石墨烯為基礎(chǔ)的肖特基結(jié)太陽(yáng)能電池：（a）無(wú)摻雜，b）有摻雜，（c）圖中有摻雜的太陽(yáng)能電池顯示接觸器和接觸導(dǎo)線。來(lái)源：美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)
這些研究人員中，領(lǐng)導(dǎo)是塞法汀•通蓋（Sefaattin Tongay）和亞瑟 F.•赫巴德（Arthur F. Hebard），他們來(lái)自蓋恩斯維爾（Gainesville）佛羅里達(dá)大學(xué)（University of Florida），他們的研究探討高效率石墨烯太陽(yáng)能電池，發(fā)表在5月3日的《納米快報(bào)》（Nano Letters）上。
“在這里，我們不僅利用了石墨烯優(yōu)異的光學(xué)透明性，而且降低了石墨烯的電阻，調(diào)整石墨烯的費(fèi)米能級(jí)（Fermi level），使用的是廉價(jià)環(huán)保的有機(jī)涂層。”通蓋說(shuō)，“在這一步，自然屬性對(duì)我們很有利，在接口上產(chǎn)生了較高的整流和電場(chǎng)，進(jìn)一步提高了太陽(yáng)能電池的效率。”
在新的太陽(yáng)能電池中，單層石墨烯放在硅片上，用作肖特基結(jié)（Schottky junction），主要組成部分就是簡(jiǎn)單的光伏設(shè)備，稱為肖特基結(jié)太陽(yáng)能電池（Schottky junction solar cells）。
在光照條件下，電子-空穴對(duì)（electron-hole pairs）會(huì)在硅中因光產(chǎn)生。光生電子和空穴被分離，就是因?yàn)樾ぬ鼗Y(jié)內(nèi)置的電勢(shì)，它們會(huì)被收集到帶相反電荷的石墨烯和半導(dǎo)體接觸器上。這種單向流動(dòng)的電流（電子流朝著一個(gè)方向，空穴朝著另一個(gè)反向）是肖特基結(jié)規(guī)定的屬性，可以使設(shè)備發(fā)電。
石墨烯為基礎(chǔ)的肖特基結(jié)太陽(yáng)能電池在過(guò)去也演示過(guò)，這里，研究人員邁出了新的一步，摻雜石墨烯時(shí)采用有機(jī)化學(xué)品三氟甲磺酸（TFSA：trifloromethanesulfonic acid），他們使用了簡(jiǎn)單的旋涂法（spin-casting method）。
摻雜使研究人員可以調(diào)整石墨烯的費(fèi)米水平（可衡量電子電勢(shì)能量），這帶來(lái)了兩個(gè)變化，可提高太陽(yáng)能電池的整體效率：降低了石墨烯的電阻，提高了太陽(yáng)能電池的內(nèi)置電勢(shì)，這就可以更有效地分離電子-空穴對(duì)，這些電子空穴對(duì)是由所吸收的光子產(chǎn)生的。
有了8.6％的效率，這種摻雜器件就顯著提高了效率，超過(guò)其他基于石墨烯的肖特基結(jié)太陽(yáng)能電池，這些電池迄今已證實(shí)的電能量轉(zhuǎn)換效率是0.1％到2.86％不等。
肖特基結(jié)太陽(yáng)能電池使用銦錫氧化物（indium tin oxide），相比之下，太陽(yáng)能電池使用石墨烯有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)。例如，可以調(diào)整石墨烯的性質(zhì)，優(yōu)化太陽(yáng)能電池的效率，而且石墨烯層也可用于硅以外的半導(dǎo)體。
研究人員希望，這里使用的方法簡(jiǎn)單而且具有可擴(kuò)展性，可以進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)備，并在未來(lái)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用。
“我們期望，這一效率可以進(jìn)一步提高，因?yàn)榭梢栽O(shè)計(jì)工程接口，使用不同的有機(jī)涂料層，產(chǎn)生更高的摻雜效應(yīng)，也可以提高石墨烯的質(zhì)量和轉(zhuǎn)運(yùn)程序，使用防反射層，還有很多其他方法，都是太陽(yáng)能電池界所知道的，”通蓋說(shuō)。“這僅僅是一個(gè)開(kāi)始。”
赫巴德說(shuō)，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)石墨烯的物理屬性，會(huì)帶來(lái)更高效、廉價(jià)的太陽(yáng)能電池。
“我們介紹的能量轉(zhuǎn)換效率可以提高，只需要簡(jiǎn)單地使用一種穩(wěn)定的有機(jī)覆蓋層，這僅僅是一個(gè)開(kāi)始，”他說(shuō)。“石墨烯及其衍生物不斷地給我們帶來(lái)驚喜，因?yàn)榫哂胁煌瑢こ５男再|(zhì)（強(qiáng)度，彈性，擴(kuò)散屏障，可調(diào)諧的費(fèi)米能級(jí)，線性電子光譜等）。進(jìn)一步的發(fā)展也會(huì)實(shí)現(xiàn)，可以更深入的理解物理學(xué)，就是進(jìn)入的光子如何有效地產(chǎn)生電子和空穴，然后又被分離和收集，就采用我們介紹的配置。這方面的知識(shí)應(yīng)該用于尋找硅的替代物，比如有機(jī)物和聚合物，它們更便宜，可大面積使用。
“很顯然，石墨烯及其衍生物的研究已經(jīng)廣為人知；我們期望，我們對(duì)太陽(yáng)能電池的研究會(huì)繼續(xù)下去。”
更多信息：《高效率石墨烯太陽(yáng)能電池采用化學(xué)摻雜》（High Efficiency Graphene Solar Cells by Chemical Doping）。”《納米快報(bào)》，2012年5月3日。
我們演示了單層石墨/n型硅肖特基結(jié)太陽(yáng)能電池（single layer graphene/n-Si Schottky junction solar cells），采用AM1.5強(qiáng)度的光照，表現(xiàn)出的能量轉(zhuǎn)換效率（PCE）是8.6％。這一性能的取得，是因?yàn)閾诫s石墨烯與雙(三氟甲烷磺酰)亞胺（bis(trifluoromethanesulfonyl)amide），這樣會(huì)超過(guò)原生（無(wú)摻雜）設(shè)備性能4.5倍，是迄今能量轉(zhuǎn)換效率最高的石墨烯基太陽(yáng)能電池。電流-電壓、電容-電壓，以及外部量子效率的測(cè)量都表明有提高，原因就是摻雜誘導(dǎo)，轉(zhuǎn)變了石墨烯的化學(xué)位（chemical potential），提高了石墨載流密度（降低了電池串聯(lián)電阻）。而且提高了電池的內(nèi)置電勢(shì)（提高開(kāi)路電壓），這兩者都提高了太陽(yáng)能電池的填充因子（fill factor）。
