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石墨烯為基礎的肖特基結太陽能電池：（a）無摻雜，b）有摻雜，（c）圖中有摻雜的太陽能電池顯示接觸器和接觸導線。來源：美國化學學會

利用石墨烯良好的電學和光學性能，再摻雜一種有機物，研究人員就取得了迄今最高的能量轉換效率，他們做的是石墨烯為基礎的太陽能電池。無摻雜設備的能量轉換效率是1.9％，摻雜後提高4倍多，達到8.6％。

這些研究人員中，領導是塞法汀•通蓋（Sefaattin Tongay）和亞瑟F.•赫巴德（Arthur F. Hebard），他們來自蓋恩斯維爾（Gainesville）佛羅里達大學（University of Florida） ，他們的研究探討高效率石墨烯太陽能電池，發表在5月3日的《納米快報》（Nano Letters）上。

“在這裡，我們不僅利用了石墨烯優異的光學透明性，而且降低了石墨烯的電阻，調整石墨烯的費米能級（Fermi level），使用的是廉價環保的有機塗層。”通蓋說，“在這一步，自然屬性對我們很有利，在接口上產生了較高的整流和電場，進一步提高了太陽能電池的效率。”

在新的太陽能電池中，單層石墨烯放在矽片上，用作肖特基結（Schottky junction），主要組成部分就是簡單的光伏設備，稱為肖特基結太陽能電池（Schottky junction solar cells ）。

在光照條件下，電子-空穴對（electron-hole pairs）會在矽中因光產生。光生電子和空穴被分離，就是因為肖特基結內置的電勢，它們會被收集到帶相反電荷的石墨烯和半導體接觸器上。這種單向流動的電流（電子流朝著一個方向，空穴朝著另一個反向）是肖特基結規定的屬性，可以使設備發電。

石墨烯為基礎的肖特基結太陽能電池在過去也演示過，這裡，研究人員邁出了新的一步，摻雜石墨烯時採用有機化學品三氟甲磺酸（TFSA：trifloromethanesulfonic acid），他們使用了簡單的旋塗法（spin-casting method）。

摻雜使研究人員可以調整石墨烯的費米水平（可衡量電子電勢能量），這帶來了兩個變化，可提高太陽能電池的整體效率：降低了石墨烯的電阻，提高了太陽能電池的內置電勢，這就可以更有效地分離電子-空穴對，這些電子空穴對是由所吸收的光子產生的。

有了8.6％的效率，這種摻雜器件就顯著提高了效率，超過其他基於石墨烯的肖特基結太陽能電池，這些電池迄今已證實的電能量轉換效率是0.1％到2.86％不等。

肖特基結太陽能電池使用銦錫氧化物（indium tin oxide），相比之下，太陽能電池使用石墨烯有幾個優勢。例如，可以調整石墨烯的性質，優化太陽能電池的效率，而且石墨烯層也可用於矽以外的半導體。

研究人員希望，這裡使用的方法簡單而且具有可擴展性，可以進一步改進設備，並在未來進入實際應用。

“我們期望，這一效率可以進一步提高，因為可以設計工程接口，使用不同的有機塗料層，產生更高的摻雜效應，也可以提高石墨烯的質量和轉運程序，使用防反射層，還有很多其他方法，都是太陽能電池界所知道的，”通蓋說。“這僅僅是一個開始。”

赫巴德說，進一步發現石墨烯的物理屬性，會帶來更高效、廉價的太陽能電池。

“我們介紹的能量轉換效率可以提高，只需要簡單地使用一種穩定的有機覆蓋層，這僅僅是一個開始，”他說。“石墨烯及其衍生物不斷地給我們帶來驚喜，因為具有不同尋常的性質（強度，彈性，擴散屏障，可調諧的費米能級，線性電子光譜等）。進一步的發展也會實現，可以更深入的理解物理學，就是進入的光子如何有效地產生電子和空穴，然後又被分離和收集，就採用我們介紹的配置。這方面的知識應該用於尋找矽的替代物，比如有機物和聚合物，它們更便宜，可大面積使用。

“很顯然，石墨烯及其衍生物的研究已經廣為人知；我們期望，我們對太陽能電池的研究會繼續下去。”

更多信息：《高效率石墨烯太陽能電池採用化學摻雜》（High Efficiency Graphene Solar Cells by Chemical Doping）。”《納米快報》，2012年5月3日。

我們演示了單層石墨/n型矽肖特基結太陽能電池（single layer graphene/n-Si Schottky junction solar cells），採用AM1.5強度的光照，表現出的能量轉換效率（PCE）是8.6％ 。這一性能的取得，是因為摻雜石墨烯與雙(三氟甲烷磺酰)亞胺（bis(trifluoromethanesulfonyl)amide），這樣會超過原生（無摻雜）設備性能4.5倍，是迄今能量轉換效率最高的石墨烯基太陽能電池。電流-電壓、電容-電壓，以及外部量子效率的測量都表明有提高，原因就是摻雜誘導，轉變了石墨烯的化學位（chemical potential），提高了石墨載流密度（降低了電池串聯電阻） 。而且提高了電池的內置電勢（提高開路電壓），這兩者都提高了太陽能電池的填充因子（fill factor）。

資料來源:《納米快報》