鉅大LARGE | 點擊量：4124次 | 2021年04月22日
詳解石墨烯在太陽能電池領(lǐng)域的應(yīng)用
石墨烯，是指從石墨材料中提取出來的二維晶體，它是于2004年被英國的物理學(xué)家所發(fā)現(xiàn)的一種新型材料。在石墨烯的研究和應(yīng)用過程中，部分專家學(xué)者發(fā)現(xiàn)它在許多方面可以用來替代硅材料，用于計算機(jī)的生產(chǎn)和制造。石墨烯質(zhì)地十分輕薄，但是也具有超強(qiáng)的韌性，作為密度極高的石墨烯，它被提取之后幾乎是透明的，部分相關(guān)學(xué)者稱它將成為改造世界發(fā)展的重要材料之一。
由于石墨烯的透光度高達(dá)百分之九十七以上，這使它可以被充分的應(yīng)用到光伏領(lǐng)域當(dāng)中，而在太陽能電池材料中的應(yīng)用，充分的發(fā)揮出了石墨烯的基本特點。
石墨烯可應(yīng)用于透光電極材料。在我國目前的透光導(dǎo)電極材料中，多數(shù)為金屬氧化物，也就是我們?nèi)粘Ｋ@的導(dǎo)電玻璃。而導(dǎo)電玻璃在用作透光電極材料中卻存在熱穩(wěn)定性較差、制備成本的新增等特點，這在一定程度上都制約了太陽能電池的發(fā)展和應(yīng)用，而通過石墨烯材料作為透光電極，將從根本上解決這些問題。
在進(jìn)行石墨烯透光導(dǎo)電材料的應(yīng)用中，重要以DSSC進(jìn)行說明。在DSSC內(nèi)部，重要分為工作電極、電解質(zhì)和對電極這三個部分。其重要的構(gòu)成是將多孔半導(dǎo)體晶體薄膜置放在透光導(dǎo)電基底上，進(jìn)而將染料分子洗后在多孔薄膜當(dāng)中。由于電解質(zhì)存在不同的形態(tài)區(qū)分，而DSSC的重要原理就是導(dǎo)體薄膜上的染料分子在吸收太陽光之后，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)：D+hv→D*；激發(fā)態(tài)染料的電子也同時快速的融入到納米半導(dǎo)體晶體的導(dǎo)帶當(dāng)中：D*→D++e-（CB）；導(dǎo)帶中的電子經(jīng)過外部電路最終到達(dá)對電極：e-（CB）→e-；I3-離子擴(kuò)散到對電極后，得到電子I3-+2e-（CB）→3I-；而仍然處在氧化形態(tài)的染料D+被還原態(tài)的電解質(zhì)I-還原再生，重新回到基態(tài)本身。通過這些反應(yīng)之間的不斷循環(huán)，最終出現(xiàn)了光生伏特效應(yīng)。
與此同時，石墨烯在透光電極材料當(dāng)中的應(yīng)用過程還應(yīng)當(dāng)重視關(guān)于石墨烯的提取和制備，其方法也重要分為浸漬提拉法、旋轉(zhuǎn)涂覆法、電泳沉積法以及化學(xué)氣相沉積法。在進(jìn)行制備的過程中，也要保證石墨烯薄膜的均勻程度，確保其導(dǎo)電性的穩(wěn)定的同時，降低制備成本。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
石墨烯可應(yīng)用于太陽能電池受體材料該受體材料重要指OPSC。作為混合性的異質(zhì)結(jié)電池，OPSC內(nèi)部的電子給體材料會出現(xiàn)相應(yīng)的激子，從而出現(xiàn)電子與空穴在兩個電極上的電流，而電子受體材料大部分是用于在電子分離和傳輸?shù)倪^程中。在應(yīng)用的過程中，將光入射到給體的材料之上，材料會受到光線激發(fā)而出現(xiàn)激子，電子空穴對逐漸遷移到給體材料，并與石墨烯的受體材料進(jìn)行結(jié)合，而電子轉(zhuǎn)移到石墨烯受體材料的LUMO能級，空穴則會保留在HOMO能級上，實現(xiàn)電子和空穴的基本分離。
而電子在石墨烯受體材料當(dāng)中的不斷遷移，最終會傳導(dǎo)到A1負(fù)極上。電子空穴對分離后，空穴則會通過導(dǎo)電聚合物傳輸?shù)秸姌O的基本表面，這時由于空穴和電子分別被正負(fù)極所收集，出現(xiàn)了相應(yīng)的電勢差，從而實現(xiàn)了光生伏特效應(yīng)。
與此同時，由于表面接枝官能團(tuán)的重要途徑雖然在一定程度上實現(xiàn)了石墨烯的分散性提升，但過多的官能團(tuán)會導(dǎo)致石墨烯的分子結(jié)構(gòu)以及其電能性質(zhì)受到一定程度的影響，新增電子的符合，從而使太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率無法得到有效的提升。
3石墨烯在太陽能電池光陽極材料的應(yīng)用
通過對石墨烯與太陽能電池光陽極材料中的充分利用，將有效的增強(qiáng)電子的傳輸速度，進(jìn)一步降低電子之間的復(fù)合，從而實現(xiàn)光陽極關(guān)于染料的吸附能力，提高DSSC的綜合光電轉(zhuǎn)換效率。部分相關(guān)學(xué)者選擇通過低溫互凝結(jié)的方式促進(jìn)石墨烯與TiO2的符合，發(fā)現(xiàn)在二者的比例為1比20的狀態(tài)下，復(fù)合的效果相對較好。在使用此狀態(tài)下的復(fù)合物作為光陽極的DSSC的效率更高于其他復(fù)合物的效率。另外，還有專家學(xué)者將不同含量的石墨烯與TiO2粉末進(jìn)行混合，并用其溶液以旋轉(zhuǎn)涂覆方式覆蓋到ITO的玻璃上，以制備出光陽極。結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)石墨烯的含量為百分之一的狀態(tài)下，太陽能電池的綜合效率達(dá)到最高值。
前景展望：
太陽能電池是石墨烯應(yīng)用的熱點領(lǐng)域之一。石墨烯幾乎對所有紅外線具有高透明性，有利于提升光能利用率。透光率升高會導(dǎo)致載流子密度降低，但由于石墨烯具有非常高的載流子遷移率，即使載流子密度非常小，也能確保一定的導(dǎo)電率，可以作為太陽能電池中的受體材料。
石墨烯可以和有機(jī)聚合物材料復(fù)合形成大的給受體界面，有利于電池中激子的擴(kuò)散速率和載流子遷移率的提高，消除由于電荷傳輸路徑被破壞出現(xiàn)的二次聚集。另外，石墨烯材料也可以應(yīng)用到太陽能電池的光陽極上。將石墨烯薄膜沉積在Si表面，有利于Si基肖特基電池的表面鈍化、摻雜及異質(zhì)結(jié)的形成，且有效提升電池的光電轉(zhuǎn)換效率。在染料敏化太陽能電池中，將石墨烯與二氧化鈦形成復(fù)合物作為光陽極，意在充分利用二者的優(yōu)點，改善電子傳輸速度，降低電子空穴的復(fù)合，進(jìn)一步新增光陽極對染料的吸附，提高光電轉(zhuǎn)換效率。
從全球太陽能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展看，目前太陽能行業(yè)正處于高速發(fā)展階段，在邁向高精尖的道路上尚有一些亟待解決的技術(shù)難題，而石墨烯的出現(xiàn)正好為其供應(yīng)了潛在的解決方法。
