石墨烯太陽能電池的應用及展望

田朝陽

（國網山陰縣供電公司）

0 引言

“雙碳”目標下，對于清潔能源的要求日益提高。太陽能電池產業應運而生，人們把太陽能電池按材料的不同劃分成了三代［1］。第一代的太陽能電池主要原材料是硅元素，包括單晶體結構和多晶體結構，集合了硅元素的特點穩定性比較高，對于光電能量的轉化效率也比較高，被稱為硅基太陽能電池。1954年4月25日，貝爾實驗室［2］首次制造出了以硅元素為基礎的硅基太陽能電池板。通過試驗測試確定這塊硅基太陽能電池板可以達到6%左右的轉化效率。但是硅元素的太陽能電池板造價偏高，對材料的消耗比較大。第二代太陽能電池產品主要采取造價比較低的碲化物、砷化物等材料為薄膜的太陽能電池，在全球太陽能電池市場上占有一小部分份額。鈣鈦礦太陽能電池是太陽能電池的第三代產品，集成了第一代產品的高轉化效率和第二代產品的低成本的特點，是現在研究的主流技術。但受到諸多技術的限制，第三代產品的研究尚處于實驗室中，對于實際應用還有一段距離。

1 太陽能電池研究發展現狀

硅基太陽能電池技術已經相對成熟，其以強大的穩定性受到眾多專家學者所關注。硅基太陽能電池主要包括單晶硅太陽能電池和多晶硅太陽能電池二部分。它們的裝置通常是相同的，但是在單晶中生產硅太陽能電池所需要的高純度硅，成本較高。從經濟角度和技術難度方面考慮，我國的太陽能電池多為多晶硅電池。在制作工藝方面以及材料成本方面都比單晶硅太陽能電池有優勢，很受中國市場的歡迎。硅基太陽能電池技術是一項相對比較成熟的技術，未來幾年，他的主要發展方向仍是將高轉換效率與低成本統一起來。硅基太陽能電池在市場占有方面很大，但是它材料消耗量大，制作成本較高。2019年，楊長慶等人［3］為了降低成本，開發了一種新的技術，即多晶硅離子噴濺技術，使材料厚度大大降低，同時這種技術制作的太陽能電池光穩定性很好。

2 太陽能電池工作原理

硅基太陽能電池包括鋼化玻璃、EVA材料、電池片（P型硅、N型硅）等部分。摻入雜質不同而成的P型區及N型區接觸面上，即PN結（耗盡層）。當受到陽光時，在耗盡層的內部將會出現新的空穴-電子對，受到PN結內部的電場力作用，內部的空穴和電子都開始做定向的運動，使P區積累大量的正電荷，N區累積大量的負電荷，PN結上呈現出電勢差，接通線路后產生電流，即“光生伏打”原理［4］。如圖1所示。

圖1 光生伏打原理

3 石墨烯的優點

石墨烯是單層片狀的碳原子結構，由多個碳原子組合鋪成扁平狀。石墨烯電子結構的研究最早可以追溯到18世紀40年代，Philip Wallace對其進行了研究［5］。曼徹斯特大學教授Andre Geim及其團隊采用微機械力剝離法將石墨材料轉化為石墨烯（graphene）［6］。石墨烯作為世界上最薄、強度和硬度最高的材料，其斷裂強度可以達到42N／m2，在強度方面要是普通鋼的100倍。透光率極高［7］。石墨烯的電子遷移率在常溫下可以達到15000cm2／（V·s），電阻率約為10－6Ω·m［8］。

石墨烯的特點主要由其分子結構決定，通過sp2雜化C原子形成一個網絡，結構如圖2所示［9］。本文從石墨烯在太陽能電池中的三個方面開展研究，主要是透光材料、受體材料和陽極材料三個部分。

圖2 石墨烯分子結構圖

4 石墨烯在太陽能電池中的應用研究及發展現狀

4.1 石墨烯應用于太陽能電池透光電極材料

現階段的主要透光電極材料是金屬氧化物，俗稱導電玻璃。導電玻璃作為太陽能電池的主要材料，存在著一些不足。以氧化銦錫（ITO）為例，材料的金屬離子容易擴散，熱穩定性不好。同時，導電玻璃的應用需要鉑金屬的配合，制造成本消耗較大，對于現在大量采用分布式能源的電網結構造成了嚴重的制約。在電網的建設和發展階段，我們迫切需要研究新型材料、新的技術來推動太陽能電池的發展。石墨烯以其獨特的優勢可以成為金屬氧化物的替代品，成為太陽能電池的導電玻璃［10］。

以染料敏化太陽能電池（DSSC）為例，對石墨烯應用于透光電極的情況進行說明。DSSC由工作電極、電解質和對電極三部分組成。工作電極的結構是在透明導電襯底上制備一層多孔半導體晶體膜，然后吸附多孔膜中的染料分子。電解質可以是液體、固體或準固體。對電極則是采用鍍鉑的ITO／FTO。

石墨烯材料用于DSSC主要集中在以下幾個方面：1）DSSC光陽極，用石墨烯材料代替傳統的導電玻璃，替換ITO／FTO；2）DSSC對電極，由于石墨烯較高的導電性，它可以涂在ITO／FTO表面，替代原來的鉑元素；3）DSSC光陽極工作電極。

4.2 石墨烯應用于太陽能電池受體材料

石墨烯作為受體材料的應用主要是在有機聚合物太陽能電池（OPSC）方面。當受到光線的作用下，OPSC中可以產生電子空穴對。電子和空穴在電場力的作用下，傳導到不同的電極上，從而形成電流。電子供體主要是產生電子空穴對，而受體材料則是作用于電子的分離和傳輸。目前，應用比較廣泛的受體材料是富勒烯衍生物，6-苯基C61-丁酸甲酯（PCBM），但是這種材料對于電子的分離效果并不是特別理想。碳納米管作為受體材料電性能比較突出，但是光電轉化效率比較低。石墨烯材料制作的受體材料，可以凝結碳納米管的電性能，同時不影響轉化率。

4.3 石墨烯應用于太陽能電池光陽極材料

石墨烯的另一個特點是良好的電學性能，因此可以作為太陽能電池的光陽極，比如異質結太陽能電池及DSSC等，主要是為了利用石墨烯的特點來提高光電轉化的效率，降低太陽能電池方面資金的投入。對于太陽能電池方面碳材料的研究最開始起于類金剛石結構的材料（A-C），它是一種單極半導體材料，在雜質摻雜方面很難實現。主流的太陽能電池光陽極材料是碳納米管材料，但是它存在結電阻大、電傳導性低的問題，在太陽能電池方面的應用受到了影響。謝超采用CVD方法在n型硅表面沉積石墨烯薄膜，研究石墨烯薄膜在硅基肖特基太陽能電池中的應用。結果表明，石墨烯有利于硅基肖特基太陽能電池的表面鈍化、摻雜和異質結形成，電池效率提高到1.5%。同時，用HNO3和NH3摻雜單分子層石墨烯（MLG）制備了p-MLG和n-MLG，并在表面與n-Si和p-Si反應形成納米陣列，形成肖特基太陽能電池［11］。

5 結束語

石墨烯的材料性能優異，被廣泛的應用于電力、信息等各行業。石墨烯在太陽能電池的應用雖尚處于初級階段，但發展前景十分的廣闊。在石墨烯的制備和應用方面工藝復雜，經濟性不好，實際應用性能還有所欠缺，對于廣大的專家學者而言還是一個比較重要的研究課題。