石墨烯光敏層
在異質結太陽能電池中，石墨烯和氧化石墨烯均可作為活性界面層、電子空穴分離層、空穴傳輸層或電子傳輸層等形式的光活性層。作為一類普通材料，石墨烯光敏層的PCE值在0.4 ~ 10.3%之間，取決於石墨烯衍生物和所產生的光敏層類型。
目前有數百個石墨烯光敏層被用作異質結太陽能電池。
無論是CVD法、火焰熱解法還是其他方法，由幾層純石墨烯薄膜組成的光活性層的PCE範圍在1.01-2.88%之間。他們可以利用石墨烯層旁邊的n型硅作為n型異質結。加入硝酸可將純石墨烯異質結的PCE提高至4.35%，其中最多可在10天后保留4.18%的PCE。
石墨烯還可以塗覆在n型硅納米線陣列上，納米線比平面納米線更好地抑制和捕獲光線。然而，即使在摻雜了亞硫酰氯之後，它們的PCE值仍然低於平面石墨烯-硅異質結。
平面石墨烯-硅太陽能電池也可以摻雜亞硫酰氯，其PCE低於硝酸摻雜，但高於純石墨烯-硅異質結，其PCE為3.93%。與硝酸相比，亞硫酰氯的高揮發性是其摻雜效應較低的原因。
垂直的接口是最重要的部分和CVD-grown單層石墨烯(97%透明度,350Ωm-2)硅可以展覽PCE的5.38 - -7.85%,遠遠大於垂直多層石墨烯。如果加入二氧化硅的反反射層，這個值可以進一步提高到8.94%。
除了純石墨烯，許多石墨烯雜化材料以光活性層的形式存在。其中一個例子是鋰中和的氧化石墨烯(GO-Li)，它是太陽能電池的光活性層和電子傳輸層之間的界面層。與沒有GO-Li層的太陽能電池相比，這些層的加入可以使太陽能電池的PCE增加6.29%。這些層的厚度可以調節光伏性能，更厚的層產生更高的PCE增加，這層也提高了太陽能電池在太陽照射、水分和空氣下的穩定性。
石墨烯量子點和結晶硅可作為電子阻擋層，以防止電荷載體在太陽能電池陽極的複合。在這些電池中，由於不同的末端基團，即氧化物、氫和甲基基團，表面可能發生鈍化。含有甲基末端基團的細胞表現出最佳的PCE，最高為6.63%，而氫和氧化末端基團分別為2.24和2.92。
然而，隨著時間的推移，會發生退化，短路值可能下降超過5 mAcm-2, PCE可能下降1.2%。
氧化石墨烯可與金納米粒子一起用於製造陽極緩衝層。在這些雜交品種中，通常以甘氨酸或檸檬酸鈉的形式使用封頭劑，其PCE範圍為2.82-3.34%。然而，在太陽能電池中加入P3HT和IBCA可以將PCE提高到5.10%。
氧化石墨烯納米帶(GORs)可用於許多太陽能電池的空穴提取層。這些層已經被開發來取代現有的基於ito的材料，並且到目前為止已經設法將太陽能設備的PCE從2.20%提高到4.19%。
除了PCE外，GORs的摻入比ITO電阻產生更低的片電阻和更高的分流電阻。
太陽能電池裝置中的電子提取材料可以用cs中和的氧化石墨烯製造。利用這些材料的太陽能電池的pce高達3.67%。然而，更重要的是，在正常和反向器件中，光敏層被發現與電極材料獨立工作。這些材料的電荷中和能力可以逆轉異質結太陽能電池的電荷提取特性。
最有效的石墨烯光活性層之一是由含有氧化石墨烯、PEDOT:PSS和n型硅納米線的混合材料製成的。氧化石墨烯的wt%對器件的PCE有深刻影響，最佳濃度為30%，PCE最高可達9.57%。相比之下，用硅納米線代替平面硅會使PCE大幅下降到4.30%。這些層不僅比類似組成的非石墨烯光活性層具有更高的光學透明度，而且激子衰變也有所減少。
石墨烯肖特基結砷化鎵太陽能電池
砷化鎵太陽能電池是目前研究最廣泛的異質結類型之一，即肖特基結太陽能電池。儘管有大量的研究，但只有少數達到了可與其他異質結和PSCs相媲美的PCE水平。然而，那些獲得高pce的是一些最高效的石墨烯太陽能電池。
砷化鎵的帶隙優於硅，載流子的遷移率是硅的六倍。理論上，砷化鎵異質結有潛力生產高效太陽能電池，但目前生產的設備在質量上有所不同。其中一種電池它是基於cvd生長的單層和多層石墨烯，基於n型砷化鎵襯底，其PCE僅為1.95%，開路電壓為0.65 V。
另一個例子是使用石墨烯的柱狀陣列圖案硅襯底，其PCE僅為1.96%。使用硝酸摻雜，電池的PCE最高可達3.55%，但仍低於許多其他太陽能電池。相比之下，由CdS納米線和石墨烯製成的肖特基結太陽能電池的PCE僅為1.65%。這表明，不僅是砷化鎵太陽能電池，肖特基結太陽能電池的質量也有很大的差異。
在高成就者中，一個例子是由n型硅和TFSA摻雜的石墨烯肖特基結組成的太陽能電池。合成方法簡單，PCE最高可達8.6%，比未摻雜的PCE高4.5倍，比其他砷化鎵太陽能電池高6倍。在這些器件上摻雜TFSA不僅提高了它們的性能，而且與未摻雜的版本相比，還增強了器件對氧和溼度的穩定性。
