鉅大LARGE | 點擊量：1448次 | 2019年05月16日
太陽能電池的2D材料
無機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、其他元素摻雜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關(guān)鍵的設(shè)計要求。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
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，因為它們可以制造更薄、更輕、更靈活的太陽能電池。
目前已經(jīng)報道了幾種石墨烯太陽能電池的實驗設(shè)計，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。
不同二維半導體材料族帶隙值的比較。同時展示了晶體結(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、有機和鈣鈦礦太陽能電池)的最新進展。
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/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體之間)和肖特基結(jié)(發(fā)生帶彎曲的金屬-半導體結(jié))。
雖然石墨烯可以更好地將光傳輸?shù)桨雽w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。
作者詳細討論了石墨烯作為透明導電電極和結(jié)層(空穴收集器)在石墨烯-硅太陽能電池中的作用。
ITO作為有機和鈣鈦礦基太陽能電池的透明導電電極具有重要作用，但也存在一些不足。
在這些有機太陽能電池中，石墨烯——由于其高導電性、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，同時在透明度、導電性、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。
石墨烯和其他先進太陽能電池的2D材料
石墨烯和其他先進太陽能電池的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4.5mAcm-2的電流。
作者討論并計算了TDMCs在硅基太陽能電池、有機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，因為傳統(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帶隙，這使它們成為太陽能電池應(yīng)用的理想材料?！?/p>
“此外，作為單層厚度的直接帶隙半導體，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吸收使得活性物質(zhì)的每克利用率達到最高?！?/p>
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，從而實現(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)的標準路線圖。
為此目的的一個擔憂是，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，我們認為，具有巨大潛力的材料應(yīng)該始終相互補充和贊美，而不是相互競爭?！?/p>
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