❖ 3、石墨烯中的高载流子迁移率
石墨烯中的电子的迁移率大约是硅的100倍，而电 导率是与迁移率和载流子浓度乘积成正比，而材料 的透光性能又通常和载流子浓度成反比。一般材料 如果对光的透过性很好，那么它的载流子浓度就很 低，而通常迁移率也很低，从而导电率也很差，这 也是目前为什么太阳能透明电极没有很好性能的原 因。而石墨烯这种新材料，它的载流子迁移率如此 之高，即使在载流子浓度很低时（透光性很好）， 也能保证两者乘积很客观，有很好的导电性。这也 进一步解释了石墨烯适合用于太阳能电池电极的原 因。
二、石墨烯与太阳能利用有关性质研
究进展回顾
❖ 1、石墨烯电子能带结构所带来的性质
石墨烯是零带系半导体，其能带结构在K空间成对顶 的双锥形，费米面在迪拉克点之上，石墨烯为n型， 费米面在狄拉克点以下为p型。由于其能带结构的 特殊性，在狄拉克点处的电子态密度很低，对于费 米面在狄拉克点附近的高质量石墨烯，通过简单的 掺杂或用栅压调控，就可以使其费米面有很大幅度 的移动，从而很容易用人工的方法制作出石墨烯的 p-n结结构。而该结构是太阳能电池材料所必需的条 件。
❖ 极高的电子迁移率使石墨烯具有理想的条件， 电子穿过石墨烯时，大约有100倍的迁移率， 这是对比硅而言，石墨烯还具有卓越的强度， 而且事实上，它几乎是透明的（2.3％的光可 被吸收；97.7％的光可被传输），这些都使 它成为理想的候选材料，可用于光伏领域， 超薄透明石墨烯膜就可替代金属氧化物电极。
❖ 石墨烯有可能在利用太阳能方面产生重大的 突破。典型的光伏材料仅对特定频率或颜色 的光发生反应，而石墨烯对光发生反应的范 围非常宽。研究结果还表明，石墨烯能十分 有效地收集太阳能。因此太阳能电池的最大 突破有可能会来自于石墨烯
石墨烯制备新型高效太阳能电池
❖ 电子转移途径在剥离的石墨烯/锌酞菁类混合 体中的情形
❖ 他们虽然不是半导体，单能用来制造太阳能 电池板，可弯曲的触摸显示屏，情报的，导 电的纤维，取代飞机和宇宙飞船上使用的笨 重铜线
❖ 麻省理工学院的研究人员发现，当光照在石墨烯上 时，可以产生两个具有不同电气特性的区域，进而 出现温差，产生电流。石墨烯在激光照射加热不一 致时，携带电流的电子被加热，而晶格中的碳原子 核保持低温。正是由于石墨烯内部的温差，产生了 电流。这种不同寻常的机制就称为热载流子效应。 (所谓热载流子就是具有高能量的载流子，即其动能 高于平均热运动能量。当载流子从外界获得了很大 能量时，便可成为热载流子。由于热载流子所造成 的一些影响，就称为热载流子效应。)
石墨烯的最新研究
ห้องสมุดไป่ตู้科学家首次用碳纳米管制造出石墨 烯带，应用于太阳能电池，计算机 等工业电子产品的开发。
❖ 美国两组科学家用圆柱状的碳纳米管制造出 几十纳米宽的石墨烯带。
❖ 石墨烯导电性好，纤薄，透明，坚硬，非常 适用于显示屏和太阳能电池板。
❖ 带状石墨烯的用处更大，在10纳米左右的宽 度上，电子被迫纵向移动，使石墨烯可以像 半导体一样起作用。
❖ 4、石墨烯中的光激发电子-空穴对的产生消 失时间
石墨中的电子式狄拉克电子，速度接近光速 三分之一，室温下川岛电子比任何其他已知 导体要快，所以被光激发出的电子-空穴对可 以快速形成电流，同理在撤去光源后也可以 迅速消失。基于石墨烯的光伏器件对光的响 应目前在实验室中已达到THz，成为超快光 电探测器的候选材料
❖ 石墨烯被寄予厚望的应用实例之一是转换效 率非常高的新一代太阳能电池。展望其今后 的应用领域，首先是透明导电膜领域，其次 是中间电极等领域
