烯；太陽能電池；應用

前言

新型能源的開發與研究，為我國的綜合國民經濟發展產生了十分積極的影響，我國的各行各業通過對于新能源的應用，在一定程度上減少了對于生態平衡的破壞、相關資源的消耗以及環境的污染，這些因素都促進了新能源在世界綜合領域中的健康發展。太陽能作為我國目前的主要應用能源，其在各個行業中的應用不僅為我國人民生活水平的不斷提高產生了積極的影響，同時也為我國綜合國力的提升起到了至關重要的作用。

1 石墨烯概況

石墨烯，是指從石墨材料中提取出來的二維晶體，它是于2004年被英國的物理學家所發現的一種新型材料。在石墨烯的研究和應用過程中，部分專家學者發現它在許多方面可以用來替代硅材料，用于計算機的生產和制造。石墨烯質地十分輕薄，但是也具有超強的韌性，作為密度極高的石墨烯，它被提取之后幾乎是透明的，部分相關學者稱它將成為改造世界發展的主要材料之一。

由于石墨烯的透光度高達百分之九十七以上，這使它可以被充分的應用到光伏領域當中，而在太陽能電池材料中的應用，充分的發揮出了石墨烯的基本特點[1]。

2 太陽能電池透光電極材料的應用

石墨烯可應用于透光電極材料。在我國目前的透光導電極材料中，多數為金屬氧化物，也就是我們日常所獲的導電玻璃。而導電玻璃在用作透光電極材料中卻存在熱穩定性較差、制備成本的增加等特點，這在一定程度上都制約了太陽能電池的發展和應用，而通過石墨烯材料作為透光電極，將從根本上解決這些問題。在進行石墨烯透光導電材料的應用中，主要以DSSC進行說明。在DSSC內部，主要分為工作電極、電解質和對電極這三個部分。其主要的構成是將多孔半導體晶體薄膜置放在透光導電基底上，進而將染料分子洗后在多孔薄膜當中。由于電解質存在不同的形態區分，而DSSC的主要原理就是導體薄膜上的染料分子在吸收太陽光之后，從基態躍遷到激發態：D+hv→D*；激發態染料的電子也同時快速的融入到納米半導體晶體的導帶當中：D*→D++e-（CB）；導帶中的電子經過外部電路最終到達對電極：e-（CB）→e-；I3-離子擴散到對電極后，得到電子I-3+2e-（CB）→3I-；而仍然處在氧化形態的染料D+被還原態的電解質I-還原再生，重新回到基態本身[2]。通過這些反應之間的不斷循環，最終產生了光生伏特效應。

與此同時，石墨烯在透光電極材料當中的應用過程還應當注重對于石墨烯的提取和制備，其方法也主要分為浸漬提拉法、旋轉涂覆法、電泳沉積法以及化學氣相沉積法。在進行制備的過程中，也要保證石墨烯薄膜的均勻程度，確保其導電性的穩定的同時，降低制備成本。

3 太陽能電池受體材料的應用

石墨烯可應用于太陽能電池受體材料該受體材料主要指OPSC。作為混合性的異質結電池，OPSC內部的電子給體材料會產生相應的激子，從而產生電子與空穴在兩個電極上的電流，而電子受體材料大部分是用于在電子分離和傳輸的過程中。在應用的過程中，將光入射到給體的材料之上，材料會受到光線激發而產生激子，電子空穴對逐漸遷移到給體材料，并與石墨烯的受體材料進行結合，而電子轉移到石墨烯受體材料的LUMO能級，空穴則會保留在HOMO能級上，實現電子和空穴的基本分離[3]。而電子在石墨烯受體材料當中的不斷遷移，最終會傳導到A1負極上。電子空穴對分離后，空穴則會通過導電聚合物傳輸到正電極的基本表面，這時由于空穴和電子分別被正負極所收集，產生了相應的電勢差，從而實現了光生伏特效應。

與此同時，由于表面接枝官能團的主要途徑雖然在一定程度上實現了石墨烯的分散性提升，但過多的官能團會導致石墨烯的分子結構以及其電能性質受到一定程度的影響，增加電子的符合，從而使太陽能電池的光電轉換效率無法得到有效的提升。

4 太陽能電池光陽極材料的應用

通過對石墨烯與太陽能電池光陽極材料中的充分利用，將有效的增強電子的傳輸速度，進一步降低電子之間的復合，從而實現光陽極對于染料的吸附能力，提高DSSC的綜合光電轉換效率[4]。部分相關學者選擇通過低溫互凝結的方式促進石墨烯與TiO2的符合，發現在二者的比例為1比20的狀態下，復合的效果相對較好。在使用此狀態下的復合物作為光陽極的DSSC的效率更高于其他復合物的效率。另外，還有專家學者將不同含量的石墨烯與TiO2粉末進行混合，并用其溶液以旋轉涂覆方式覆蓋到ITO的玻璃上，以制備出光陽極。結果發現當石墨烯的含量為百分之一的狀態下，太陽能電池的綜合效率達到最高值。

5 結束語

石墨烯材料作為我國近年來應用較為廣泛的優質材料之一，為我國的許多行業發展都產生了積極的影響。在文章中，主要對石墨烯在太陽能電池中透光電極材料、受體材料以及光陽極材料中的應用進行相關的分析和研究，促進我國的新能源技術發展，認真貫徹落實我國的可持續發展戰略，為全球的生態平衡發展做出貢獻，同時也為發展未來新能源與新型材料相結合的新技術模式提供了理論保障。

參考文獻

[1]Novoselov K， Geim A， Morozov S， et al. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science， 2004， 306（5696）： 666-669.

[2]崔同湘，呂瑞濤，康飛宇，等.從石墨烯的制備及其應用研究進展看2010年度諾貝爾物理學獎[J].科技導報，2010，4（24）：23-28.

[3]鄭曉雨，蘇方遠，楊全紅，等.石墨烯在鋰系二次電池中的應用：進展與展望[J].功能材料，2013，8（19）：2741-2748.

[4]陳志昌，陳思浩，王繼虎，等.石墨烯納米復合材料在光催化應用中的研究進展[J].材料導報，2015，12（19）：146-151.