1　前言

    随着社会的发展，人们对能源的需求日益增加。目前，化石能源(煤、石油、天然气等)在世界能源结构中占主导地位。以化石能源支持的经济模式是不可持续的，并存在污染等问题。因此，世界主要国家都在寻求环境友好的新能源，大力发展相关技术，期望以此逐步取代化石能源。太阳能储量丰富、清洁无污染，受到了广泛的关注。对太阳能的利用主要包括光化学转换、光热转换和光电转换等3种形式。其中，太阳电池是将太阳光转换为电能的器件，具有广泛的应用前景。硅基太阳电池是最早发展起来也是最成熟的太阳电池，晶体硅太阳电池的光电转换效率已超过25%。然而，受限于高纯硅材料的使用和复杂的生产过程，晶体硅太阳电池的成本较高，采用晶体硅电池组件的发电成本仍远高于常规能源。石墨烯(Gr)是一种典型的二维材料，厚度仅为0.335nm，它在2004年首次由AndreGeim和Kon-stantinNovoselov利用机械剥离法由石墨中分离制得。石墨烯在可见光范围内透光性大于95%，且具有优良的电学性能，非常适合用于太阳电池。以石墨烯为电极的有机太阳电池和染料敏化太阳电池已经有许多报道。2010年，Wu Dehai研究组首次报道了石墨烯－硅太阳电池，他们将多层石墨烯与n型硅结合，获得了1.65%的电池效率，其器件结构如图1所示。石墨烯－硅太阳电池以其简单的制备工艺、低廉的制备成本以及较高的光电转换效率，吸引了广泛的关注。经过不断的努力，石墨烯－硅太阳电池在经过掺杂、减反射、界面优化等处理后，最高效率已达15.6%，具有极大的应用潜力。

2　石墨烯-硅光伏器件的结构和工作原理

    典型的石墨烯－硅(Gr-Si)太阳电池的结构如图1所示。石墨烯是一种半金属，石墨烯与n型硅接触形成肖特基结(Schottkyjunction)，器件的能带结构如图2所示。在石墨烯/硅界面处形成的肖特基势垒在硅的近表面产生内建电场。在光照下，硅基底中产生的电子－空穴对被内建电场分离，空穴经石墨烯被收集，电子则经硅衬底被收集，分别传导至外电路，形成电流。在这种电池结构中，硅基底为吸光材料，石墨烯既与硅形成异质结分离光生载流子，又作为透明导电电极传输载流子。仅有极少量入射光被石墨烯吸收，因而理论上来讲，只要界面足够优化，石墨烯－硅太阳电池的效率可接近于晶体硅电池。

3　石墨烯-硅光伏器件性能优化

3.1　硅反射率优化

    平面硅在可见光波段反射率较高，工业中一般使用制绒工艺来降低硅表面反射率，以减少光能的损失。然而，传统制绒工艺形成金字塔状结构可能会使石墨烯薄膜破损，不适用于石墨烯－硅太阳电池的优化。

为降低器件的光学损失，提高器件的短路电流(Jsc)，目前文献报道的减反射手段有两种。一种是利用刻蚀形成硅表面的微纳结构以达到陷光效果，Jie Jiansheng研究组对此做了一系列工作。该小组制备了硅纳米线(SinWs)和硅纳米孔(SinHs)两种结构

(如图3)，其反射谱如图4所示。进一步优化发现，硅纳米孔深度由3.8μm增加到12.8μm，电池Jsc由20.19mA/cm2提高到31.56mA/cm2。Zhu Hongwei等则使用溶胶－凝胶法制备的Tio2薄膜将石墨烯－硅太阳电池的Jsc从23.9提高至32.5mA/cm2。