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      “太陽能電池”——石墨烯成為大幅提高轉換效率的王牌材料

      發布時間:2011/3/3 點擊:10207 字體大?。?span onClick="javascript:fontSize('news_content','12px')">小 返回

      石墨烯被寄予厚望的應用實例之一是轉換效率非常高的新一代太陽能電池。展望其今后的應用領域,首先是透明導電膜領域,其次是中間電極等領域。

      不僅僅是代替ITO

        對于石墨烯制透明導電膜,觸摸面板陣營的期待比較高,不過太陽能電池廠商的期待可能更高。這是因為石墨烯不僅在代替ITO方面的性能或其柔性較高,而且只有石墨烯透明導電膜才能實現對于太陽能電池來說非常重要的特性。

        這個特性就是對于包括中遠紅外線在內的所有紅外線的高透明性。盡管紅外線占據了相當一部分的太陽輻射能量,但現有的大部分太陽能電池都無法把紅外線作為能量源來有效利用。這是因為除了有效的光電轉換本身不易實現之外,迄今多用于透明電極的ITO和FTO對紅外線的透射率實際上也比較低。

        如果只要對于紅外線確保透明性就足夠了的話,材料的開發并不困難。不過,這種材料大多在原理上會面臨導電率大幅降低的問題。

        其理由如下:在一般情況下要確保大范圍波長領域的透明性,載流子的密度越低越好。不過,由于導電率與載流子遷移率和載流子密度的乘積成比例,因此如果載流子遷移率不是很高,那么較小的載流子密度也就意味著導電率較小。其典型示例就是玻璃這種絕緣體。無論多透明,只要電流不能通過,就沒有任何意義。

        石墨烯幾乎是唯一一種能夠避免這種問題的材料。其原因在于石墨烯具有非常高的載流子遷移率。因此,即使載流子密度非常小,也能確保一定的導電率。這種材料是非常罕見的。

      超高效太陽能電池的實現近在咫尺

        最近有些研究機構正在積極進行光電轉換層材料的開發,一些紅外線高效轉換技術也相繼面世。這樣一來,如果可以利用對紅外線透明度也較高的透明導電膜,那么就可期待實現遠遠超過現有太陽能電池的轉換效率。

        目前,在這些開發活動中處于領先地位的廠商之一是富士電機控股株式會社。該公司目前正在新能源產業技術綜合開發機構(NEDO)的“革新性太陽能發電技術研究開發”項目中,積極開發采用石墨烯的太陽能電池用透明導電膜。

        不過,富士電機事實上已經放棄了迄今一直在研發的使用氧化石墨烯制作石墨烯片的工藝。時作為替代方法導入了三星公司等也采用的熱CVD法。通過一系列自主改進得到的2層石墨烯片的“導電率將高達ITO的幾倍,并且能夠確保90%的光透射率等,已經達到能夠充分滿足性能指標的水平”(富士電機)。

        有待解決的課題是量產性問題?!拔覀兿M倌芙档虲VD法的工藝溫度。同時需要確立該方法中所使用的銅的再利用工藝。另外,還需要確認與太陽能電池半導體層的相容性等”(富士電機)。

      作為電子和空穴兩者的傳輸材料

        石墨烯在太陽能電池用途方面被寄予厚望的不僅僅是與太陽有關的透明電極。插入半導體層之間的中間電極方面的應用目前也正在探討之中。

        石墨烯最能發揮威力的領域是有機薄膜太陽能電池領域。首次分離單層石墨烯的英國曼徹斯特大學研究人員康斯坦丁·諾沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)曾在接受《日經電子》書采訪時表示“有機薄膜太陽能電池是最接近石墨烯實用化的應用之一”。

        在太陽能電池中使用石墨烯作為中間電極的優點是透明且與半導體層的相容性較高。特別是中間電極材料要求同時兼具這兩個性質。具體來說,“與(迄今普遍用做中間電極的)TiO2/PDOT相比,石墨烯電極與半導體層的相容性更好”(日本埼玉大學上野啟司副教授)。

        在這一方面,石墨烯中電子和空穴的載流子遷移率相等這一性質也作出了一定貢獻。以前,中間電極一般重疊使用n型和p型兩種材料。由于石墨烯既有n型又有p型,因此僅需1層石墨烯就能替代原來的材料。

       

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