Only Perception: 摻雜賦予石墨烯太陽能電池最大效率

2012-05-22

摻雜賦予石墨烯太陽能電池最大效率

Dopant gives graphene solar cells highest efficiency yet
http://phys.org/news/2012-05-dopant-graphene-solar-cells-highest.html

May 21, 2012

(Phys.org) -- 研究者利用石墨烯良好的光、電特性，接著添加某種有機摻雜物，在基於石墨烯的太陽能電池中達成迄今最高的光電轉換效率（power conversion efficiency）。摻雜後，光電轉換效率從原本未摻雜的 1.9% 增加超過四倍，達到 8.6%。

這些研究者，由 Florida 大學（位於 Gainesville）的 Sefaattin Tongay 以及 Arthur F. Hebard 所領導，將他們的高效率石墨烯太陽能電池的研究發表在最近一期的 Nano Letters 上。

"在這裡，我們不僅利用了石墨烯美妙的光學透明性，我們還利用一種便宜且在環境中穩定的有機塗佈層來調整石墨烯的費米能階（Fermi level），藉此減少石墨烯的電阻，" Tongay 表示。"在這個階段中，大自然在界面上產生更高的整流（rectification）與電場，更進一步改善了太陽能電池的效率，眷顧了我們。"

在這款新太陽能電池中，單層石墨烯被置於矽晶圓上，成為 Schottky junction（蕭特基接面，下文均用原文） -- Schottky junction 太陽能電池這種光伏裝置的主要元件。

在光照之下，矽中會光致（photogenerated）電子--電洞對。這些光致電子與電洞因 Schottky junction 的固有電位（built-in electric potential，內建電位）而分散，並由帶相反電荷的石墨烯與半導體接面收集。這種單向流動的電流（電子朝某一方向流動而電洞朝另一方向）是一種明確的 Schottky junction 特性，並使該裝置能產生電力。

雖然過去曾證明基於石墨烯的 Schottky junction 太陽能電池，不過研究者在此採取額外步驟，並利用一種簡單的旋塗法（spin-casting method，旋轉塗佈法）在石墨烯中摻雜有機化學物質 TFSA。

摻雜允許研究者調整石墨烯的費米能階（電位能的測量），那導致二種改變，改善了太陽能電池的整體效率：減少石墨烯的電阻以及增加太陽能電池的固有電位，那導致因吸收光子而產生的電子--電洞對，更有效率的擴散。

在 8.6% 的效率下，這種摻雜裝置的效率改善明顯超過其他基於石墨烯的 Schottky junction 太陽能電池，而到目前為止，被證明的光電轉換效率則介於 0.1% 到 2.86% 之間。

與使用氧化銦錫（ITO）的 Schottky junction 太陽能電池相比，那些使用石墨烯的有數種優勢。例如，能調整石墨烯特性的能力，使得研究者得以優化太陽能電池的效率，並在矽以外的其他半導體上使用石墨烯層。

研究者們希望這裡所用的這些方法（那很容易且可擴展），可導致裝置在未來有更進一步的改善以及實際的應用。

（下面略譯）

Tongay 表示，藉由界面的改良、使用不同的有機塗佈層產生更高的摻雜效應、改善石墨烯的品質以及石墨烯轉移步驟（transfer procedure）、使用抗反射層還有其他為太陽能電池社群所知的眾多方法，可使效率獲得更進一步的提昇。這只是個開始。

Hebard 則補充，石墨烯物理學的更進一步發現應能導致更有效率且更廉價的太陽能電池。他表示，如果能更進一步了解進入的光子如何有效地創造電子與電洞，那接著能以我們想要的配置來擴散與收集，這樣的知識將能使我們找到有別於矽的基質（例如有機化合物或聚合物），那更便宜且能被應用到更大的領域。

※ 相關報導：

＊ High Efficiency Graphene Solar Cells by Chemical Doping
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl204414u

Xiaochang Miao, Sefaattin Tongay, Maureen K. Petterson,
Kara Berke, Andrew G. Rinzler, Bill R. Appleton, and
Arthur F. Hebard
Nano Lett., Article ASAP (2012)
doi: 10.1021/nl204414u