太陽能是一種重要的新型清潔能源，而太陽能電池無疑是人類利用這種新型能源最有效的技術之一。在各種類型太陽能電池技術突飛猛進的今天，發(fā)展高效率、低耗材以及易加工的新型太陽能電池至關重要。面對現(xiàn)有的成熟硅基太陽能電池技術，如何結合當今社會新材料與新技術的快速發(fā)展，一直是科學家所關心的問題。
　　碳與硅，這一同族相鄰的元素，因其結構與性能的諸多特性，往往成為眾多的科學家研究關注的焦點。碳/硅異質結這一模型應運而生，并展現(xiàn)出優(yōu)異的光伏效應，受到科學家與工程師廣泛而持續(xù)的關注（圖1）。特別是石墨烯/硅異質結太陽能電池，其光電轉化效率在5年的時間內從1.6%提升到15.6%，技術的發(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域的重要模型之一。
　　最近，清華大學材料學院朱宏偉教授與國家納米科學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/硅異質結太陽能電池的發(fā)展歷史，系統(tǒng)總結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) 硅的結構示意圖；(c) 碳/硅異質結太陽能電池的結構示意圖

　　碳/硅太陽能電池的基本結構如圖2所示。具有半導體或金屬性質的碳納米材料（圖2(a)）與硅(圖2(b))結合，即可構建形成p-n結或肖特基結，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/硅異質結最早于1979年由G. K.Bhagavat 和K. D. Nayak在實驗中實現(xiàn)，并發(fā)現(xiàn)該結構具有光伏效應（Thin Solid Films 1979, 64, 57）。其后，隨著碳材料的制備與加工技術的發(fā)展，碳/硅異質結的研究逐步深入，并得到廣大科學家的關注與持續(xù)研究。1996年，H. A. Yu等人基于該異質結實現(xiàn)了具有3.8%光電轉化效率的非晶碳/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性能調節(jié)的限制，其與硅構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)，特別是其相關制備技術的發(fā)展，碳/硅異質結太陽能電池的研究在最近幾年內得到了快速的發(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，圍繞在電學與光學方面的材料優(yōu)化與結構改進，特別是材料摻雜、界面調節(jié)與減反結構設計等技術的引入，碳納米管/硅與石墨烯/硅太陽能電池的光電轉化效率達到15～17%（Nat. Commun.2015, 6, 6305；Nano Lett. 2015, 15, 2104）。

圖3 石墨烯/硅異質結模型的拓展應用

　　碳/硅異質結太陽能電池的快速發(fā)展，充分證明了該模型科學研究的價值以及實際應用的潛力。碳/硅異質結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品中得到應用，如智能電子產品、可穿戴器件、醫(yī)療監(jiān)測、隨身軍事設備等方面。此外，碳/硅異質結的發(fā)展也為其他二維材料異質結構與異質結拓展應用的研究（如光電探測器、光調制器、化學探測、光電化學電池、三極管等）奠定了堅實的基礎（圖3）。
　　當然，碳/硅異質結太陽能電池的應用仍然面臨很多挑戰(zhàn)，比如實驗室報道結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)的應對，一方面需要碳材料的制備與加工技術的成熟，特別是與現(xiàn)有成熟工藝技術的整合；一方面也需要更多的借鑒成熟太陽能電池的工藝技術。
　　毫無疑問，相對于成熟的硅材料的技術發(fā)展，碳納米材料的應用研究才剛剛開始，碳/硅異質結的研究與應用仍需要較長的時間。每一次的技術改進或突破，必將帶來碳/硅異質結模型的跳躍式發(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。