贾树明;魏大鹏;焦天鹏;汪岳峰
【摘 要】Schottky Junction solar cell has attracted more and more attention ,because of its simple structure , easinessof preparation and low cost .Graphene ,with the property of excellent physical performance ,abundant natural resources and low preparation cost ,has become a candidate to replace the traditional IT O for the Schott‐ky Junction solar cell .In this paper ,we reviewed the progress of Schottky Junction solar cells based on gra‐phene ,and discuss the problems in the practical applications .It provides a powerful tool to research potential applications of graphene in Schottky Junction solar cells in future .%肖特基结太阳能电池因其结构简单、制备方便、成本低廉而受到广泛关注。石墨烯材料具有优异的物理性能以及原料来源丰富、制备成本低，可替代传统的IT O 用于制备基于石墨烯的肖特基结太阳能电池。综述了现阶段基于石墨烯肖特基结太阳能电池的研究进展，探讨和分析了不同类型石墨烯肖特基结太阳能电池的性能以及在应用中存在的问题，为后续开展石墨烯肖特基结太阳能电池的研究与应用提供借鉴。
【期刊名称】《功能材料》
【年(卷),期】2015(000)016
【总页数】9页(P16001-16008,16015)
【关键词】石墨烯;IT O;肖特基结;太阳能电池
【作 者】贾树明;魏大鹏;焦天鹏;汪岳峰
【作者单位】中国科学院重庆绿智能技术研究院，跨尺度制造技术重庆市重点实验室，重庆400714; 军械工程学院电子与光学工程系，石家庄050003;中国科学院重庆绿智能技术研究院，跨尺度制造技术重庆市重点实验室，重庆400714;中国科学院重庆绿智能技术研究院，跨尺度制造技术重庆市重点实验室，重庆400714;军械工程学院电子与光学工程系，石家庄050003
【正文语种】中 文
【中图分类】TM914.4;TK01+9
1 引 言
太阳能作为一种可再生能源，因其清洁、环保而倍受重视；为了更好的利用太阳能，人们开发研制了多种太阳能电池。与其它种类的太阳能电池相比，肖特基结太阳能电池是通过金属与掺杂改性的半导体接触形成肖特基结，实现光电转换的；其结构简单、制备方便、成本低廉，因而倍受关注，并开展了大量研究工作［1－4］。在早期的肖特基结太阳能电池中，以金属薄层作为透光层，但是由于金属较强的光吸收性能，致使太阳能电池的光电转换效率较低，限制了其应用［5］。为了弥补金属透光性差这一缺陷，氧化铟锡（ITO）代替金属用于太阳能电池的透光层材料［6－8］。但是ITO脆性大、不易弯折，热稳定性差，透光范围窄，不耐酸性环境以及用于制备ITO的铟资源有限等缺点［9］，限制了ITO作为透明导电层在肖特基结太阳能电池尤其是柔性光伏器件中的应用。
石墨烯是sp2杂化碳原子形成的单原子层材料，呈二维蜂窝状网格结构分布，是目前世界上发现的最薄最轻的二维材料。其表现出优异的力、热、光、电等特性［10－14］。石墨烯作为透明电极，具有高透光、高导电、不偏、性质稳定、柔韧性好等优点，可广泛应用于触摸屏、光电转换、柔性传感等功能器件［15－18］。
涂锡焊带
手动调速永磁耦合器本文系统综述了现阶段石墨烯薄膜材料在肖特基结太阳能电池中应用的研究进展，对比分析了不同材料、不同结构的石墨烯／半导体结的太阳能电池性能，并指出了目前应用中存在的问题与挑战，为后续石墨烯肖特基结太阳能电池的研究与应用提供借鉴。按钮指示灯
2 光伏用石墨烯材料的制备方法及性能分析
2.1 光伏用石墨烯薄膜的制备方法
目前已发展了大量的石墨烯制备方法。主要有：微机 械 剥 离 法［19］、热 解 SiC 法［20］、氧 化 石 墨 还 原法［21］、液相剥离法［22］、化学气相沉积法（CVD）［23］等。其中，微机械剥离法制备的石墨烯尺寸小、可控性差；对于热解SiC法，难以获得大面积、均匀的石墨烯［24］，且制备的石墨烯样品不易从基底上分离；氧化石墨还原法制备的石墨烯含有大量含氧官能团，严重影响石墨烯的透光、导电性能；液相剥离法中氧化、超声会导致碳原子的缺失，生产的石墨烯缺陷多且片层容易团聚［25］。而CVD方法制备石墨烯简单易行，成膜质量高，可用于生长大面积连续的石墨烯薄膜［26］，且薄膜的光学、电学等性能都优于ITO［27］，其制备过程如图1所示。所生产的石墨烯薄膜可转移到任意基底，用于制备大面积的电子器件（电极、显示屏等）［28－29］。目前，
异质结太阳能电池所使用的石墨烯薄膜均采用CVD方法。
2.2 透光率分析
石墨烯作为正六边形排布的二维晶体，厚度只有0.34 nm。石墨烯的透光率可由光电导率G（G＝e2／4）及其精细结构常数a（a＝e2／c）［30］决定
