一篇综述尽览：石墨烯和其他2D材料在太阳能光伏中的应用

【前言】

石墨烯是一种碳的同素异形体，其原子排列成蜂窝晶格结构，由于其迷人和奇异的材料特性而引起了人们的极大兴趣。石墨烯是一种具有双极电特性的零带隙半金属，也显示出优异的机械性能，具有高杨氏模量( 1.1 TPa )、高导热率(室温下(3 × 10³W m⁻¹K⁻¹)和非常大的比表面积(2630 m²g⁻¹)。石墨烯表现出令人称道的光学性能，具有高透明度(可见光光谱中的97.7 %透射率)和优异的电学性能，具有高电导率(≈10⁴Ω⁻¹cm⁻¹)。具有这种优异性能的石墨烯被用在各种应用，例如电子；光子和光电电路；自旋电子学；能量储存和转换；轻薄柔性但耐用的显示屏；各种生物医学设备；以及石墨烯基智能材料等新兴领域。石墨烯在节能应用中很广泛，以实现高性能、高效、低成本、轻质和柔性的能源设备，满足世界范围内有限的能源资源。跟随着石墨烯的步伐，其他原子级厚度的层状半导体2D材料以其固有的独特性质进入人们的视线。由于具有固有的带隙和不同的晶体结构，这些2D材料已经成为与下一代电子和光电子相关的各种应用的优质的候选材料

【成果简介】

2D材料由于其出众的光学和电子特性而吸引了相当多的关注，并显示出在下一代太阳能电池和其他光电器件应用的巨大潜力。随着光伏产业向更薄的活性材料趋势发展，二维材料原子级的厚度和高度的柔性使得它们成为在未来一代光伏技术集成中的优选。石墨烯具有高透明度和导电性，不仅可以用作太阳能电池中的电极，而且它的双极电传输也使它能够同时用作正极和负极。石墨烯以外的2D材料，如过渡金属二硫化物，是单层水平的直接带隙半导体，可用作超薄柔性太阳能电池的活性层。然而，由于标准光伏技术路线图中没有2D材料，因此在最近增长的2D材料和传统太阳能材料库之间仍然缺乏适当的协同作用。近日，来自美国中佛罗里达大学的Jayan Thomas教授和Tania Roy教授（共同通讯）在Advanced Materials上发表综述，题为“The Role of Graphene and Other 2D Materials in Solar Photovoltaics”。综述本文全面回顾了基于2D材料的太阳能光伏技术的现状，以便利用太阳能电池2D材料的最新进展来制定各种光伏技术的未来路线图。

【图文导读】

图1. 对不同的二维半导体材料的带隙值进行比较

图2. 对不同类型的基于2d材料的太阳能电池的示意图

图3. 器件的示意图及性能

图4. 光学及电学测试

图5. 化学处理前后电池电学性能变化

图6. Gr-AgNWs‐Si太阳能电池示意图以及性能测试

图7. 石墨烯带结构

图8. 2D材料/n-Si太阳能电池能级讨论

图9. 不同功能层在有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池中能带排列的示意图

图10. 不同层的能级及相应太阳能电池性能

图11.半透明钙钛矿太阳能电池的示意图极其能带与性能

图12.对钙钛矿太阳能电池从微观到平面的观察

图13. 基于rGO/mp-TiO₂复合的钙钛矿太阳能电池性能

图14. 三种单层TMDC和石墨烯的吸光度

图15. MoS₂/p-Si电池，能带结构与性能

图16. 2D太阳能电池示意图以及能带结构

图17. WS₂/MoS₂异质结太阳能电池

图18. roll‐to‐roll制备石墨烯薄膜

【总结】

作者描述了石墨烯、石墨烯基材料和其他太阳能光伏2D材料的最新进展，包括硅基太阳能电池、有机和钙钛矿太阳能电池。在回顾的所有光伏技术中，石墨烯由于其高透明度和导电性而被用作透明导电电极。可以看出，随着层数的增加，石墨烯层的导电性以降低透明度为代价得到改善。因此，需要在两者之间进行适当的权衡，以实现最佳性能。对于硅光伏电池，石墨烯的作用是双重的: i )它充当透明导电电极，和ii )充当有源层，用于通过与硅的肖特基结分离光生载流子。石墨烯的掺杂对于降低其薄层电阻和调整硅太阳能电池的内建电势至关重要。石墨烯的双极性质允许实现有机和钙钛矿太阳能电池的阳极和/或阴极以及ETL和/或HTL。此外，石墨烯极有可能作为有机太阳能电池中的三元材料和钙钛矿太阳能电池的稳定材料发挥关键作用。过去几年中，其他2D材料如MoS₂, MoSe₂, WS₂, and WSe₂在光伏器件中的应用也得到研究。基于这些材料在太阳光谱的可见至近红外部分的高吸收系数，研究人员已经探索了将这些材料用于太阳能电池的优点。由于TMDCs的功函数和带隙可以调节，这些材料也可以用作有机和钙钛矿太阳能电池的ETL和HTL。基于2D/2D异质结构的太阳能电池具有高吸收系数、高辐射效率和清晰的清洁界面，可导致活性材料的每克最高瓦特利用率。石墨烯还被认为具有热载流子太阳能电池和生物传感器储能集成太阳能电池芯片的应用潜力。将大面积卷对卷加工的石墨烯应用于当前的太阳能光伏平台是石墨烯研究的重要方向之一。作者认为石墨烯已经展示了巨大的研究和工业潜力，可以被吸收到光伏标准技术路线图中。这方面的一个问题是，它必须与现有的工艺和供应链竞争，以获得硅和氧化铟锡等现有材料同样的地位。然而，作者认为，具有巨大潜力的材料应该总是相互协同补充和协调，而不是相互竞争。

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

本文由材料人电子电工学术组Z. Chen供稿，欧洲足球赛事 整理编辑。

欢迎大家到材料人宣传滚球体育 成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱：tougao@cailiaoren.com。

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaokefu