Высокоэффективные графеновые солнечные элементы: 9% КПД с TFSA легированием

Графен: уникальный 2D материал

Графен — одноатомный слой углерода, расположенный в медовоячеистой решетке. Его электроны движутся со скоростями, близкими к релятивистским, ведя себя как безмассовые частицы Дирака. Это дает графену исключительную электрическую проводимость, механическую прочность и полную оптическую прозрачность, позволяя поглощать свет по всему видимому спектру.

Солнечные элементы из графена

Ранние графеновые фотоэлектрические устройства давали скромные эффективности — около 1.9%. Недавняя работа из Флоридского университета в Гейнсвилле изменила повествование. Включая органический допант трифлуорметансульфониламид (TFSA) в графеновый слой, исследователи достигли рекордного 9% энергоконверсионной эффективности, почти в пять раз выше нелегированных ячеек.

Структура устройства

Ячейки состоят из TFSA-легированного графенового листа, перенесенного на высококачественный кремниевый вейфер для формирования графен/кремний Шоттки-перехода. Поскольку графен переносится мягко, интерфейс остается пристным; любой беспорядок действовал бы как зарядовая ловушка, сокращая время жизни носителей и снижая эффективность. Чистый интерфейс сохраняет сильное электрическое поле, необходимое для эффективного разделения зарядов.

Как это работает

Когда солнечный свет падает на ячейку, фотоны генерируют электрон-дырочные пары. Шоттки-барьер между графеном и кремнием разделяет эти носители: электроны движутся в кремний, а дырки остаются в графене. Электроды, прикрепленные к каждому материалу, собирают заряды, производя электрический ток.

Легирование графена TFSA сдвигает его Ферми-уровень, что в свою очередь усиливает электрическое поле через переход. Это более сильное поле ускоряет разделение и сбор носителей, приводя к существенному приросту выходной мощности.