石墨烯具有从紫外到红外光区的宽波段透光性。在可见光范围内，单层石墨烯光吸收率R≡1／4π2 a 2 T＝1－T≈πa＝2.3%，与单层自支撑实验测试结果相符。并且，吸收率跟石墨烯层数呈线性关系R＝nπa（n为石墨烯层数）［10］。
2.3 导电性分析
石墨烯晶体结构中，碳原子中3个价电子与相邻碳原子形成sp2轨道杂化，而未成键的价电子形成的非局域化π、π＊键在布里渊区的K点处结合，形成了零带隙的能带结构［31－33］。独特的能带结构决定了石墨烯具有优异的电学性质：载流子在石墨烯中以极高的速度运动，很少发生散射，类似无静止质量的相对论性粒子（狄拉克粒子）；室温下的电子迁移率高达2×105 cm2／（V·s）［12］，大 约 是 硅 的 100 倍；电 导 率 可 达106 S／m，
远高于金、银等金属材料。
图1 CVD法制备石墨烯流程图Fig 1 The process of preparation of graphene by chemical vapor deposition
3 石墨烯／半导体肖特基结太阳能电池工作原理
本征石墨烯的导带和价带在布里渊区中心呈锥形接触，具有零带隙的能隙结构［34］。但是石墨烯表现出很强的导电能力［35］，其与半导体接触形成的异质结可等效为金属与半导体接触形成的肖特基结。石墨烯肖特基结太阳能电池结构如图2（a）所示。
最大功率点跟踪
图2 石墨烯／n型半导体肖特基结太阳能电池装置及其接触表面能带关系图Fig 2 The device and energy band diagram of graphene／n－semiconductor Schottky Junction solar cells
当石墨烯与n型半导体接触时，由于石墨烯的功函数ФG大于n型半导体的功函数Ws，即ФG＞Ws，石墨烯的费米能级高于半导体的费米能级，半导体的多子电子流向石墨烯，使得石墨烯表面带负电，半导体表面带正电，最后石墨烯和半导体的费米能级处于同一水平
太阳能跟踪控制器上，这时不再有电子的净的流动，达到动态平衡，形成内建电场V D，其中q V D＝ФG－Ws，如图2（b）所示。光照产生的载流子在内建电场V D的作用下运动，电子向半导体层方向流动，空穴向石墨烯层方向流动，连接外电路构成回路，产生电流，实现光能向电能的转换。
4 石墨烯／半导体肖特基结太阳能电池研究进展
4.1 不同半导体材料的石墨烯肖特基结太阳能电池
硅具有较宽的光波段吸收范围、丰富的原料来源以及成熟的制备工艺，是目前商业化太阳能电池的首选材料。与传统的硅p－n结太阳能电池相比，硅肖特基结太阳能电池耗材少、工艺简单而得到广泛关注。2010年清华大学的朱宏伟教授及其团队［36］首次成功制备出了石墨烯／Si肖特基结太阳能电池，其器件结构如图3（a）所示。首先，将Si基底表面的SiO2（约300 nm）层刻蚀掉，出现一个图案化的窗口层，然后将CVD生长的石墨烯转移到图案化的Si基底表面，形成肖特基接触。除了透光、导电外，石墨烯还可以阻止Si表面太阳光的反射，增加光的吸收，提高电池效率，见图3（b）所示。在 AM1.5 G（100 m A／cm2）光源的照射下，电池的短路电流密度（J sc）为4.0～6.5 m A／cm2，开路电压（
V oc）为0.42～0.48 V，转换效率大约为1.5%。
图3 石墨烯／n－Si肖特基结太阳能电池Fig 3 Graphene／n－Si Schottky Junction solar cells
相比传统的Si材料，砷化镓（GaAs）是直接带隙的半导 体 且 电 子 迁 移 率 高 达 8 000 cm2／（V·s）（300 K）［37］，大约是Si的6倍（1 350 cm2／（V·s））［38］，因此利用GaAs可制备高转换效率的太阳能电池［39－41］。Hao等［42］将CVD生长的石墨烯转移到含有200 nm SiO2绝缘层n型掺杂的Ga As基片表面，制备出了单层、双层石墨烯／GaAs肖特基结太阳能电池，如图4（a）、（b）所示。其中，单层石墨烯太阳能电池短路电流为6.43 m A／cm2、开路电压为0.62 V，转换效率为1.09%；双层石墨烯太阳能电池的短路电流为10.03 mA／cm2、开路电压为0.65 V，转换效率为1.95%，高于石墨烯／Si太阳能电池的转换效率（1.5%），分别见图4（c）、（d）所示。单层石墨烯太阳能电池较差的光伏特性可能是由于较高的二极管理想因子、较大的电池串联电阻以及较低的肖特基势垒造成的。
图4 石墨烯／n－GaAs肖特基结太阳能电池Fig 4 Graphene／n－GaAs Schottky Junction
solar cells
除了常见的Si、Ga As等半导体材料外，磷化铟（InP）作为直接带隙的半导体材料，因其合适的能隙值也被用来制备高转换效率的太阳能电池［43－44］。另外，与Si、Ga As相比，In P具有更好的抗辐射稳定性［45］，其制备的太阳能电池可应用到太空等恶劣环境中。2015年，Wang及其科研团队［46］将CVD生长的单层石墨烯转移到p－InP基片上，成功制备出了转换效率3.3%的石墨烯／P－InP肖特基结太阳能电池。此外，CdS［47］、CdSe［48］等半导体材料也被用来和石墨烯接触制备肖特基结太阳能电池。
