“太陽(yáng)能電池”——石墨烯成為大幅提高轉(zhuǎn)換效率的王牌材料
石墨烯被寄予厚望的應(yīng)用實(shí)例之一是轉(zhuǎn)換效率非常高的新一代太陽(yáng)能電池。展望其今后的應(yīng)用領(lǐng)域，首先是透明導(dǎo)電膜領(lǐng)域，其次是中間電極等領(lǐng)域。
不僅僅是代替ITO
對(duì)于石墨烯制透明導(dǎo)電膜，觸摸面板陣營(yíng)的期待比較高，不過(guò)太陽(yáng)能電池廠商的期待可能更高。這是因?yàn)槭┎粌H在代替ITO方面的性能或其柔性較高，而且只有石墨烯透明導(dǎo)電膜才能實(shí)現(xiàn)對(duì)于太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)非常重要的特性。
這個(gè)特性就是對(duì)于包括中遠(yuǎn)紅外線在內(nèi)的所有紅外線的高透明性。盡管紅外線占據(jù)了相當(dāng)一部分的太陽(yáng)輻射能量，但現(xiàn)有的大部分太陽(yáng)能電池都無(wú)法把紅外線作為能量源來(lái)有效利用。這是因?yàn)槌擞行У墓怆娹D(zhuǎn)換本身不易實(shí)現(xiàn)之外，迄今多用于透明電極的ITO和FTO對(duì)紅外線的透射率實(shí)際上也比較低。
如果只要對(duì)于紅外線確保透明性就足夠了的話，材料的開(kāi)發(fā)并不困難。不過(guò)，這種材料大多在原理上會(huì)面臨導(dǎo)電率大幅降低的問(wèn)題。
其理由如下：在一般情況下要確保大范圍波長(zhǎng)領(lǐng)域的透明性，載流子的密度越低越好。不過(guò)，由于導(dǎo)電率與載流子遷移率和載流子密度的乘積成比例，因此如果載流子遷移率不是很高，那么較小的載流子密度也就意味著導(dǎo)電率較小。其典型示例就是玻璃這種絕緣體。無(wú)論多透明，只要電流不能通過(guò)，就沒(méi)有任何意義。
石墨烯幾乎是唯一一種能夠避免這種問(wèn)題的材料。其原因在于石墨烯具有非常高的載流子遷移率。因此，即使載流子密度非常小，也能確保一定的導(dǎo)電率。這種材料是非常罕見(jiàn)的。
超高效太陽(yáng)能電池的實(shí)現(xiàn)近在咫尺
最近有些研究機(jī)構(gòu)正在積極進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換層材料的開(kāi)發(fā)，一些紅外線高效轉(zhuǎn)換技術(shù)也相繼面世。這樣一來(lái)，如果可以利用對(duì)紅外線透明度也較高的透明導(dǎo)電膜，那么就可期待實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率。
目前，在這些開(kāi)發(fā)活動(dòng)中處于領(lǐng)先地位的廠商之一是富士電機(jī)控股株式會(huì)社。該公司目前正在新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）的“革新性太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)研究開(kāi)發(fā)”項(xiàng)目中，積極開(kāi)發(fā)采用石墨烯的太陽(yáng)能電池用透明導(dǎo)電膜。
不過(guò)，富士電機(jī)事實(shí)上已經(jīng)放棄了迄今一直在研發(fā)的使用氧化石墨烯制作石墨烯片的工藝。時(shí)作為替代方法導(dǎo)入了三星公司等也采用的熱CVD法。通過(guò)一系列自主改進(jìn)得到的2層石墨烯片的“導(dǎo)電率將高達(dá)ITO的幾倍，并且能夠確保90％的光透射率等，已經(jīng)達(dá)到能夠充分滿足性能指標(biāo)的水平”（富士電機(jī)）。
有待解決的課題是量產(chǎn)性問(wèn)題。“我們希望再能降低CVD法的工藝溫度。同時(shí)需要確立該方法中所使用的銅的再利用工藝。另外，還需要確認(rèn)與太陽(yáng)能電池半導(dǎo)體層的相容性等”（富士電機(jī)）。
作為電子和空穴兩者的傳輸材料
石墨烯在太陽(yáng)能電池用途方面被寄予厚望的不僅僅是與太陽(yáng)有關(guān)的透明電極。插入半導(dǎo)體層之間的中間電極方面的應(yīng)用目前也正在探討之中。
石墨烯最能發(fā)揮威力的領(lǐng)域是有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池領(lǐng)域。首次分離單層石墨烯的英國(guó)曼徹斯特大學(xué)研究人員康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）曾在接受《日經(jīng)電子》雜志采訪時(shí)表示“有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池是最接近石墨烯實(shí)用化的應(yīng)用之一”。
在太陽(yáng)能電池中使用石墨烯作為中間電極的優(yōu)點(diǎn)是透明且與半導(dǎo)體層的相容性較高。特別是中間電極材料要求同時(shí)兼具這兩個(gè)性質(zhì)。具體來(lái)說(shuō)，“與（迄今普遍用做中間電極的）TiO2/PDOT相比，石墨烯電極與半導(dǎo)體層的相容性更好”（日本埼玉大學(xué)上野啟司副教授）。
在這一方面，石墨烯中電子和空穴的載流子遷移率相等這一性質(zhì)也作出了一定貢獻(xiàn)。以前，中間電極一般重疊使用n型和p型兩種材料。由于石墨烯既有n型又有p型，因此僅需1層石墨烯就能替代原來(lái)的材料。(生物谷 bioon.com)
