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　　太陽能是一種重要的新型清潔能源，而太陽能電池?zé)o疑是人類利用這種新型能源最有效的技術(shù)之一。在各種類型太陽能電池技術(shù)突飛猛進的今天，發(fā)展高效率、低耗材以及易加工的新型太陽能電池至關(guān)重要。面對現(xiàn)有的成熟硅基太陽能電池技術(shù)，如何結(jié)合當(dāng)今社會新材料與新技術(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。碳/硅異質(zhì)結(jié)這一模型應(yīng)運而生，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)太陽能電池，其光電轉(zhuǎn)化效率在5年的時間內(nèi)從1.6%提升到15.6%，技術(shù)的發(fā)展極為迅速。石墨烯/硅太陽能電池模型也被諸多的科技報道與研究路線圖中列為石墨烯在太陽能電池研究領(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)太陽能電池的發(fā)展歷史，系統(tǒng)總結(jié)了該太陽能電池的研究現(xiàn)狀，并對該模型的未來發(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)太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖

　　碳/硅太陽能電池的基本結(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在實驗中實現(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)實現(xiàn)了具有3.8%光電轉(zhuǎn)化效率的非晶碳/硅太陽能電池（Appl. Phys. Lett. 1996, 68, 547）。同年，K. Yamada等人報道了富勒烯/硅太陽能電池模型（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)建的太陽能電池的研究進展較為緩慢。
　　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等人報道了具有1.3%光電轉(zhuǎn)化效率的碳納米管/硅太陽能電池（Nano Lett. 2007, 7, 2317）。2010年，X. M. Li和H. W. Zhu等人報道了具有1.65%光電轉(zhuǎn)化效率的石墨烯/硅太陽能電池（Adv. Mater. 2010, 22, 2743）。
　　近年來，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，特別是材料摻雜、界面調(diào)節(jié)與減反結(jié)構(gòu)設(shè)計等技術(shù)的引入，碳納米管/硅與石墨烯/硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率達到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)太陽能電池的快速發(fā)展，充分證明了該模型科學(xué)研究的價值以及實際應(yīng)用的潛力。碳/硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池將朝向更薄、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、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（如光電探測器、光調(diào)制器、化學(xué)探測、光電化學(xué)電池、三極管等）奠定了堅實的基礎(chǔ)（圖3）。
　　當(dāng)然，碳/硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池的應(yīng)用仍然面臨很多挑戰(zhàn)，比如實驗室報道結(jié)果的太陽能電池尺寸仍然偏小，太陽能電池的穩(wěn)定性仍需要提升，太陽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，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能電池的工藝技術(shù)。
　　毫無疑問，相對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)用仍需要較長的時間。每一次的技術(shù)改進或突破，必將帶來碳/硅異質(zhì)結(jié)模型的跳躍式發(fā)展，這也是硅太陽能電池的研究發(fā)展給我們帶來的重要啟示。