石墨烯—硅太阳能电池光电转换效率实现突破

　　近日，由美国麻省理工学院、中国国家纳米科学中心和清华大学的研究小组合作揭示了高效率石墨烯-硅肖特基势垒太阳能电池中界面氧化物的作用，并将其能量转化率大幅提升。

　　石墨烯具有高的电导率和透光率，是理想的光电材料。石墨烯对所有光几乎是透明的，可用于制备高导电率的透明导电膜。例如作为透明导电薄膜代替氧化铟锡（ITO透明导电玻璃）等透明导电材料。太阳能电池中较多使用的是硅p-n结，这是由于其制作工艺要相对简单。在石墨烯-硅太阳能电池中，将单层石墨烯放在硅片上，即可形成肖特基结（Schottky junction），在光照条件下，硅中会产生电子-空穴对（electron-hole pairs），然后光生电子和空穴分离（电子流朝着一个方向，空穴朝另一个反向运动），进而被带相反电荷的石墨烯和半导体接触器捕获，通过这种单向的电流流动，使设备发电。

　　CVD法制备石墨烯成本较低，使其成为肖特基势垒太阳能电池（SBSC）电极材料的理想选择。2010年，清华大学Zhu和Li等人在《Advanced Materials》首先报道了石墨烯-硅太阳能电池模型。2012年，佛罗里达大学Miao等人，在《Nano letters》上发表相关文章，他们通过聚合物掺杂三氟甲基磺酸（TFSA）将石墨烯-硅太阳能电池的能量转化率（PCE）提升到8.6%，而未掺杂的仅为1.9％。近期有报道，在添加一层TiO2防反射包覆层后，PCE可进一步提升到14.5%，已接近大部分商业化硅太阳能电池（约15%）。

　　最近涉及石墨烯-硅和碳纳米管-硅异质结的研究中，1/V曲线在开路电压附近都会出现S-形（见图中C图），有时非常小，有时却非常明显。这也就导致许多已见诸报道的工作中，其填充因子非常低。各国科学家们虽然提出了各种假设，但是还是没能清楚解释产生S-形的原因何在。

　　来自美国麻省理工学院（MIT）和清华大学、国家纳米科学中心的科学家在石墨烯/n型硅肖特基结太阳能电池的基础上共同深入研究了影响S-形的因素。他们得出结论，当硅和石墨烯之间的氧化层厚度增加时，S-形就会越明显。而且，光照强度增加时，其形状就更明显。在氧化层厚度小于15埃时，化学掺杂石墨烯会对其起抑制作用。他们还基于简单的半导体物理学来解释1/V曲线的形状和掺杂的影响。所得结论为：在光照时肖特基结所产生的电流强度取决于隧道效应和载流子复合的动态平衡。随着氧化层厚度的增加，载流子复合起主要作用，1/V曲线上的S-形也就更明显，导致填充因子降低。化学掺杂提高了石墨烯的逸出功，抑制了再复合，因而在氧化层厚度小于15埃时，S-形受到抑制。这也就意味着，只要适当调整氧化层的厚度，就可以提高电池的开路电压，从而提高其填充因子。通过这个方法，他们将PCE从10.0%提升到12.4%。然后又在石墨烯层上加了一层防反射包覆层后，从而将PCE提升到15.6%（这是目前有报道的石墨烯-硅太阳能电池的最高转换纪录）。

　　对界面氧化层的深入了解对未来提升石墨烯-硅太阳能电池的能量转化有很重要的指导意义。上世纪七十年代，肖特基太阳能电池由于无需高温扩散，可以使用多晶硅而受到广泛研究。但是，人们很快发现，其性能受金属-硅界面影响很大，而且效率会随时间衰减。目前还不确定石墨烯-硅太阳能电池是否也有同样的影响，但是站在工业应用的立场上，这个领域是非常值得研究的。此外，对石墨烯-半导体界面的研究也可以应用到其他二维异质材料的异质结中。

　　这项研究发表在《Nano letters》上。