石墨烯透明电极在碳/硅异质结光伏电池中的反常行为

石墨烯是一种典型的二维纳米材料,具有优异的电学、光学等性能,在光伏电池研究领域中具有潜在的应用前景。石墨烯既可以作为光伏电池的透明导电电极,也可以作为光伏电池的活性添加材料,增强载流子的分离与传输。石墨烯与半导体可组装异质结光伏电池,石墨烯同时起到了透明导电和载流子分离传输的作用。石墨烯在该模型结构中的作用机制仍有待进一步研究。对于传统透明电极来说,透光性和导电性是一对矛盾统一体,二者的最佳匹配可使器件达到最优化性能。

清华大学材料学院朱宏伟教授研究组与麻省理工学院合作者的最新研究发现,石墨烯/硅异质结光伏电池的最佳性能并非来源于透光性和导电性结合最好的石墨烯薄膜。他们分别采用单层石墨烯和多层石墨烯(4~7层)同n型单晶硅组装成光伏电池进行对比分析。石墨烯和硅构建的异质结可以形成内建电场,实现光生载流子的产生、分离与传输。低压条件下制备的单层石墨烯由于具有良好的晶化程度,其透光性与导电性均优于常压条件下制备的多层石墨烯。然而,单层石墨烯/硅光伏电池性能却普遍低于多层石墨烯/硅光伏电池。研究表明,多层石墨烯与硅形成的势垒高度更高,导致其内建电场和开路电压较高。同时,表面更加平整的多层石墨烯与硅的串联电阻较低,使填充因子提高,从而显著提升了光伏电池的性能。根据该分析结果,可以更有针对性的优化石墨烯材料的光电特性,从而进一下提升光伏电池的转换效率。采用硝酸处理石墨烯,可以有效调节石墨烯的功函数,降低其与硅的串联电阻。通过该化学处理方法,石墨烯/硅光伏电池的二极管效应及光电转换性能得到显著增强。相关工作已发表于Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201300052)