無機(jī)晶體硅太陽能電池占據(jù)了90%以上的市場份額，盡管最近在開發(fā)有機(jī)和鈣鈦礦等新型結(jié)構(gòu)和材料方面的研究工作激增。

大多數(shù)商用太陽能電池使用結(jié)晶硅作為吸收層的原因包括長期穩(wěn)定性、硅的豐富性、相對較低的制造成本、其他元素?fù)诫s的能力以及天然氧化物鈍化層。

然而，晶體硅的間接帶隙性質(zhì)使它成為一個(gè)較差的光發(fā)射器，限制了它的太陽能轉(zhuǎn)換效率。

例如，與鈣鈦礦非凡的高吸光系數(shù)相比，硅需要1000倍以上的材料才能吸收相同數(shù)量的陽光。

為了降低每瓦成本，提高未來幾代太陽能電池的每克功率利用率，降低有源吸收器的厚度是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)要求。

這就是像石墨烯這樣的新型二維(2D)材料發(fā)揮作用的地方，因?yàn)樗鼈兛梢灾圃旄　⒏p、更靈活的太陽能電池。

目前已經(jīng)報(bào)道了幾種石墨烯太陽能電池的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，石墨烯作為電池的不同部分。

石墨烯和其他直接帶隙單分子層材料，如過渡金屬雙鹵代烴(TMDCs)、黑磷等，由于其優(yōu)異的電子輸運(yùn)性能和極高的載流子遷移率，在低成本、靈活、高效的光伏器件中具有巨大的應(yīng)用潛力。

不同二維半導(dǎo)體材料族帶隙值的比較。同時(shí)展示了晶體結(jié)構(gòu)，突出了不同科之間的異同。灰色水平條表示可以通過

最近一篇關(guān)于先進(jìn)材料的綜述(“石墨烯和其他2D材料在太陽能光伏中的作用”)全面概述了目前基于2D材料的太陽能光伏的最新技術(shù)。

它描述了石墨烯、石墨烯基材料和其他用于太陽能光伏的2D材料(包括硅基太陽能電池、有機(jī)和鈣鈦礦太陽能電池)的最新進(jìn)展。

石墨烯太陽能電池

在綜述的第一部分中，作者介紹了摻雜和未摻雜石墨烯作為超薄透明導(dǎo)電電極和硅基太陽能電池的肖特基勢壘結(jié)層(空穴收集器)的作用。

本節(jié)還討論了石墨烯(未摻雜/摻雜)作為有機(jī)/鈣鈦礦太陽能電池的電荷傳輸層/透明電極。

在太陽能電池中，由于界面上兩種不同材料之間的勢能勢壘而形成的電場能夠?qū)⒉牧蟽?nèi)部吸收光而產(chǎn)生的電子和空穴分離開來。

根據(jù)界面材料的類型，有三種類型的結(jié):同結(jié)、異質(zhì)結(jié)(形成于具有不同能帶隙的半導(dǎo)體之間)和肖特基結(jié)(發(fā)生帶彎曲的金屬-半導(dǎo)體結(jié))。

雖然石墨烯可以更好地將光傳輸?shù)桨雽?dǎo)體中，但它也與硅形成肖特基勢壘結(jié)，從而有效地分離電子-空穴對并收集載流子。

作者詳細(xì)討論了石墨烯作為透明導(dǎo)電電極和結(jié)層(空穴收集器)在石墨烯-硅太陽能電池中的作用。

ITO作為有機(jī)和鈣鈦礦基太陽能電池的透明導(dǎo)電電極具有重要作用，但也存在一些不足。

在這些有機(jī)太陽能電池中，石墨烯——由于其高導(dǎo)電性、理想的工作功能和最佳的表面形態(tài)——可以作為ITO的潛在替代品，同時(shí)在透明度、導(dǎo)電性、靈活性方面提供類似的性能，具有更高的材料利用率和更低的加工成本。

綜述了石墨烯基電極材料、電荷傳輸層材料、有機(jī)太陽能電池的十年期材料以及鈣鈦礦太陽能電池的電荷傳輸層和穩(wěn)定材料的作用。

石墨烯和其他先進(jìn)太陽能電池的2D材料

石墨烯和其他先進(jìn)太陽能電池的2D材料

不同類型的2d材料太陽能電池示意圖

超越石墨烯的二維材料在太陽能電池應(yīng)用中的作用。

理論上，一個(gè)亞納米厚度的TMDC單層膜可以吸收50nmSi或15nm砷化鎵(GaAs)的陽光，因此可以產(chǎn)生高達(dá)4.5mAcm-2的電流。

作者討論并計(jì)算了TDMCs在硅基太陽能電池、有機(jī)太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池中的潛在性能。

超薄二維/二維異質(zhì)結(jié)太陽能電池的概念

作者指出，“從光伏的角度來看，全2d太陽能電池的想法似乎不是很有效，因?yàn)閭鹘y(tǒng)使用的活性材料要厚得多，從而吸收更多的陽光。”

然而，有趣的是，這種太陽能電池有潛力超越基于Si和GaAs的傳統(tǒng)光伏電池的性能。

TMDCs在光譜的可見光到近紅外波段有一個(gè)帶隙，這使它們成為太陽能電池應(yīng)用的理想材料。”

“此外，作為單層厚度的直接帶隙半導(dǎo)體，它們具有很高的輻射效率。

再加上它們每單位厚度的吸收系數(shù)(大于Si、GaAs和鈣鈦礦)顯著提高，使得它們適合于高度吸收超薄光伏器件。

具有鋒利、干凈界面的原子薄層的強(qiáng)吸收使得活性物質(zhì)的每克利用率達(dá)到最高。”

新一代的2d光電

在綜述的最后一部分，將討論基于2D材料的下一代概念，如串聯(lián)式和熱載流子太陽能電池，以及能量收集和存儲設(shè)備的芯片集成設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)一種理想的太陽能電池，在這種電池中可以收集任何吸收光子的全部能量。

總結(jié)他們的審查，作者提出了一個(gè)簡短的展望，以滿足挑戰(zhàn)和要求的下一代2D光伏低成本和高生產(chǎn)率。

“我們認(rèn)為石墨烯已經(jīng)顯示出巨大的研究和工業(yè)潛力，可以被納入光伏技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)路線圖。

為此目的的一個(gè)擔(dān)憂是，它必須與現(xiàn)有的硅和銦錫氧化物等材料的生產(chǎn)工藝和供應(yīng)鏈競爭。

然而，我們認(rèn)為，具有巨大潛力的材料應(yīng)該始終相互補(bǔ)充和贊美，而不是相互競爭。”