隨著我們對可再生能源的依賴越來越明顯，對高效太陽能電池的需求變得越來越重要，尤其是當太陽能電池是生產清潔能源最簡單、最便宜的方式之一的時候。
一般來說，太陽能電池的效率不是很高。然而，近年來石墨烯太陽能電池的發展使太陽光的反射率降低了20%，潛在的效率提高了20%。
目前有許多不同種類的石墨烯太陽能電池正在被研究。本文全面概述了世界各地的學術和企業研究人員正在調查的不同類型。
石墨烯太陽能電池原理
石墨烯太陽能電池的基本原理與目前生產的無機/硅太陽能電池基本相同，只是目前使用的一些材料被石墨烯衍生物取代。與任何設備或材料一樣，有一些參數可以改進以提高操作效率。
石墨烯具有卓越的調諧能力和適應性。對於石墨烯基太陽能電池，兩個可能改變設備性質的突出參數是設備(或設備內的單個組件)中的石墨烯層數和摻雜石墨烯基材料的影響。
石墨烯層對太陽能電池的影響
隨著石墨烯層數的增加，光學透明度、電阻和層數之間的關係可以通過光學透明度和電阻的成比例下降來表徵。
單層石墨烯的光學透明度為97.7%。
三層石墨烯的光學透明度約為90.8%，每層的添加相當於光學透明度降低2.3%。
一張石墨烯生產薄層電阻2.1 kΩsq-1和350Ωsq-1,同時保留90%的光學透明度。由於更高的空穴接受密度，多層石墨烯的猝滅效果可比單層石墨烯大11%。
摻雜石墨烯對太陽能電池的影響
將雜原子摻雜到石墨烯薄片上可以顯著改變薄片的化學、物理、電子和光子特性，這是許多太陽能電池的常用方法。
摻雜主要有兩種類型:p型和n型。
p型摻雜利用三價原子，比如硼，它從石墨烯薄片上提取一個電子併產生一個空穴，這個過程被稱為空穴摻雜，空穴在石墨烯薄片的價帶中產生。
然而，n型摻雜涉及五價原子，如磷，是一種供電子摻雜方法，使一個自由電子從五價原子進入石墨烯片。在這種情況下，自由電子在石墨烯片的導帶中得到促進。
摻雜石墨烯片的方法多種多樣，包括固相、液相和氣相化學摻雜、球磨、熱退火、化學氣相沉積(CVD)原位摻雜和等離子體處理等。
摻雜效果取決於所用石墨烯衍生物的類型和摻雜過程。無論哪一個參數(或兩者)是利用在摻雜過程中，一般的結果是提高太陽能電池的效率。
Graphene-Silicon太陽能電池
為了降低成本，碳的各種同素異形體已經被應用到太陽能電池中，使其得到更廣泛的應用。
碳的其他同素異形體，由於不能調節電子性質和層的厚度而沒有成功。用於太陽能電池的石墨烯基薄膜可按預定厚度和完全覆蓋範圍生產。它還允許根據使用的摻雜混合物調整性能。
石墨烯現已應用於石墨烯-硅太陽能電池的各種結，包括p型異質結、n型異質結和肖特基結。石墨硅太陽能電池正在研究中，但純硅電池的性能仍然優越。石墨烯的可調性對混合太陽能電池很有前途。雖然它還沒有達到同樣的水平，但進步正在進行，這只是一個時間問題，直到他們的效率超過純硅電池。
迄今為止，n型異質結可以產生0.55- 0.57的內部電壓，以幫助電子空穴分離。肖特基結的功率轉換效率(PCE)僅為1.5%，而目前的填充係數僅為56%，理論上可以大大提高效率。在石墨烯層中摻入金粒子可使效率提高40%。
Graphene-Polymer太陽能電池
石墨烯摻入的一個研究熱點是聚合物太陽能電池。聚合物材料由於其可調性、低成本和簡單的製造工藝，比無機基材料具有許多優點。
石墨烯在透明電極中顯示出巨大的潛力，可替代聚合物太陽能電池中的氧化銦錫(ITO)。電極中的石墨烯經過塗覆、分層、還原和溫度退火後，成為一種有機-無機雜化材料。混合材料具有更好的能量關係，因為石墨烯的費米能級和半導電層更接近，從而實現有效的電荷注入。
石墨烯-聚合物透明電極也具有很高的工作性能和導電性，但其透光率限制在65%。除了將石墨烯還原成雜化體外，cvd生產的石墨烯還可以用作透明電極。
