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石墨烯材料在太阳能电池中的应用 总纲 一、前言 二、石墨烯应用于太阳能电池透光电极材料 三 、石墨烯应用于太阳能电池受体材料 四、石墨烯应用于太阳能电池光阳极材料 五、展望 一、前言 近年来, 太阳能作为一种新型绿色能源受到广泛重视, 人们加大了对各种太阳能电池如晶体硅太阳电池、非晶硅薄膜太阳电池、染料敏化太阳电池和有机染料太阳电池的开发力度.2004 年, Geim 研究小组[1]采用胶带剥离法Scotch Tape Method)首次制备出稳定的石墨烯,引发了人们对石墨烯材料的空前关注. 石墨烯具有优异的材料性能, 如单原子层石墨烯材料理论表面积可达2630 m2/g[2-3], 高达200000 cm2/(V·s)的半导体本征迁移率, 杨氏模量约为1.0 TPa, 热传导率约为5000 W/(m·k), 且透光率达到97.7%[4].这些独特的性质使石墨烯有可能广泛应用于光伏领域.石墨烯之所以有如此优异的材料性能, 主要取决于石墨烯的分子结构. 它是一种sp2 杂化C 原子形成的六边形二维网格结构不断扩展得到的单层、两层或多层(小于10 层)材料, 其结构如图1 所示.本文综述了石墨烯在太阳能电池中的应用, 主要包括太阳能电池透光电极、工作电极及电池中电子受体材料等方面. 二、 石墨烯应用于太阳能电池透光电极材料 目前应用于透光导电极的材料为金属氧化物,如氧化铟锡(indium tin oxide, ITO)、氧化氟锡(fluorine tin oxide, FTO), 俗称导电玻璃. 虽然导电玻璃广泛应用于太阳能电池领域, 但导电玻璃有一些缺点, 如ITO 里的金属离子容易自发扩散, 导电玻璃对红外光谱有较强的吸收性以及导电玻璃较差的热稳定性. 另外, 导电玻璃在作为太阳能电池对电极的时候, 需在其表面镀一层铂, 来增强其导电性, 这大大增加了制备成本[5]. 上述缺点制约了以导电玻璃作为窗口电极材料的太阳能电池的发展.人们急需一种可以替代导电玻璃或是替代铂金的低成本材料以促进太阳能电池的产业化进程. 石墨烯作为一种超薄、透光性良好且电性能优异的导体材料, 成为金属氧化物电极比较好的替代材料[6-11].目前已有关于石墨烯作为透光导电极替代物的研究,用于替代DSSC 光阳极的透光ITO/FTO, 对电极镀铂ITO/FTO, 以及有机聚合物太阳能电池(Organicpolymer solar cell, OPSC)透光电极ITO/FTO 等. 以DSSC 为例说明石墨烯作为透光电极的应用情况. DSSC 主要结构包括三个部分: 工作电极、电解质和对电极, 如图2 所示. 工作电极的构成是在透光导电基底上制备一层多孔半导体晶体薄膜, 然后再将染料分子吸收在多孔薄膜中. 电解质一般可以是液态的, 也可以是固态或者准固态. 对电极通常为镀铂的ITO/FTO. DSSC的工作原理是吸附在半导体薄膜上的染料分子吸收太阳光后, 从基态跃迁到激发态: D +hv→D*; 激发态染料的电子迅速注入到纳米半导体晶体的导带(conduction band, CB)中:D*→D++e-(CB); 导带中的电子经外电路到达对电极: e-(CB)→e-; 3 I ? 离子扩散到对电极得到电子:I3? +2e-(CB)→3I -; 处于氧化态的染料D+ 被还原态的电解质I ? 还原再生, 重新回到基态:D 3I I3 D + + ? → ? + . 这些反应的不断循环最终实现光生伏特效应. 石墨烯在DSSC 透光电极材料的应用主要包括以下几个方面: 1) DSSC 光阳极, 即使用表面制备有石墨烯薄膜的亲水性石英玻璃代替传统的ITO/FTO; 2) DSSC 对电极, 因为石墨烯具有优异的电流传导能力, 所以石墨烯被作为铂金的替代材料涂敷于ITO/FTO表面, 以求达到进一步降低DSSC的制备成本的目的; 3) DSSC 光阳极工作电极. 如图2 中①和②所示, 石墨烯作为ITO 或FTO替代材料时, 一般需要制成薄膜材料, 其制备方法主要包括以下几种:(a) 浸渍提拉法(dip coating)，(b)旋转涂敷法(spin coating)，(c)电泳沉积法(electrophoretic deposition)，(d)化学气相沉积法(chemical vapor deposition,CVD) 三、石墨烯应用于太阳能电池受体材料 石墨烯作为太阳能电池受体材料, 主要应用于OPSC 中. OPSC 是一种混合异质结电池, 光照射OPSC 中的电子给体材料产生激子, 即电子空穴对,激子会在给体与受体的交界面分离, 从而使电子和空穴分别传导到两个电极上形成电流[35]. 电子给体材料的作用是