石墨烯/硅肖特基结太阳能电池的研究进展

摘要

太阳能电池利用光伏效应直接将光能转变成电能,能有效地解决未来能源危机和环境污染,符合可持续发展的理念.传统的硅基太阳能电池存在需要高温过程,工艺复杂,发电成本无法与火电和水电相抗衡等问题.针对上述问题,近年来研究人员开发了诸多新型太阳能电池以降低制造成本,其中采用石墨烯作为透明电极的石墨烯/硅肖特基结太阳能电池被认为是新一代低成本、高效率的太阳能电池.然而,石墨烯功函数较低、方阻较高,载流子沿界面复合严重,并且平面硅反射率较高,导致石墨烯/硅肖特基结太阳能电池的效率远低于传统硅基太阳能电池.因此,近年来,主要研究重点在石墨烯掺杂改性、抑制界面处的载流子复合和降低器件的反射率等方面.目前,石墨烯/硅肖特基结太阳能电池的光电转换效率(PCE)已由1.65％提升到16.61％.目前,成功应用于提升器件性能的石墨烯掺杂剂主要有HNO3、金属纳米粒子和双(三氟甲磺酰基)酰胺(TFSA)等.其中,HNO3应用最为广泛,但其稳定性较差,采用金属纳米粒子等物理掺杂可以同时提升器件的PCE和稳定性.在石墨烯和硅之间引入Al2 O3、MoS2、量子点等界面层和表面钝化,可以有效地减少硅表面的悬空键,抑制载流子复合,从而提高器件的性能.此外,研究人员通过在石墨烯表面引入TiO2、PMMA、MgF2/ZnS等减反射膜,或在硅表面引入纳米线、多孔硅等微结构,来降低器件的反射率,提高其对光的利用率.本文总结了近年来石墨烯/硅太阳能电池的研究进展,简要介绍了器件的结构和原理,重点介绍了石墨烯掺杂、石墨烯层数选择、硅的纳米或微米结构、减反射膜和界面优化等手段,分析了目前石墨烯/硅肖特基结太阳能电池商业化所面临的问题并对其提出展望,以期为制备效率高和稳定性强的新型石墨烯/硅肖特基结太阳能电池提供一定参考.