❖ 在一般情况下要确保大范围波长领域的透明性，载 流子的密度越低越好。不过，由于导电率与载流子 迁移率和载流子密度的乘积成比例，因此如果载流 子迁移率不是很高，那么较小的载流子密度也就意 味着导电率较小。其典型示例就是玻璃这种绝缘体。 无论多透明，只要电流不能通过，就没有任何意义。
❖ 石墨烯几乎是唯一一种能够避免这种问题的材料。 其原因在于石墨烯具有非常高的载流子迁移率。因 此，即使载流子密度非常小，也能确保一定的导电 率。这种材料是非常罕见的。
一、太阳能电池材料的原理
❖ 一种材料（或多种材料的复合结构）能成为 太阳能电池的材料的重要条件： 材料中有能到弯曲的P-N结或高低结，形成 材料中的内建电场。光在材料中激发的电子空穴对就可以在内建电场的作用下向相反方 向电极运动，从而形成光伏效应。
❖ 德国和西班牙的一个研究小组最近发表了一
篇论文，发表在《应用化学国际版》 （Angewandte Chemie International Edition），题为《实现可调石墨烯/酞菁PPV混合动力系统》（Towards Tunable
Graphene/Phthalocyanine–PPV Hybrid Systems），他们提出了一种化学方法，制 成非共价（non-covalently）功能性石墨烯， 这种材料产生于可大量获得的低价天然石墨。
三、对石墨烯在太阳能上应用前景的 分析与研究方向设想
❖ 两个应用方向：将石墨烯作为新一代太阳能 电池的主体材料（即产生光伏效应的材料 料）；将石墨烯作为现有光伏材料的透明电 极，利用它的高透光性和高电导率特性。
❖ 第一步制造石墨烯，第二步形成石墨烯pn结， 石墨烯本身不存在内建电场，要改变石墨烯 中部分的费米面高度，从而固件出能带弯曲， 形成内建电场。掺杂是很好的手段。
❖ 2、石墨烯对红外光的高透过性
石墨烯对光的透过率可达到97.7%以上，使其成为 太阳能电池电极材料的很好选择。现在太阳能电池 的透过效率不好原因是太阳能电池上层电极对太阳 光中的红外部分吸收十分严重，而红外部分又是太 阳光能量的一个集中区，所以影响了下方的光伏材 料获得的光的强度。而石墨烯对红外的透过性非常 好，用石墨烯带作为太阳能电极材料，可大幅度提 高转化效率。
❖ 从半导体工业借鉴过来的刻蚀技术切开纳米 管，再将纳米管粘附到一个聚合物薄膜上， 接着使用经过电离的氩气来刻蚀每个纳米管 的每个条带，得到的石墨烯带的宽度仅为1020nm，具有导电性能，因此在电子工业将有 广泛的应用，他们用石墨烯已经制造出了基 本的晶体管。
❖ 詹姆斯.赛研究小组用高猛算计和硫酸的混合 物，沿着轴心打开纳米管，他们得到的丝带 要宽一些，大约100-500nm。
❖ 5、石墨烯的热载流子效应
石墨烯可以对光产生不同寻常的反应，在室 温和普通光照射下，就可以发生热载流子效 应，产生电流。当光照在石墨烯上时，可以 产生两个具有不同电气特性区域，进而出现 温差，产生电流。石墨烯在激光照射加热不 一致时，携带电流的电子被加热，而晶格中 的碳原子核保持第二年。正是由于石墨烯的 光电反应现象更为丰富。
❖ 因此，它可能是一种很前途的替代材料，可 替代铟锡氧化物（ITO：indium tin oxide）， 铟锡氧化物是目前标准的透明电极材料，石
墨烯用作电极，可用于液晶显示器，太阳能 电池，iPad和智能手机使用的触摸屏，以及 有机发光二极管（ OLED）显示器，这种显 示器用于电视和计算机。
❖ 最近的研究表明，掺杂是必要的，为的是利 用石墨烯的全部潜力。这一挑战对于研究人 员而言，就是要找到适当的制造技术，制备 高质量石墨烯片，使它具有高度的电荷迁移 率（charge mobilities）。