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【干货】石墨烯在太阳能电池领域的应用

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-04-03  浏览次数:18
核心提示:石墨烯,是指从石墨材料中提取出来的二维晶体,它是于2004年被英国的物理学家所发现的一种新型材料。在石墨烯的研究和应用过程中
 石墨烯,是指从石墨材料中提取出来的二维晶体,它是于2004年被英国的物理学家所发现的一种新型材料。在石墨烯的研究和应用过程中,部分专家学者发现它在许多方面可以用来替代硅材料,用于计算机的生产和制造。石墨烯质地十分轻薄,但是也具有超强的韧性,作为密度极高的石墨烯,它被提取之后几乎是透明的,部分相关学者称它将成为改造世界发展的主要材料之一。


由于石墨烯的透光度高达百分之九十七以上,这使它可以被充分的应用到光伏领域当中,而在太阳能电池材料中的应用,充分的发挥出了石墨烯的基本特点。

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石墨烯在太阳能电池透光电极材料的应用

石墨烯可应用于透光电极材料。在我国目前的透光导电极材料中,多数为金属氧化物,也就是我们日常所获的导电玻璃。而导电玻璃在用作透光电极材料中却存在热稳定性较差、制备成本的增加等特点,这在一定程度上都制约了太阳能电池的发展和应用,而通过石墨烯材料作为透光电极,将从根本上解决这些问题。

在进行石墨烯透光导电材料的应用中,主要以DSSC 进行说明。在DSSC 内部,主要分为工作电极、电解质和对电极这三个部分。其主要的构成是将多孔半导体晶体薄膜置放在透光导电基底上,进而将染料分子洗后在多孔薄膜当中。由于电解质存在不同的形态区分,而DSSC 的主要原理就是导体薄膜上的染料分子在吸收太阳光之后,从基态跃迁到激发态:D+hv→D*;激发态染料的电子也同时快速的融入到纳米半导体晶体的导带当中:D*→D++e-(CB);导带中的电子经过外部电路最终到达对电极:e-(CB)→e-;I3-离子扩散到对电极后,得到电子I3-+2e-(CB)→3I-;而仍然处在氧化形态的染料D+被还原态的电解质I-还原再生,重新回到基态本身。通过这些反应之间的不断循环,最终产生了光生伏特效应。

 

与此同时,石墨烯在透光电极材料当中的应用过程还应当注重对于石墨烯的提取和制备,其方法也主要分为浸渍提拉法、旋转涂覆法、电泳沉积法以及化学气相沉积法。在进行制备的过程中,也要保证石墨烯薄膜的均匀程度,确保其导电性的稳定的同时,降低制备成本。

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石墨烯在太阳能电池受体材料中的应用

石墨烯可应用于太阳能电池受体材料该受体材料主要指OPSC。作为混合性的异质结电池,OPSC 内部的电子给体材料会产生相应的激子,从而产生电子与空穴在两个电极上的电流,而电子受体材料大部分是用于在电子分离和传输的过程中。在应用的过程中,将光入射到给体的材料之上,材料会受到光线激发而产生激子,电子空穴对逐渐迁移到给体材料,并与石墨烯的受体材料进行结合,而电子转移到石墨烯受体材料的LUMO 能级,空穴则会保留在HOMO 能级上,实现电子和空穴的基本分离。

而电子在石墨烯受体材料当中的不断迁移,最终会传导到A1 负极上。电子空穴对分离后,空穴则会通过导电聚合物传输到正电极的基本表面,这时由于空穴和电子分别被正负极所收集,产生了相应的电势差,从而实现了光生伏特效应。

与此同时,由于表面接枝官能团的主要途径虽然在一定程度上实现了石墨烯的分散性提升,但过多的官能团会导致石墨烯的分子结构以及其电能性质受到一定程度的影响,增加电子的符合,从而使太阳能电池的光电转换效率无法得到有效的提升。

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石墨烯在太阳能电池光阳极材料的应用

通过对石墨烯与太阳能电池光阳极材料中的充分利用,将有效的增强电子的传输速度,进一步降低电子之间的复合,从而实现光阳极对于染料的吸附能力,提高DSSC 的综合光电转换效率。部分相关学者选择通过低温互凝结的方式促进石墨烯与TiO2的符合,发现在二者的比例为1 比20 的状态下,复合的效果相对较好。在使用此状态下的复合物作为光阳极的DSSC 的效率更高于其他复合物的效率。另外,还有专家学者将不同含量的石墨烯与TiO2粉末进行混合,并用其溶液以旋转涂覆方式覆盖到ITO 的玻璃上,以制备出光阳极。结果发现当石墨烯的含量为百分之一的状态下,太阳能电池的综合效率达到最高值。

前景展望:

太阳能电池是石墨烯应用的热点领域之一。石墨烯几乎对所有红外线具有高透明性,有利于提升光能利用率。透光率升高会导致载流子密度降低,但由于石墨烯具有非常高的载流子迁移率,即使载流子密度非常小,也能确保一定的导电率,可以作为太阳能电池中的受体材料。

石墨烯可以和有机聚合物材料复合形成大的给受体界面,有利于电池中激子的扩散速率和载流子迁移率的提高,消除由于电荷传输路径被破坏产生的二次聚集。另外,石墨烯材料也可以应用到太阳能电池的光阳极上。将石墨烯薄膜沉积在Si表面,有利于Si基肖特基电池的表面钝化、掺杂及异质结的形成,且有效提升电池的光电转换效率。在染料敏化太阳能电池中,将石墨烯与二氧化钛形成复合物作为光阳极,意在充分利用二者的优点,改善电子传输速度,降低电子空穴的复合,进一步增加光阳极对染料的吸附,提高光电转换效率。

从全球太阳能产业的发展看,目前太阳能行业正处于高速发展阶段,在迈向高精尖的道路上尚有一些亟待解决的技术难题,而石墨烯的出现正好为其提供了潜在的解决方案

 
 
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