一種質量更好的砷化鎵太陽能電池是由砷化鎵襯底和石墨烯、氮化硅(SiNx)絕緣層和銀色“手指”組成的電池。與其他太陽能電池相比，這些太陽能電池的效率要高得多，光電轉換系數在10.4%到15.5%之間。通過優化開路電壓、結理想因子、石墨烯電阻和內部界面接觸，這些太陽能電池理論上有可能實現高達25.8%的PCE。
由石墨烯/半導體範德瓦爾斯肖特基二極管組成的太陽能電池，具有可調的柵極和費米能級，在效率方面處於領先地位。異質結利用石墨烯-介質-石墨烯柵實現最高18.5%的PCE，比其他砷化鎵太陽能電池高得多。開路電壓，雖然不是最好的相比，其他太陽能電池類，是優於許多其他砷化鎵太陽能電池，價值0.96 V。除了生產高效的太陽能電池，還有理論預測這些電池的PCE可以提高到23.8%。
最近的兩種砷化鎵太陽能電池顯示出接近商用太陽能電池的價值，而直到最近，硅基太陽能電池才達到最高22.5%的PCE。所以，通過一些優化，儘管在整個太陽能電池的質量上存在差異，一些GaAs可以達到與商業太陽能電池相當的效率。最近硅基太陽能電池的發展已經實現了高達26%的PCE，但這只是剛剛被發現，目前僅限於學術實驗室。
石墨烯太陽能電池設計實驗
石墨烯透明電極
要生產用於異質結太陽能電池的石墨烯透明電極，首先要在銅箔上生產或購買石墨烯。為了製備這種電極，需要一種改進的轉移方法。轉移、沉積PMMA並固化，然後用FeCl3溶液蝕刻銅箔，用去離子水漂洗三次。
下一步是用去離子水沖洗pmma -石墨烯，並將其置於玻璃基板上。再滴一滴PMMA在材料上，用丙酮固化併除去PMMA。將轉移的石墨烯薄膜與硝酸蒸汽(濃度為69%，10秒)混合。
為了製造設備本身，需要用PEDOT:PSS製備硅片。用丙酮、乙醇和去離子水清洗硅片半小時，氯化、烷基化處理。將PEDOT:PSS與DMSO (5% wt)和Triton (1% wt)混合攪拌，保證混合均勻。
製作電池本身，使用物理氣相沉積(PVD)，在硅晶圓背面沉積LiF (0.6 nm)和Al (200 nm)電極。在硅晶圓和石墨烯玻璃基板(4000 rpm, 1分鐘，70-80納米厚度)上旋轉塗覆PEDOT:PSS溶液。在手套箱中退火有機薄膜(125°C, 30分鐘)。封裝太陽能電池，使用夾子和AB膠將硅片和石墨烯玻璃基板牢牢粘在一起。
石墨烯Ga/As太陽能電池
前景看好的Ga/As太陽能電池有進一步優化商業使用的潛力。首先，在銅箔上種植石墨烯。接下來，將Ga/As晶圓片上的氧化物浸入HCl溶液(重量為10%，3分鐘)中去除，並通過熱蒸發將金觸點(60納米厚度)貼在晶圓片的背面。通過等離子增強CVD在Ga/As表面上沉積一層(80 nm)的SiNx層，並採用光刻工藝掩膜，作為Ga/As與石墨烯之間的絕緣層。打開Ga/AS上的一個窗口(活動區域)，在HCl溶液中浸泡(重量10%，5分鐘)，然後用去離子水沖洗。使用NH3等離子體處理(120w 27.5 MHz射頻發生器處理5分鐘)處理活性區。
使用PMMA作為支撐將石墨烯片轉移到基板上。用丙酮除去PMMA，在石墨烯上(SiNx區以上)粘貼銀，然後退火(120°C, 5分鐘)。旋轉塗覆TFSA(雙(三氟甲烷磺酰)酰胺)使石墨烯聚合。添加一個反反射層——一個電子束蒸發的Al2O3薄膜(68納米厚度)。製備柵極時，用與之前相同的方法將一層額外的石墨烯轉移到活性區，活性區被氧化鋁覆蓋。取出PMMA，將銀柵電極粘貼到石墨烯柵上，然後退火(120°C, 5分鐘)。
石墨烯太陽能電池的未來發展
太陽能電池一直是學術界和工業界研究的熱點，並不斷有新的進展。大多數正在生產的太陽能電池使用硅和無機基材料，這些材料在某一時刻將達到它們的極限。
石墨烯衍生物的有機分子、低帶隙聚合物或兩者的結合，將會給行業帶來一場革命，並導致許多商業上可行的太陽能電池設備架構。
到目前為止，石墨烯太陽能電池已經取得了巨大的進步，而且這種進步將一直持續到未來。優化各種參數的能力使石墨烯基太陽能電池具有很高的可調性和適應性，以應對未來太陽能研究的挑戰。
無論是通過改進現有的太陽能電池、改進現有的非石墨烯太陽能電池的性能，還是通過創造一系列新的石墨烯光伏發電技術，石墨烯在這一令人興奮且快速發展的領域中扮演著重要的角色。
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