近日，由美國麻省理工學(xué)院、中國國家納米科學(xué)中心和清華大學(xué)的研究小組合作揭示了高效率石墨烯-硅肖特基勢壘太陽能電池中界面氧化物的作用，并將其能量轉(zhuǎn)化率大幅提升。

石墨烯具有高的電導(dǎo)率和透光率，是理想的光電材料。石墨烯對(duì)所有光幾乎是透明的，可用于制備高導(dǎo)電率的透明導(dǎo)電膜。例如作為透明導(dǎo)電薄膜代替氧化銦錫（ITO透明導(dǎo)電玻璃）等透明導(dǎo)電材料。太陽能電池中較多使用的是硅p-n結(jié)，這是由于其制作工藝要相對(duì)簡單。在石墨烯-硅太陽能電池中，將單層石墨烯放在硅片上，即可形成肖特基結(jié)（Schottkyjunction），在光照條件下，硅中會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)（electron-holepairs），然后光生電子和空穴分離（電子流朝著一個(gè)方向，空穴朝另一個(gè)反向運(yùn)動(dòng)），進(jìn)而被帶相反電荷的石墨烯和半導(dǎo)體接觸器捕獲，通過這種單向的電流流動(dòng)，使設(shè)備發(fā)電。

石墨烯-硅太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率實(shí)現(xiàn)突破

CVD法制備石墨烯成本較低，使其成為肖特基勢壘太陽能電池（SBSC）電極材料的理想選擇。2010年，清華大學(xué)Zhu和Li等人在《AdvancedMaterials》首先報(bào)道了石墨烯-硅太陽能電池模型。2012年，佛羅里達(dá)大學(xué)Miao等人，在《Nanoletters》上發(fā)表相關(guān)文章，他們通過聚合物摻雜三氟甲基磺酸（TFSA）將石墨烯-硅太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化率（PCE）提升到8.6%，而未摻雜的僅為1.9％。近期有報(bào)道，在添加一層TiO2防反射包覆層后，PCE可進(jìn)一步提升到14.5%，已接近大部分商業(yè)化硅太陽能電池（約15%）。

最近涉及石墨烯-硅和碳納米管-硅異質(zhì)結(jié)的研究中，1/V曲線在開路電壓附近都會(huì)出現(xiàn)S-形（見圖中C圖），有時(shí)非常小，有時(shí)卻非常明顯。這也就導(dǎo)致許多已見諸報(bào)道的工作中，其填充因子非常低。各國科學(xué)家們雖然提出了各種假設(shè)，但是還是沒能清楚解釋產(chǎn)生S-形的原因何在。

來自美國麻省理工學(xué)院（MIT）和清華大學(xué)、國家納米科學(xué)中心的科學(xué)家在石墨烯/n型硅肖特基結(jié)太陽能電池的基礎(chǔ)上共同深入研究了影響S-形的因素。他們得出結(jié)論，當(dāng)硅和石墨烯之間的氧化層厚度增加時(shí)，S-形就會(huì)越明顯。而且，光照強(qiáng)度增加時(shí)，其形狀就更明顯。在氧化層厚度小于15埃時(shí)，化學(xué)摻雜石墨烯會(huì)對(duì)其起抑制作用。他們還基于簡單的半導(dǎo)體物理學(xué)來解釋1/V曲線的形狀和摻雜的影響。所得結(jié)論為：在光照時(shí)肖特基結(jié)所產(chǎn)生的電流強(qiáng)度取決于隧道效應(yīng)和載流子復(fù)合的動(dòng)態(tài)平衡。隨著氧化層厚度的增加，載流子復(fù)合起主要作用，1/V曲線上的S-形也就更明顯，導(dǎo)致填充因子降低。化學(xué)摻雜提高了石墨烯的逸出功，抑制了再復(fù)合，因而在氧化層厚度小于15埃時(shí)，S-形受到抑制。這也就意味著，只要適當(dāng)調(diào)整氧化層的厚度，就可以提高電池的開路電壓，從而提高其填充因子。通過這個(gè)方法，他們將PCE從10.0%提升到12.4%。然后又在石墨烯層上加了一層防反射包覆層后，從而將PCE提升到15.6%（這是目前有報(bào)道的石墨烯-硅太陽能電池的最高轉(zhuǎn)換紀(jì)錄）。

對(duì)界面氧化層的深入了解對(duì)未來提升石墨烯-硅太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化有很重要的指導(dǎo)意義。上世紀(jì)七十年代，肖特基太陽能電池由于無需高溫?cái)U(kuò)散，可以使用多晶硅而受到廣泛研究。但是，人們很快發(fā)現(xiàn)，其性能受金屬-硅界面影響很大，而且效率會(huì)隨時(shí)間衰減。目前還不確定石墨烯-硅太陽能電池是否也有同樣的影響，但是站在工業(yè)應(yīng)用的立場上，這個(gè)領(lǐng)域是非常值得研究的。此外，對(duì)石墨烯-半導(dǎo)體界面的研究也可以應(yīng)用到其他二維異質(zhì)材料的異質(zhì)結(jié)中。