用于先进太阳能电池的石墨烯和其他2D材料

文章来源：北科新材浏览次数：4707时间：2020-08-10 QQ学术交流群：1092348845

（Nanowerk Spotlight）尽管最近开发有机和钙钛矿等新型结构和材料的研究工作激增，但无机晶体硅太阳能电池仍占 90％以上的市场。

大多数商用太阳能电池使用晶体硅作为吸收层的原因包括长期稳定性，硅酮的丰度，相对较低的制造成本，被其他元素掺杂的能力以及天然氧化物钝化层。

但是，晶体硅的间接带隙性质使其成为不良的发光体，从而限制了其太阳能转换效率。例如，与钙钛矿的非凡高光吸收系数相比，硅需要多于1,000倍的材料才能吸收相同量的阳光。

为了降低下一代太阳能电池的每瓦成本并提高每克瓦的利用率，减小有源吸收器的厚度是关键的设计要求。这就是像石墨烯这样的新型二维（2D）材料发挥作用的地方，因为它们可能导致更薄，轻便和灵活的太阳能电池。

迄今为止，已经报道了几种基于石墨烯的太阳能电池的实验设计，其中石墨烯用作电池的不同部分。

由于其出色的电子传输性能和极高的载流子迁移率，不仅石墨烯，而且其他直接带隙单层材料（例如过渡金属二卤化物（TMDC）和黑磷）也显示出巨大的潜力，可用于低成本，柔性和易燃性。高效的光伏设备。

不同2D半导体材料系列的带隙值比较。还显示了晶体结构，以突出显示不同家族之间的异同。灰色的水平条表示可通过更改层数，应变或合金化来跨越的带隙值范围。所有这些2D半导体所具有的宽禁带范围可用于多种光子学和光电子学应用，例如热成像，光纤通信，光伏，显示器和发光二极管。（©Springer Nature）（点击图片放大）

先进材料的 最新评论（“石墨烯和其他2D材料在太阳能光伏中的作用”）全面概述了当前基于2D材料的太阳能光伏技术。它描述了石墨烯，石墨烯基材料和其他2D材料用于太阳能光伏的最新进展，包括硅基太阳能电池，有机钙钛矿太阳能电池。

石墨烯基太阳能电池

在他们的第一篇综述中，作者介绍了掺杂和未掺杂的石墨烯作为超薄透明导电电极以及硅基太阳能电池的肖特基势垒结层（空穴收集器）的作用。本节还讨论了石墨烯（未掺杂/掺杂）作为有机/钙钛矿太阳能电池的电荷传输层/透明电极。

在太阳能电池中，由于界面处两种不同材料之间的势能垒而形成的电场能够分离电子和空穴，这些电子和空穴是由于材料中吸收光而产生的。根据界面处材料的类型，共有三种类型的结，分别是同质结，异质结（在两个具有不同能带隙的不同半导体之间形成）和肖特基结（会发生带弯曲的金属-半导体结）。

虽然石墨烯可以更好地将光传输到半导体中，但它也可以与硅形成肖特基势垒结，以有效分离电子-空穴对并收集电荷载流子。作者详细讨论了石墨烯在石墨烯-Si太阳能电池中作为透明导电电极和结层（空穴收集器）的作用。

ITO作为有机基和钙钛矿基太阳能电池的透明导电电极具有关键作用，但存在一些缺点。在这些有机太阳能电池中，石墨烯（由于其高电导率，所需的功函数和最佳的表面形态）可作为ITO的潜在替代品，同时在透明度，电导率，柔韧性，更高的材料利用率和性能方面提供相似的性能。降低加工成本。

这篇综述详尽地涵盖了石墨烯基材料在电极，电荷传输层和有机太阳能电池的三元材料以及钙钛矿型太阳能电池的电荷传输层和稳定材料中的作用。

基于2D材料的不同类型太阳能电池的示意图

不同类型的基于2D材料的太阳能电池的示意图。（经Wiley-VCH Verlag许可转载）

2D材料在石墨烯以外的太阳能电池应用中的作用

理论上，具有亚纳米厚度的单个TMDC单层具有吸收多达50 nm的Si或15 nm砷化镓（GaAs）的阳光的能力，因此可以产生高达4.5 mA cm -2的电流。

作者讨论并计算了TDMC在硅基太阳能电池，有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池中的潜在性能。

超薄2D / 2D异质结太阳能电池的概念

作者指出：“ 从光伏的角度来看，全二维太阳能电池的想法似乎不太有效，因为常规使用的活性材料要厚得多，从而吸收更多的阳光。但是，有趣的是，这种太阳能电池具有潜力以超越传统的基于Si和GaAs的光伏电池的性能。TMDC在可见光谱到近红外光谱中具有能隙，这使其非常适合太阳能电池应用。”

“此外，由于是单层厚度的直接带隙半导体，它们具有很高的辐射效率。这与它们每单位厚度显着更高的吸收系数（大于Si，GaAs和钙钛矿）相结合，使其适合于高吸收性超薄光伏器件在具有锋利，干净的界面的原子薄层中的强吸收性使活性物质的瓦数/克利用率达到最高。”

下一代2D光伏

在本文的最后部分，讨论了下一代概念，例如基于2D材料的串联和热载太阳能电池，以及能量收集和存储设备的片上集成设计，从而形成了理想的太阳能电池，吸收任何吸收的光子的能量。

最后，作者对以低成本和高生产率满足下一代2D光伏的挑战和要求提出了简短的展望。“我们认为石墨烯已经显示出巨大的研究和工业潜力，可以被纳入光伏的标准技术路线图。为此，一个令人担忧的问题是，石墨烯必须与现有工艺和供应链竞争现有材料，例如硅和铟锡但是，我们认为具有巨大潜力的材料应始终协同增补和互补，而不是相互竞争。”

