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“太阳能电池”——石墨烯成为大幅提高转换效率的王牌材料

发布时间:2011-3-3 点击:5545 字体大小: 返回

石墨烯被寄予厚望的应用实例之一是转换效率非常高的新一代太阳能电池。展望其今后的应用领域,首先是透明导电膜领域,其次是中间电极等领域。

不仅仅是代替ITO

  对于石墨烯制透明导电膜,触摸面板阵营的期待比较高,不过太阳能电池厂商的期待可能更高。这是因为石墨烯不仅在代替ITO方面的性能或其柔性较高,而且只有石墨烯透明导电膜才能实现对于太阳能电池来说非常重要的特性。

  这个特性就是对于包括中远红外线在内的所有红外线的高透明性。尽管红外线占据了相当一部分的太阳辐射能量,但现有的大部分太阳能电池都无法把红外线作为能量源来有效利用。这是因为除了有效的光电转换本身不易实现之外,迄今多用于透明电极的ITO和FTO对红外线的透射率实际上也比较低。

  如果只要对于红外线确保透明性就足够了的话,材料的开发并不困难。不过,这种材料大多在原理上会面临导电率大幅降低的问题。

  其理由如下:在一般情况下要确保大范围波长领域的透明性,载流子的密度越低越好。不过,由于导电率与载流子迁移率和载流子密度的乘积成比例,因此如果载流子迁移率不是很高,那么较小的载流子密度也就意味着导电率较小。其典型示例就是玻璃这种绝缘体。无论多透明,只要电流不能通过,就没有任何意义。

  石墨烯几乎是唯一一种能够避免这种问题的材料。其原因在于石墨烯具有非常高的载流子迁移率。因此,即使载流子密度非常小,也能确保一定的导电率。这种材料是非常罕见的。

超高效太阳能电池的实现近在咫尺

  最近有些研究机构正在积极进行光电转换层材料的开发,一些红外线高效转换技术也相继面世。这样一来,如果可以利用对红外线透明度也较高的透明导电膜,那么就可期待实现远远超过现有太阳能电池的转换效率。

  目前,在这些开发活动中处于领先地位的厂商之一是富士电机控股株式会社。该公司目前正在新能源产业技术综合开发机构(NEDO)的“革新性太阳能发电技术研究开发”项目中,积极开发采用石墨烯的太阳能电池用透明导电膜。

  不过,富士电机事实上已经放弃了迄今一直在研发的使用氧化石墨烯制作石墨烯片的工艺。时作为替代方法导入了三星公司等也采用的热CVD法。通过一系列自主改进得到的2层石墨烯片的“导电率将高达ITO的几倍,并且能够确保90%的光透射率等,已经达到能够充分满足性能指标的水平”(富士电机)。

  有待解决的课题是量产性问题。“我们希望再能降低CVD法的工艺温度。同时需要确立该方法中所使用的铜的再利用工艺。另外,还需要确认与太阳能电池半导体层的相容性等”(富士电机)。

作为电子和空穴两者的传输材料

  石墨烯在太阳能电池用途方面被寄予厚望的不仅仅是与太阳有关的透明电极。插入半导体层之间的中间电极方面的应用目前也正在探讨之中。

  石墨烯最能发挥威力的领域是有机薄膜太阳能电池领域。首次分离单层石墨烯的英国曼彻斯特大学研究人员康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)曾在接受《日经电子》书采访时表示“有机薄膜太阳能电池是最接近石墨烯实用化的应用之一”。

  在太阳能电池中使用石墨烯作为中间电极的优点是透明且与半导体层的相容性较高。特别是中间电极材料要求同时兼具这两个性质。具体来说,“与(迄今普遍用做中间电极的)TiO2/PDOT相比,石墨烯电极与半导体层的相容性更好”(日本埼玉大学上野启司副教授)。

  在这一方面,石墨烯中电子和空穴的载流子迁移率相等这一性质也作出了一定贡献。以前,中间电极一般重叠使用n型和p型两种材料。由于石墨烯既有n型又有p型,因此仅需1层石墨烯就能替代原来的材料。

 

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