石墨烯經過臭氧處理，在石墨烯表面生成羰基和羥基官能團。氧基官能團提高了開路電壓，但由於sp2雜化共價網絡被功能化碳周圍的sp3鍵破壞，電導率降低。非共價功能化石墨烯具有良好的導電性，最高可達0.55 V開路電壓，填充係數為55%，PCE為1.71%。石墨烯的柔韌性使得太陽能電池的彎曲度比純ITO電極高78度。
基於電子轉運體和受體的石墨烯-聚合物太陽能電池依靠高電子親和能將電子空穴對解離成獨立的電荷。與其他材料不同，石墨烯與共軛聚合物混合後能有效分離。石墨烯的大表面積允許一個連續的途徑和多個供/受體位點來實現有效的電子轉移。這種類型的太陽能電池已經產生了1.1%的PCE。
許多太陽能電池需要一個空穴傳輸層來阻止電流洩漏和充電重組。石墨烯可與高分子材料混合，製成能帶隙可達3.6 V的材料，阻止電子從陰極向陽極遷移。
眾所周知，2nm石墨烯薄膜的效果最好，因為厚薄膜可以防止電子的透過率並增加電阻。
所獲得的最高PCE為9%，即使不比用作空穴輸送層的其他材料高，也與之相當。
染料敏化太陽能電池(DSSC)
與其他類型的太陽能電池相比，DSSC是不同的。它們含有一種半導體材料(如TiO2)，陽極是光敏染料，陰極是純金屬(如鉑)和電解質溶液。
石墨烯具有許多有利的性質，可以提高染料分子的負載效率，增加界面面積，提高電子的導電性，以對抗電荷重組的影響。平衡TiO2和石墨烯的比例是實現高效體系的關鍵。
石墨烯的價電子通過石墨烯-TiO2界面被激發進入TiO2導電帶，有效地將電子與空穴分離。
因此，需要足夠的石墨烯(大約1%)來促進這種分離，但在基體中加入更高濃度的石墨烯會導致透射率降低。石墨烯加入到DSSC中，改善了光在光陽極的散射，有效分散了染料分子，並提供了比純TiO2電極大39%的效率。
石墨烯/量子點(QD)太陽能電池
石墨烯和碳納米管都與量子點雜交，製成了功能齊全的太陽能電池。在這兩種同素異形體中，石墨烯雜交量子點的潛力最大。通過在ITO上進行電泳和化學浴沉積，可以得到石墨烯層和CdS量子點的層狀結構。最優的層狀結構由8個重複的石墨烯- cd雙層膜組成。這種石墨烯- cds結構可以產生高達16%的效率，比碳納米管- cds的效率高出7%，比其他碳同素異形體的效率高出11%。
這是由於石墨烯產生了更好的量子點支架，層狀結構在抑制電荷重組的同時，提供了從量子點到石墨烯的快速電子轉移。
Graphene-Tandem太陽能電池
串聯太陽能電池，又稱多結太陽能電池，是由兩個或兩個以上的子電池以串聯或並聯的方式堆疊而成。據預測，一個太陽能電池理論上可以產生高達40%的太陽能轉換效率，但串聯太陽能電池有潛力達到86%的效率。
迄今為止，許多太陽能電池的PCE已經通過採用串聯安排得到了增強。利用低帶聚合物混合太陽能電池，通常使用ITO和其他碳衍生物，已經得到了很好的研究，但是基於石墨烯的串聯太陽能電池仍然是一個相對新的領域。
然而，使用氧化石墨烯已經有了一些有前途的進展。石墨烯串聯太陽能電池尚未達到非石墨烯太陽能電池的高度，但作為一個相對較新的領域，其潛力巨大，尤其是非石墨烯串聯太陽能電池的pce相對較高。
其中一種是由兩個亞電池組成的氧化石墨烯和聚合物串聯太陽能電池。該電池由兩層cs中和的氧化石墨烯和由電荷重組層MoO3和鋁連接的純氧化石墨烯組成。
根據使用的聚合物混合物和細胞內不同成分的厚度，這種細胞可以產生2.92%到3.91%的PCE。電池的開路電壓可在1.23 V和1.69 V之間變化，但取決於氧化石墨烯片之間互連層的電阻，而電阻是氧化石墨烯片厚度的函數。
另一種利用石墨烯的串聯電池也含有單壁碳納米管。這些材料的組合也被用作基於ito的亞細胞的空穴傳輸和互連層。由這兩種碳同素異形體組成的薄膜已分別用於普通太陽能電池和倒置太陽能電池中，相關太陽能電池的pce分別高達3.50%和2.90%。所得到的太陽能電池具有比含有相同亞電池但缺乏連接層的石墨烯的太陽能電池更高的PCE。儘管在這個應用中，它們沒有直接參與亞細胞，但石墨烯的存在提高了器件的整體效率。
閱讀更多 石墨烯資訊 的文章