信息来源：Nanowerk

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（Nanowerk Spotlight）尽管最近开发有机和钙钛矿等新型结构和材料的研究工作激增，但无机晶体硅太阳能电池仍占 90％以上的市场。
大多数商用太阳能电池使用晶体硅作为吸收层的原因包括长期稳定性，硅酮的丰度，相对较低的制造成本，被其他元素掺杂的能力以及天然氧化物钝化层。
但是，晶体硅的间接带隙性质使其成为不良的发光体，从而限制了其太阳能转换效率。例如，与钙钛矿的非凡高光吸收系数相比，硅需要多于1,000倍的材料才能吸收相同量的阳光。
为了降低下一代太阳能电池的每瓦成本并提高每克瓦的利用率，减小有源吸收器的厚度是关键的设计要求。这就是像石墨烯这样的新型二维（2D）材料发挥作用的地方，因为它们可能导致更薄，轻便和灵活的太阳能电池。
迄今为止，已经报道了几种基于石墨烯的太阳能电池的实验设计，其中石墨烯用作电池的不同部分。
由于其出色的电子传输性能和极高的载流子迁移率，不仅石墨烯，而且其他直接带隙单层材料（例如过渡金属二卤化物（TMDC）和黑磷）也显示出巨大的潜力，可用于低成本，柔性和易燃性。高效的光伏设备。

不同2D半导体材料系列的带隙值比较。还显示了晶体结构，以突出显示不同家族之间的异同。灰色的水平条表示可通过更改层数，应变或合金化来跨越的带隙值范围。所有这些2D半导体所具有的宽禁带范围可用于多种光子学和光电子学应用，例如热成像，光纤通信，光伏，显示器和发光二极管。（©Springer Nature）（点击图片放大）
先进材料的最新评论（“石墨烯和其他2D材料在太阳能光伏中的作用”）全面概述了当前基于2D材料的太阳能光伏技术。它描述了石墨烯，石墨烯基材料和其他2D材料用于太阳能光伏的最新进展，包括硅基太阳能电池，有机钙钛矿太阳能电池。
石墨烯基太阳能电池
在他们的第一篇综述中，作者介绍了掺杂和未掺杂的石墨烯作为超薄透明导电电极以及硅基太阳能电池的肖特基势垒结层（空穴收集器）的作用。本节还讨论了石墨烯（未掺杂/掺杂）作为有机/钙钛矿太阳能电池的电荷传输层/透明电极。
在太阳能电池中，由于界面处两种不同材料之间的势能垒而形成的电场能够分离电子和空穴，这些电子和空穴是由于材料中吸收光而产生的。根据界面处材料的类型，共有三种类型的结，分别是同质结，异质结（在两个具有不同能带隙的不同半导体之间形成）和肖特基结（会发生带弯曲的金属-半导体结）。
虽然石墨烯可以更好地将光传输到半导体中，但它也可以与硅形成肖特基势垒结，以有效分离电子-空穴对并收集电荷载流子。作者详细讨论了石墨烯在石墨烯-Si太阳能电池中作为透明导电电极和结层（空穴收集器）的作用。
ITO作为有机基和钙钛矿基太阳能电池的透明导电电极具有关键作用，但存在一些缺点。在这些有机太阳能电池中，石墨烯（由于其高电导率，所需的功函数和最佳的表面形态）可作为ITO的潜在替代品，同时在透明度，电导率，柔韧性，更高的材料利用率和性能方面提供相似的性能。降低加工成本。
这篇综述详尽地涵盖了石墨烯基材料在电极，电荷传输层和有机太阳能电池的三元材料以及钙钛矿型太阳能电池的电荷传输层和稳定材料中的作用。

不同类型的基于2D材料的太阳能电池的示意图。（经Wiley-VCH Verlag许可转载）
2D材料在石墨烯以外的太阳能电池应用中的作用
理论上，具有亚纳米厚度的单个TMDC单层具有吸收多达50 nm的Si或15 nm砷化镓（GaAs）的阳光的能力，因此可以产生高达4.5 mA cm -2的电流。
作者讨论并计算了TDMC在硅基太阳能电池，有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池中的潜在性能。
超薄2D / 2D异质结太阳能电池的概念
作者指出：“ 从光伏的角度来看，全二维太阳能电池的想法似乎不太有效，因为常规使用的活性材料要厚得多，从而吸收更多的阳光。但是，有趣的是，这种太阳能电池具有潜力以超越传统的基于Si和GaAs的光伏电池的性能。TMDC在可见光谱到近红外光谱中具有能隙，这使其非常适合太阳能电池应用。”
“此外，由于是单层厚度的直接带隙半导体，它们具有很高的辐射效率。这与它们每单位厚度显着更高的吸收系数（大于Si，GaAs和钙钛矿）相结合，使其适合于高吸收性超薄光伏器件在具有锋利，干净的界面的原子薄层中的强吸收性使活性物质的瓦数/克利用率达到最高。”
下一代2D光伏
在本文的最后部分，讨论了下一代概念，例如基于2D材料的串联和热载太阳能电池，以及能量收集和存储设备的片上集成设计，从而形成了理想的太阳能电池，吸收任何吸收的光子的能量。
最后，作者对以低成本和高生产率满足下一代2D光伏的挑战和要求提出了简短的展望。“我们认为石墨烯已经显示出巨大的研究和工业潜力，可以被纳入光伏的标准技术路线图。为此，一个令人担忧的问题是，石墨烯必须与现有工艺和供应链竞争现有材料，例如硅和铟锡但是，我们认为具有巨大潜力的材料应始终协同增补和互补，而不是相互竞争。” 信息来源：Nanowerk