石墨烯—硅太陽能電池光電轉換效率實現突破

　　近日，由美國麻省理工學院、中國國家納米科學中心和清華大學的研究小組合作揭示了高效率石墨烯-硅肖特基勢壘太陽能電池中界面氧化物的作用，并將其能量轉化率大幅提升。

　　石墨烯具有高的電導率和透光率，是理想的光電材料。石墨烯對所有光幾乎是透明的，可用于制備高導電率的透明導電膜。例如作為透明導電薄膜代替氧化銦錫（ITO透明導電玻璃）等透明導電材料。太陽能電池中較多使用的是硅p-n結，這是由于其制作工藝要相對簡單。在石墨烯-硅太陽能電池中，將單層石墨烯放在硅片上，即可形成肖特基結（Schottky junction），在光照條件下，硅中會產生電子-空穴對（electron-hole pairs），然后光生電子和空穴分離（電子流朝著一個方向，空穴朝另一個反向運動），進而被帶相反電荷的石墨烯和半導體接觸器捕獲，通過這種單向的電流流動，使設備發電。

　　CVD法制備石墨烯成本較低，使其成為肖特基勢壘太陽能電池（SBSC）電極材料的理想選擇。2010年，清華大學Zhu和Li等人在《Advanced Materials》首先報道了石墨烯-硅太陽能電池模型。2012年，佛羅里達大學Miao等人，在《Nano letters》上發表相關文章，他們通過聚合物摻雜三氟甲基磺酸（TFSA）將石墨烯-硅太陽能電池的能量轉化率（PCE）提升到8.6%，而未摻雜的僅為1.9％。近期有報道，在添加一層TiO2防反射包覆層后，PCE可進一步提升到14.5%，已接近大部分商業化硅太陽能電池（約15%）。

　　最近涉及石墨烯-硅和碳納米管-硅異質結的研究中，1/V曲線在開路電壓附近都會出現S-形（見圖中C圖），有時非常小，有時卻非常明顯。這也就導致許多已見諸報道的工作中，其填充因子非常低。各國科學家們雖然提出了各種假設，但是還是沒能清楚解釋產生S-形的原因何在。

　　來自美國麻省理工學院（MIT）和清華大學、國家納米科學中心的科學家在石墨烯/n型硅肖特基結太陽能電池的基礎上共同深入研究了影響S-形的因素。他們得出結論，當硅和石墨烯之間的氧化層厚度增加時，S-形就會越明顯。而且，光照強度增加時，其形狀就更明顯。在氧化層厚度小于15埃時，化學摻雜石墨烯會對其起抑制作用。他們還基于簡單的半導體物理學來解釋1/V曲線的形狀和摻雜的影響。所得結論為：在光照時肖特基結所產生的電流強度取決于隧道效應和載流子復合的動態平衡。隨著氧化層厚度的增加，載流子復合起主要作用，1/V曲線上的S-形也就更明顯，導致填充因子降低。化學摻雜提高了石墨烯的逸出功，抑制了再復合，因而在氧化層厚度小于15埃時，S-形受到抑制。這也就意味著，只要適當調整氧化層的厚度，就可以提高電池的開路電壓，從而提高其填充因子。通過這個方法，他們將PCE從10.0%提升到12.4%。然后又在石墨烯層上加了一層防反射包覆層后，從而將PCE提升到15.6%（這是目前有報道的石墨烯-硅太陽能電池的最高轉換紀錄）。

　　對界面氧化層的深入了解對未來提升石墨烯-硅太陽能電池的能量轉化有很重要的指導意義。上世紀七十年代，肖特基太陽能電池由于無需高溫擴散，可以使用多晶硅而受到廣泛研究。但是，人們很快發現，其性能受金屬-硅界面影響很大，而且效率會隨時間衰減。目前還不確定石墨烯-硅太陽能電池是否也有同樣的影響，但是站在工業應用的立場上，這個領域是非常值得研究的。此外，對石墨烯-半導體界面的研究也可以應用到其他二維異質材料的異質結中。

　　這項研究發表在《Nano letters》上。