Dopant giver graphene solceller den højeste effektivitet endnu

(Phys.org) -- Ved at drage fordel af grafens gunstige elektriske og optiske egenskaber, og derefter tilføje et organisk dopingmiddel, forskere har opnået den hidtil højeste effektkonverteringseffektivitet for en grafenbaseret solcelle. Effektkonverteringseffektiviteten på 1,9 % af de udopede enheder øges med mere end fire gange til 8,6 % efter doping.

Forskerne, ledet af Sefaattin Tongay og Arthur F. Hebard ved University of Florida i Gainesville, har offentliggjort deres undersøgelse af de højeffektive grafensolceller i et nyligt nummer af Nano bogstaver .

"Her, ikke kun har vi draget fordel af grafens smukke optiske gennemsigtighed, men vi har også reduceret grafens elektriske modstand ved at justere Fermi-niveauet af grafen ved hjælp af et billigt og miljøstabilt organisk belægningslag, " fortalte Tongay Phys.org . "Under dette trin, Naturen favoriserede os ved at give et højere ensretning og elektrisk felt ved grænsefladen, yderligere at forbedre solcellens effektivitet."

I de nye solceller, et enkelt lag grafen placeret oven på en siliciumwafer tjener som en Schottky-forbindelse, hovedkomponenten i simple fotovoltaiske enheder kaldet Schottky junction solceller.

Under belysning, elektron-hul-par er fotogenereret i silicium. De fotogenererede elektroner og huller adskilles af Schottky-forbindelsens indbyggede elektriske potentiale og opsamles af de modsat ladede grafen- og halvlederkontakter. Denne envejsstrøm af strøm (elektroner strømmer i den ene retning og huller i den anden) er en definerende egenskab ved Schottky-krydset og muliggør generering af strøm fra enheden.

Mens grafen-baserede Schottky junction solceller er blevet demonstreret i fortiden, her tog forskerne et ekstra skridt og dopede grafenen med det organiske kemikalie TFSA ved hjælp af en simpel spin-casting-metode.

Doping gjorde det muligt for forskerne at justere grafens Fermi-niveau (et mål for elektronpotential energi), hvilket resulterede i to ændringer, der forbedrede solcellernes samlede effektivitet:en reduktion i grafenens modstand og en stigning i solcellens indbyggede potentiale, hvilket fører til en mere effektiv adskillelse af elektron-hul-parrene genereret af de absorberede fotoner.

Med deres 8,6% effektivitet, de dopede enheder giver en betydelig effektivitetsforbedring i forhold til andre grafenbaserede Schottky junction solceller, som hidtil har vist effektkonverteringseffektiviteter i området fra 0,1 % til 2,86 %.

Sammenlignet med Schottky junction solceller, der bruger indiumtinoxid, dem, der bruger grafen, har flere fordele. For eksempel, evnen til at tune grafens egenskaber gør det muligt for forskere at optimere solcelleeffektiviteten og bruge grafenlaget på andre halvledere udover silicium.

Forskerne håber, at de her anvendte metoder, som er enkle og skalerbare, kan føre til yderligere enhedsforbedringer og praktiske anvendelser i fremtiden.

"Vi forventer, at effektiviteten kan forbedres yderligere ved at udvikle grænsefladen, brug af forskellige organiske belægningslag, der giver højere dopingeffekter, forbedring af grafenkvaliteten og grafenoverførselsproceduren, ved hjælp af anti-reflekterende lag, og adskillige andre metoder kendt af solcellesamfundet, " sagde Tongay. "Dette er kun en begyndelse."

Hebard tilføjede, at yderligere opdagelser af grafenfysik skulle føre til mere effektive og billige solceller.

"Vores beskrevne effektkonverteringseffektivitetsforøgelse med den simple påføring af et stabilt organisk overlag er kun en begyndelse, " sagde han. "Graphene og dets derivater fortsætter med at overraske os med usædvanlige egenskaber (styrke, fleksibilitet, diffusionsbarriere, indstillelig Fermi energi, lineært elektronisk spektrum, etc). Yderligere fremskridt vil komme med en dybere forståelse af fysikken om, hvordan indkommende fotoner effektivt skaber elektroner og huller, som derefter adskilles og samles i vores beskrevne konfiguration. Denne viden bør være anvendelig til at finde alternative substrater til silicium (organiske stoffer og polymerer kommer til at tænke på), som er billigere og kan anvendes på store områder.

”Det er klart, at forskning i grafen og dets derivater allerede er i sollys; vi forventer, at vores arbejde med solceller vil holde det der.”

Copyright 2012 Phys.Org
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omdistribueret helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra PhysOrg.com.