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　　太陽(yáng)能是一種重要的新型清潔能源，而太陽(yáng)能電池?zé)o疑是人類利用這種新型能源最有效的技術(shù)之一。在各種類型太陽(yáng)能電池技術(shù)突飛猛進(jìn)的今天，發(fā)展高效率、低耗材以及易加工的新型太陽(yáng)能電池至關(guān)重要。面對(duì)現(xiàn)有的成熟硅基太陽(yáng)能電池技術(shù)，如何結(jié)合當(dāng)今社會(huì)新材料與新技術(shù)的快速發(fā)展，一直是科學(xué)家所關(guān)心的問(wèn)題。
　　碳與硅，這一同族相鄰的元素，因其結(jié)構(gòu)與性能的諸多特性，往往成為眾多的科學(xué)家研究關(guān)注的焦點(diǎn)。碳/硅異質(zhì)結(jié)這一模型應(yīng)運(yùn)而生，并展現(xiàn)出優(yōu)異的光伏效應(yīng)，受到科學(xué)家與工程師廣泛而持續(xù)的關(guān)注（圖1）。特別是石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池，其光電轉(zhuǎn)化效率在5年的時(shí)間內(nèi)從1.6%提升到15.6%，技術(shù)的發(fā)展極為迅速。石墨烯/硅太陽(yáng)能電池模型也被諸多的科技報(bào)道與研究路線圖中列為石墨烯在太陽(yáng)能電池研究領(lǐng)域的重要模型之一。
　　最近，清華大學(xué)材料學(xué)院朱宏偉教授與國(guó)家納米科學(xué)中心李昕明博士等人在Advanced Materials期刊發(fā)表綜述性文章（Adv. Mater. DOI:10.1002/adma.201502999），回顧了碳/硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的發(fā)展歷史，系統(tǒng)總結(jié)了該太陽(yáng)能電池的研究現(xiàn)狀，并對(duì)該模型的未來(lái)發(fā)展與研究方向做了展望。

圖2 (a) 碳與(b) 硅的結(jié)構(gòu)示意圖；(c) 碳/硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意圖

　　碳/硅太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。具有半導(dǎo)體或金屬性質(zhì)的碳納米材料（圖2(a)）與硅(圖2(b))結(jié)合，即可構(gòu)建形成p-n結(jié)或肖特基結(jié)，碳納米材料在其中主要起到了透明電極、減反層以及空穴收集傳輸層的作用。
　　碳/硅異質(zhì)結(jié)最早于1979年由G. K.Bhagavat 和K. D. Nayak在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)，并發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)具有光伏效應(yīng)（Thin Solid Films 1979, 64, 57）。其后，隨著碳材料的制備與加工技術(shù)的發(fā)展，碳/硅異質(zhì)結(jié)的研究逐步深入，并得到廣大科學(xué)家的關(guān)注與持續(xù)研究。1996年，H. A. Yu等人基于該異質(zhì)結(jié)實(shí)現(xiàn)了具有3.8%光電轉(zhuǎn)化效率的非晶碳/硅太陽(yáng)能電池（Appl. Phys. Lett. 1996, 68, 547）。同年，K. Yamada等人報(bào)道了富勒烯/硅太陽(yáng)能電池模型（J. Appl. Phys. 1996, 79, 2798 ）。由于非晶碳與富勒烯材料電學(xué)性能調(diào)節(jié)的限制，其與硅構(gòu)建的太陽(yáng)能電池的研究進(jìn)展較為緩慢。
　　隨著碳納米管、石墨烯等新型碳納米材料的出現(xiàn)，特別是其相關(guān)制備技術(shù)的發(fā)展，碳/硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的研究在最近幾年內(nèi)得到了快速的發(fā)展。2007年，J. Q. Wei和D. H. Wu等人報(bào)道了具有1.3%光電轉(zhuǎn)化效率的碳納米管/硅太陽(yáng)能電池（Nano Lett. 2007, 7, 2317）。2010年，X. M. Li和H. W. Zhu等人報(bào)道了具有1.65%光電轉(zhuǎn)化效率的石墨烯/硅太陽(yáng)能電池（Adv. Mater. 2010, 22, 2743）。
　　近年來(lái)，圍繞在電學(xué)與光學(xué)方面的材料優(yōu)化與結(jié)構(gòu)改進(jìn)，特別是材料摻雜、界面調(diào)節(jié)與減反結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等技術(shù)的引入，碳納米管/硅與石墨烯/硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到15～17%（Nat. Commun.2015, 6, 6305；Nano Lett. 2015, 15, 2104）。

圖3 石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)模型的拓展應(yīng)用

　　碳/硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的快速發(fā)展，充分證明了該模型科學(xué)研究的價(jià)值以及實(shí)際應(yīng)用的潛力。碳/硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池將朝向更薄、更便宜、更高效的方向發(fā)展，特別是有望在可融合的輕便薄膜類產(chǎn)品中得到應(yīng)用，如智能電子產(chǎn)品、可穿戴器件、醫(yī)療監(jiān)測(cè)、隨身軍事設(shè)備等方面。此外，碳/硅異質(zhì)結(jié)的發(fā)展也為其他二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)與異質(zhì)結(jié)拓展應(yīng)用的研究（如光電探測(cè)器、光調(diào)制器、化學(xué)探測(cè)、光電化學(xué)電池、三極管等）奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)（圖3）。
　　當(dāng)然，碳/硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的應(yīng)用仍然面臨很多挑戰(zhàn)，比如實(shí)驗(yàn)室報(bào)道結(jié)果的太陽(yáng)能電池尺寸仍然偏小，太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性仍需要提升，太陽(yáng)能電池良品率仍需要工藝的完善而提升。這些挑戰(zhàn)的應(yīng)對(duì)，一方面需要碳材料的制備與加工技術(shù)的成熟，特別是與現(xiàn)有成熟工藝技術(shù)的整合；一方面也需要更多的借鑒成熟太陽(yáng)能電池的工藝技術(shù)。
　　毫無(wú)疑問(wèn)，相對(duì)于成熟的硅材料的技術(shù)發(fā)展，碳納米材料的應(yīng)用研究才剛剛開始，碳/硅異質(zhì)結(jié)的研究與應(yīng)用仍需要較長(zhǎng)的時(shí)間。每一次的技術(shù)改進(jìn)或突破，必將帶來(lái)碳/硅異質(zhì)結(jié)模型的跳躍式發(fā)展，這也是硅太陽(yáng)能電池的研究發(fā)展給我們帶來(lái)的重要啟示。