石墨烯应用于太阳能电池时，根据改造的情况，可用作金属或半导体。

5.6.2.1 PN结太阳能电池

如果石墨烯在太阳能电池中被用作半导体，需要一个N型或P型、带隙为1.4eV的半导体（如果太阳能是用于照明的话）。由于石墨烯是零带隙材料，它不能用于制造PN结太阳能电池。然而，由于其具有超过90%的透光性，它可用作制造PN结的任何无机材料的保护表面。此外，由于它具有良好的载流子迁移率，石墨烯可作为PN结中载流子的集电极。此外，石墨烯具有良好的热性能，所以石墨烯也可以作为PN结的基底材料，以消散电池产生的热量。为此，石墨烯可与不同的材料进行掺杂，例如：

1）氯。在石墨烯表面的两侧加氯，获得带隙为1.2eV的P型石墨烯（图5.4a）。通过基于等离子体的表面官能化技术，将多达45%的氯与石墨烯进行掺杂[吴等（Wu et al.），2011]，产生的载流子迁移率为1500cm²/V。通过这个过程，平面六边形的表面被改性为平面与四方形的混合结构（图5.4a）。这表明π电子转换为σ键，意味着sp²碳转换为sp³碳。通过等离子体技术完成了氯掺杂，这意味着氯原子被转换成氯离子。掺杂时该离子在氯原子被替代的地方形成空穴。这将形成P型碳。将零带隙的石墨烯转换成带隙为1.2eV的碳是最理想的制造光伏太阳能电池的方法。研究用氯原子替代所有四个氢原子而产生的影响也会是件有趣的事（图5.4b）。随着引入石墨烯的氯原子数量的增加，带隙也会增加，但最大值为1.2eV。

2）氢。如同氯一样，人们也尝试在石墨烯的两侧进行氢替代，这使其零带隙增加至2.54eV。氢的替代导致替代的sp²碳被转化为sp³碳。这种石墨烯被归类为石墨烷。在第2章中已讨论过氢化的细节。

5.6.2.2 肖特基结太阳能电池

金属肖特基结太阳能电池需要一种金属作为集电器、一种载流子具有高迁移率且带隙几乎为零的导电材料。石墨烯符合这些要求，因此，人们研发了石墨烯-硅型肖特基结。

石墨烯-硅（G-nSi）肖特基结被制备为具有肖特基结电池的特性，其理想因子、串联电阻和并联电阻分别为1.5Ω、10.5Ω和45MΩ。开路电压（Voc）为0.42～0.48V，短路电流密度（J_SC）为4～6.5mA/cm²，填充因子（FF）为45%～56%，相当于整个太阳能转化效率（η）的1.0%～1.7%[李等（Liet al.），2010]。这里石墨烯片不仅作为一个用于光照的透明电极，而且还作为电子-空穴分离和空穴传输的活性层。具有改性的石墨烯薄膜和硅柱阵列的肖特基结太阳能电池，其转化效率可高达7.7%。(www.daowen.com)

此外，为适应太阳能电池的要求，可以通过控制石墨烯层的数量来改造石墨烯的电学特性、调整石墨烯的功函数、增加抗反射膜。通过这样优化石墨烯-半导体异质结太阳能电池，理论上其转化效率可高达9.2%。这些类型的太阳能电池在经济上不具有可行性，因为电池中的组件（如硅）价格昂贵。

5.6.2.3 染料敏化太阳能电池（DSSC）或有机光伏电池（OPV）

在传统的有机光伏电池中，氧化铟锡（ITO）已广泛用作电子/空穴，因为它对可见光有90%的高度透光度，具有低电阻（10～30Ω/□）和合适的功函数（4.5～5.2eV）。但在应用中铟锡氧化物（ITO）薄膜仍存在许多局限性。该薄膜不能用来沉积需要高温的半导体材料，除非在石英玻璃上制备铟锡氧化物薄膜，但这会使其变得非常昂贵。铟锡氧化物薄膜在一些特定的pH值下并不稳定，这也限制了其在有机光伏电池中的使用。

染料敏化太阳能电池，需要一个高度透明的金属，且具有良好的载流子迁移率、零带隙和合适的功函数，从而使光生载流子的集聚不会产生肖特基结。在此应用中石墨烯已有了一席之地。由于石墨烯与铟锡氧化物薄膜具有非常相似的特性，人们正在努力尝试用石墨烯代替铟锡氧化物薄膜。为达到这个目的，可将石墨烯薄膜在某些金属（如铜或镍）上进行沉积，然后在原地将半导体材料在石墨烯层上进行沉积。基底金属的作用类似于制造太阳能电池的欧姆型接触。然而，在石墨烯被用作透明导电电极前，还需对其进行一些改进，特别是制造有机光伏电池时。石墨烯具有疏水性，需要改造为亲水性才可用于有机染料或电解质的溶液。此外，其功函数为4.89～5.16eV，因此必须控制其功函数从而使沉积在石墨烯上的活性层形成欧姆型接触。另外，还需要在不影响其功函数的情况下，对石墨烯层的表面进行官能化，从而使活性层可以黏附于石墨烯层的表面。

图5.4 由于氯原子的替代而形成的石墨烯四方晶体结构的示意图 （a）显示了加入的四个氯原子从四个碳原子上取代氢原子 （b）显示了四方结构是由四个氯原子的取代而形成的 Copyrightⓒ 2011，American Chemical Socie-ty.Courtesy：Wu et al.J.Am.Chem.Soc.，2011，133（49），pp19668-19671.