石墨烯在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用

摘 要：環(huán)境污染、資源短缺已經(jīng)成為世界各國(guó)所重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，如何通過(guò)新型能源的開(kāi)發(fā)以實(shí)現(xiàn)對(duì)于傳統(tǒng)能源的替代成為各國(guó)的相關(guān)研究學(xué)者重點(diǎn)研究的問(wèn)題。太陽(yáng)能作為二十一世紀(jì)以來(lái)我國(guó)應(yīng)用最為廣泛的主要能源之一，對(duì)我國(guó)的綜合發(fā)展產(chǎn)生了至關(guān)重要的影響，同時(shí)也為我國(guó)的綜合產(chǎn)業(yè)水平提高做出了巨大的貢獻(xiàn)。石墨烯作為一種新型材料，其被應(yīng)用于太陽(yáng)能電池的透光電極、電池中電子受體材料等多個(gè)方面。通過(guò)對(duì)石墨烯在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用分析，為新材料新技術(shù)的不斷研究提供了理論支持，將有效的促進(jìn)我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)的綜合發(fā)展。

關(guān)鍵詞：石墨烯；太陽(yáng)能電池；應(yīng)用

前言

新型能源的開(kāi)發(fā)與研究，為我國(guó)的綜合國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了十分積極的影響，我國(guó)的各行各業(yè)通過(guò)對(duì)于新能源的應(yīng)用，在一定程度上減少了對(duì)于生態(tài)平衡的破壞、相關(guān)資源的消耗以及環(huán)境的污染，這些因素都促進(jìn)了新能源在世界綜合領(lǐng)域中的健康發(fā)展。太陽(yáng)能作為我國(guó)目前的主要應(yīng)用能源，其在各個(gè)行業(yè)中的應(yīng)用不僅為我國(guó)人民生活水平的不斷提高產(chǎn)生了積極的影響，同時(shí)也為我國(guó)綜合國(guó)力的提升起到了至關(guān)重要的作用。

1 石墨烯概況

石墨烯，是指從石墨材料中提取出來(lái)的二維晶體，它是于2004年被英國(guó)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(guò)程中，部分專(zhuān)家學(xué)者發(fā)現(xiàn)它在許多方面可以用來(lái)替代硅材料，用于計(jì)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(chēng)它將成為改造世界發(fā)展的主要材料之一。

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(yáng)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(diǎn)[1]。

2 太陽(yáng)能電池透光電極材料的應(yīng)用

石墨烯可應(yīng)用于透光電極材料。在我國(guó)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、制備成本的增加等特點(diǎn)，這在一定程度上都制約了太陽(yáng)能電池的發(fā)展和應(yīng)用，而通過(guò)石墨烯材料作為透光電極，將從根本上解決這些問(wèn)題。在進(jìn)行石墨烯透光導(dǎo)電材料的應(yīng)用中，主要以DSSC進(jìn)行說(shuō)明。在DSSC內(nèi)部，主要分為工作電極、電解質(zhì)和對(duì)電極這三個(gè)部分。其主要的構(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的主要原理就是導(dǎo)體薄膜上的染料分子在吸收太陽(yáng)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(shí)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(guò)外部電路最終到達(dá)對(duì)電極：e-（CB）→e-；I3-離子擴(kuò)散到對(duì)電極后，得到電子I-3+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[2]。通過(guò)這些反應(yīng)之間的不斷循環(huán)，最終產(chǎn)生了光生伏特效應(yīng)。

與此同時(shí)，石墨烯在透光電極材料當(dāng)中的應(yīng)用過(guò)程還應(yīng)當(dāng)注重對(duì)于石墨烯的提取和制備，其方法也主要分為浸漬提拉法、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(guò)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(shí)，降低制備成本。

3 太陽(yáng)能電池受體材料的應(yīng)用

石墨烯可應(yīng)用于太陽(yáng)能電池受體材料該受體材料主要指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(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的激子，從而產(chǎn)生電子與空穴在兩個(gè)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^(guò)程中。在應(yīng)用的過(guò)程中，將光入射到給體的材料之上，材料會(huì)受到光線(xiàn)激發(fā)而產(chǎn)生激子，電子空穴對(duì)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(jí)，空穴則會(huì)保留在HOMO能級(jí)上，實(shí)現(xiàn)電子和空穴的基本分離[3]。而電子在石墨烯受體材料當(dāng)中的不斷遷移，最終會(huì)傳導(dǎo)到A1負(fù)極上。電子空穴對(duì)分離后，空穴則會(huì)通過(guò)導(dǎo)電聚合物傳輸?shù)秸姌O的基本表面，這時(shí)由于空穴和電子分別被正負(fù)極所收集，產(chǎn)生了相應(yīng)的電勢(shì)差，從而實(shí)現(xiàn)了光生伏特效應(yīng)。

與此同時(shí)，由于表面接枝官能團(tuán)的主要途徑雖然在一定程度上實(shí)現(xiàn)了石墨烯的分散性提升，但過(guò)多的官能團(tuán)會(huì)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，增加電子的符合，從而使太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率無(wú)法得到有效的提升。

4 太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極材料的應(yīng)用

通過(guò)對(duì)石墨烯與太陽(yáng)能電池光陽(yáng)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(shí)現(xiàn)光陽(yáng)極對(duì)于染料的吸附能力，提高DSSC的綜合光電轉(zhuǎn)換效率[4]。部分相關(guān)學(xué)者選擇通過(guò)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(duì)較好。在使用此狀態(tài)下的復(fù)合物作為光陽(yáng)極的DSSC的效率更高于其他復(fù)合物的效率。另外，還有專(zhuān)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(yáng)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(yáng)能電池的綜合效率達(dá)到最高值。

5 結(jié)束語(yǔ)

石墨烯材料作為我國(guó)近年來(lái)應(yīng)用較為廣泛的優(yōu)質(zhì)材料之一，為我國(guó)的許多行業(yè)發(fā)展都產(chǎn)生了積極的影響。在文章中，主要對(duì)石墨烯在太陽(yáng)能電池中透光電極材料、受體材料以及光陽(yáng)極材料中的應(yīng)用進(jìn)行相關(guān)的分析和研究，促進(jìn)我國(guó)的新能源技術(shù)發(fā)展，認(rèn)真貫徹落實(shí)我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，為全球的生態(tài)平衡發(fā)展做出貢獻(xiàn)，同時(shí)也為發(fā)展未來(lái)新能源與新型材料相結(jié)合的新技術(shù)模式提供了理論保障。

參考文獻(xiàn)

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