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石墨烯太陽電池創下效率新紀錄

美國科學家研發的新型石墨烯(graphene)太陽電池創下功率轉換效率的新紀錄。他們的作法是在太陽電池中的石墨烯層添加有機摻雜物,成功地將功率轉換效率提升至 9%,相形之下,未經摻雜的石墨烯太陽電池轉換效率僅有 2%。

加上有機塗佈的石墨烯太陽電池。圖片來源:nanotechweb.org

石墨烯為具蜂巢狀晶格結構的單原子厚平面碳材料,擁有許多獨特的電子與機械性質,這是由於電子能高速無阻地在材料內運動,行為類似無靜止質量的迪拉克(Dirac)粒子。拜迪拉克電子存在之賜,石墨烯還能吸收各種顏色的光線。

雖然科學家已經製作出石墨烯太陽電池,但其功率轉換效率始終無法突破 1.9%,不過就在最近,佛羅里達大學的 Sefaattin Tongay 等人一舉將轉換效率提升近 5 倍之多。他們將名為 TFSA 的有機化合物摻雜入石墨烯中,接著將其置於矽晶圓上以形成石墨烯/矽蕭特基接面(Schottky junction)。上述元件在陽光照射下會產生電子電洞對,蕭特基介面的存在會致使這些電荷載子分離,最後再分別由連接石墨烯與矽的電極所收集形成光電流,完成光電轉換的過程。

摻雜 TFSA 會改變石墨烯的費米能階(Fermi level),導致石墨烯/矽接面處的電荷重新調整。此舉會增強介面處的電場強度,使得元件能更有效率地收集電子與電洞,因而提升產出功率。Tongay 表示,此元件既耐用又便宜,而且製作簡單。此外,將石墨烯轉移至矽材料上對石墨烯表面的影響非常微小,因此介面處能保持原狀,這點對電荷的收集過程至為重要,因為材料晶格的缺陷會形成捕捉電荷的陷阱,降低電荷載子的生命週期,影響元件收集電荷的效率。

該團隊目前正嘗試進一步提升此石墨烯太陽電池的功率轉換效率。他們正在測試數種摻雜效果可能更好的有機塗佈材料,並且提出不同的元件結構。詳見 Nano Lett.|DOI: 10.1021/nl204414u。

譯者:翁任賢(成功大學物理系)
責任編輯:蔡雅芝
原文網址:Graphene solar cells break new efficiency record—nanotechweb.org [2012-06-12]

本文來自 NanoScience 奈米科學網 [2012-07-15] 

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