(Phys.org) -- Genom att dra fördel av grafens gynnsamma elektriska och optiska egenskaper, och sedan lägga till ett organiskt dopmedel, forskare har uppnått den högsta effektkonverteringseffektiviteten hittills för en grafenbaserad solcell. Effektomvandlingseffektiviteten på 1,9 % för de odopade enheterna ökar med mer än fyra gånger till 8,6 % efter dopning.

Forskarna, ledd av Sefaattin Tongay och Arthur F. Hebard vid University of Florida i Gainesville, har publicerat sin studie om högeffektiva grafensolceller i ett färskt nummer av Nanobokstäver .

"Här, inte bara vi har utnyttjat grafens vackra optiska transparens, men vi har också minskat grafens elektriska motstånd genom att justera Fermi-nivån av grafen med ett billigt och miljöstabilt organiskt beläggningsskikt, " berättade Tongay Phys.org . "Under detta steg, Naturen gynnade oss genom att ge ett högre likriktning och elektriskt fält vid gränssnittet, ytterligare förbättra solcellens effektivitet."

I de nya solcellerna, ett enda lager grafen placerat ovanpå en kiselskiva fungerar som en Schottky-korsning, huvudkomponenten i enkla fotovoltaiska enheter som kallas Schottky junction solceller.

Under belysning, elektron-hålspar fotogenereras i kislet. De fotogenererade elektronerna och hålen separeras av Schottky-övergångens inbyggda elektriska potential och samlas upp av de motsatt laddade grafen- och halvledarkontakterna. Detta envägsflöde av ström (elektroner flyter i en riktning och hål i den andra) är en definierande egenskap hos Schottky-övergången och möjliggör generering av ström från enheten.

Medan grafenbaserade Schottky junction solceller har demonstrerats tidigare, här tog forskarna ett extra steg och dopade grafenet med den organiska kemikalien TFSA med en enkel spinngjutningsmetod.

Doping gjorde det möjligt för forskarna att justera grafens Fermi-nivå (ett mått på potentiell elektronenergi), vilket resulterade i två förändringar som förbättrade solcellernas totala effektivitet:en minskning av grafenens motstånd och en ökning av solcellens inbyggda potential, vilket leder till en mer effektiv separation av elektron-hål-paren som genereras av de absorberade fotonerna.

Med sin effektivitet på 8,6 %, de dopade enheterna ger en betydande effektivitetsförbättring jämfört med andra grafenbaserade Schottky junction-solceller, som hittills har visat effektomvandlingseffektiviteter från 0,1 % till 2,86 %.

Jämfört med Schottky junction solceller som använder indiumtennoxid, de som använder grafen har flera fördelar. Till exempel, Möjligheten att ställa in grafens egenskaper gör det möjligt för forskare att optimera solcellseffektiviteten och använda grafenskiktet på andra halvledare än kisel.

Forskarna hoppas att de metoder som används här, som är enkla och skalbara, kan leda till ytterligare enhetsförbättringar och praktiska tillämpningar i framtiden.

"Vi förväntar oss att effektiviteten kan förbättras ytterligare genom att konstruera gränssnittet, använda olika organiska beläggningsskikt som ger högre dopningseffekter, förbättra grafenkvaliteten och grafenöverföringsproceduren, använder antireflexskikt, och många andra metoder kända av solcellssamhället, sa Tongay. "Det här är bara en början."

Hebard tillade att ytterligare upptäckter av grafenfysik borde leda till mer effektiva och billigare solceller.

"Vår beskrivna effektomvandlingseffektivitetsökning med den enkla appliceringen av ett stabilt organiskt överskikt är bara en början, " sa han. "Grafen och dess derivat fortsätter att överraska oss med ovanliga egenskaper (styrka, flexibilitet, diffusionsbarriär, avstämbar Fermi-energi, linjärt elektroniskt spektrum, etc). Ytterligare framsteg kommer med en djupare förståelse av fysiken om hur inkommande fotoner effektivt skapar elektroner och hål, som sedan separeras och samlas i vår beskrivna konfiguration. Denna kunskap bör vara tillämpbar för att hitta alternativa substrat till kisel (organiska ämnen och polymerer kommer att tänka på), som är billigare och kan appliceras på stora ytor.

”Det är tydligt att forskning om grafen och dess derivat redan finns i solljuset; vi förväntar oss att vårt arbete med solceller kommer att hålla det där.”

Copyright 2012 Phys.Org
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivs eller omdistribueras helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från PhysOrg.com.