一篇綜述盡覽：石墨烯和其他2D材料在太陽能光伏中的應用

【前言】

石墨烯是一種碳的同素異形體，其原子排列成蜂窩晶格結構，由于其迷人和奇異的材料特性而引起了人們的極大興趣。石墨烯是一種具有雙極電特性的零帶隙半金屬，也顯示出優異的機械性能，具有高楊氏模量( 1.1 TPa )、高導熱率(室溫下(3 × 10³ W m^?1 K^?1? )和非常大的比表面積(2630 m² g^?1)。石墨烯表現出令人稱道的光學性能，具有高透明度(可見光光譜中的97.7 %透射率)和優異的電學性能，具有高電導率(≈10⁴ Ω^?1cm^?1)。具有這種優異性能的石墨烯被用在各種應用，例如電子；光子和光電電路；自旋電子學；能量儲存和轉換；輕薄柔性但耐用的顯示屏；各種生物醫學設備；以及石墨烯基智能材料等新興領域。石墨烯在節能應用中很廣泛，以實現高性能、高效、低成本、輕質和柔性的能源設備，滿足世界范圍內有限的能源資源。跟隨著石墨烯的步伐，其他原子級厚度的層狀半導體2D材料以其固有的獨特性質進入人們的視線。由于具有固有的帶隙和不同的晶體結構，這些2D材料已經成為與下一代電子和光電子相關的各種應用的優質的候選材料

【成果簡介】

2D材料由于其出眾的光學和電子特性而吸引了相當多的關注，并顯示出在下一代太陽能電池和其他光電器件應用的巨大潛力。隨著光伏產業向更薄的活性材料趨勢發展，二維材料原子級的厚度和高度的柔性使得它們成為在未來一代光伏技術集成中的優選。石墨烯具有高透明度和導電性，不僅可以用作太陽能電池中的電極，而且它的雙極電傳輸也使它能夠同時用作正極和負極。石墨烯以外的2D材料，如過渡金屬二硫化物，是單層水平的直接帶隙半導體，可用作超薄柔性太陽能電池的活性層。然而，由于標準光伏技術路線圖中沒有2D材料，因此在最近增長的2D材料和傳統太陽能材料庫之間仍然缺乏適當的協同作用。近日，來自美國中佛羅里達大學的Jayan Thomas教授和Tania Roy教授（共同通訊）在Advanced Materials上發表綜述，題為“The Role of Graphene and Other 2D Materials in Solar Photovoltaics”。綜述本文全面回顧了基于2D材料的太陽能光伏技術的現狀，以便利用太陽能電池2D材料的最新進展來制定各種光伏技術的未來路線圖。

【圖文導讀】

圖1. 對不同的二維半導體材料的帶隙值進行比較

圖2. 對不同類型的基于2d材料的太陽能電池的示意圖

圖3. 器件的示意圖及性能

圖4. 光學及電學測試

圖5. 化學處理前后電池電學性能變化

圖6. Gr-AgNWs‐Si太陽能電池示意圖以及性能測試

圖7. 石墨烯帶結構

圖8. 2D材料/n-Si太陽能電池能級討論

圖9. 不同功能層在有機太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池中能帶排列的示意圖

圖10. 不同層的能級及相應太陽能電池性能

圖11.半透明鈣鈦礦太陽能電池的示意圖極其能帶與性能

圖12.對鈣鈦礦太陽能電池從微觀到平面的觀察

圖13. 基于rGO/mp-TiO₂復合的鈣鈦礦太陽能電池性能

圖14. 三種單層TMDC和石墨烯的吸光度

圖15. MoS₂/p-Si電池，能帶結構與性能

圖16. 2D太陽能電池示意圖以及能帶結構

圖17. WS₂/MoS₂異質結太陽能電池

圖18. roll‐to‐roll制備石墨烯薄膜

【總結】

作者描述了石墨烯、石墨烯基材料和其他太陽能光伏2D材料的最新進展，包括硅基太陽能電池、有機和鈣鈦礦太陽能電池。在回顧的所有光伏技術中，石墨烯由于其高透明度和導電性而被用作透明導電電極。可以看出，隨著層數的增加，石墨烯層的導電性以降低透明度為代價得到改善。因此，需要在兩者之間進行適當的權衡，以實現最佳性能。對于硅光伏電池，石墨烯的作用是雙重的: i )它充當透明導電電極，和ii )充當有源層，用于通過與硅的肖特基結分離光生載流子。石墨烯的摻雜對于降低其薄層電阻和調整硅太陽能電池的內建電勢至關重要。石墨烯的雙極性質允許實現有機和鈣鈦礦太陽能電池的陽極和/或陰極以及ETL和/或HTL。此外，石墨烯極有可能作為有機太陽能電池中的三元材料和鈣鈦礦太陽能電池的穩定材料發揮關鍵作用。過去幾年中，其他2D材料如MoS₂, MoSe₂, WS₂, and WSe₂在光伏器件中的應用也得到研究。基于這些材料在太陽光譜的可見至近紅外部分的高吸收系數，研究人員已經探索了將這些材料用于太陽能電池的優點。由于TMDCs的功函數和帶隙可以調節，這些材料也可以用作有機和鈣鈦礦太陽能電池的ETL和HTL。基于2D/2D異質結構的太陽能電池具有高吸收系數、高輻射效率和清晰的清潔界面，可導致活性材料的每克最高瓦特利用率。石墨烯還被認為具有熱載流子太陽能電池和生物傳感器儲能集成太陽能電池芯片的應用潛力。將大面積卷對卷加工的石墨烯應用于當前的太陽能光伏平臺是石墨烯研究的重要方向之一。作者認為石墨烯已經展示了巨大的研究和工業潛力，可以被吸收到光伏標準技術路線圖中。這方面的一個問題是，它必須與現有的工藝和供應鏈競爭，以獲得硅和氧化銦錫等現有材料同樣的地位。然而，作者認為，具有巨大潛力的材料應該總是相互協同補充和協調，而不是相互競爭。

文獻鏈接：The Role of Graphene and Other 2D Materials in Solar Photovoltaics, (Advanced Materials, 2018, DOI: 10.1002/adma.201802722)

本文由材料人電子電工學術組Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。

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