石墨烯-ITO电极有望提升太空太阳能发电效率

通过将单层石墨烯与传统的ITO相结合，研究人员改善了透明电极中的纳米级电荷传输，为未来航空航天任务开发更轻便、更高效的太阳能系统开辟了一条潜在途径。

《工程学报》（Engineering Proceedings）上的一项新研究探讨了用于下一代太空太阳能电池的石墨烯-ITO混合透明电极。研究人员证明，将单层石墨烯与传统的铟锡氧化物相结合，在支持透明电极应用的同时，通过隧道电流测量显著改善了纳米尺度的电流响应，并保持了扫描区域内纳米尺度的表面均匀性。

该研究成果为开发高性能透明电极开辟了一条有前景的途径，这些电极有望在严苛的航空航天环境中支撑未来耐用且高效的太阳能发电系统。论文本身强调了纳米尺度电荷传输特性的表征，并指出宏观测量对于器件级评估仍然至关重要。

混合纳米材料突破了传统电极的局限

空间光伏系统在极端环境条件下运行，因此需要高效且耐用的太阳能电池。三结GaInP/GaAs/Ge太阳能电池目前在空间应用中占据主导地位，因为它们能够吸收太阳光谱的多个波段，并在AM0条件下实现约30%的转换效率。然而，由于电学损耗、导电性降低以及传统氧化铟锡（ITO）薄膜的机械脆性，透明前电极仍持续限制着器件的整体性能。

研究人员通过开发用于下一代太空太阳能电池的石墨烯-ITO混合透明电极，解决了这些限制。石墨烯具有卓越的载流子迁移率、机械强度和光学透明度，使其成为先进光伏系统的极具前景的材料。

研究表明，石墨烯-ITO混合电极显著改善了局部导电路径，并在纳米尺度上将隧道电流提高了近60%。尽管本研究未对完整的太阳能电池性能进行测试，但这项工作为用于轻量化、高性能空间光伏系统的石墨烯增强型透明电极中的电荷传输提供了新的见解。

石墨烯/ITO电极的制备与多尺度表征

研究人员通过将单层石墨烯转移到市售的100 nm厚ITO涂层玻璃基板上，制备了混合型透明电极。他们采用冷壁化学气相沉积（CVD）法合成石墨烯，并利用热剥离胶带技术将石墨烯层转移到预图案化的ITO表面上。

研究人员采用532 nm激发激光的拉曼光谱法，对制备的石墨烯/ITO电极的结构质量进行了评估。研究团队从多个位置采集光谱数据，以确保混合表面各处的结果一致。他们进一步利用隧道原子力显微镜（TUNA-AFM）研究了纳米尺度的电学行为。该技术可同时测量表面形貌和超低隧道电流，从而直接绘制局部导电路径图。研究团队在施加1–2 V直流偏压的条件下，使用铂涂层导电探针以接触模式进行了测量。

该研究通过分析高度、摩擦、挠曲及隧道电流图，对比了裸露ITO表面与石墨烯涂层ITO混合电极的性能。重复扫描和多次测量证实了电输运数据的可靠性，并确保了结果反映的是材料的固有特性，而非与表面相关的伪影。

沉积在玻璃（黑色曲线）和ITO基板（红色曲线）上的石墨烯的拉曼光谱。灰色阴影区域表示根据121个拉曼光谱计算出的标准偏差。

增强的导电路径改善了电荷传输性能

拉曼光谱证实了石墨烯已成功集成到ITO表面。样品在1344 cm⁻¹、1583 cm⁻¹和2693 cm⁻¹附近呈现出特征拉曼峰，分别对应D带、G带和2D带。D带强度较低表明结构缺陷极少，且石墨烯质量优良。转移至ITO基板后，G带出现轻微蓝移，而2D带则略向低频方向偏移。

这些光谱变化被解释为石墨烯-ITO杂化结构中电荷转移相互作用和载流子掺杂的证据。此外，研究人员观察到转移后D/G强度比仅略有增加，表明石墨烯在制备过程中保持了良好的结构完整性。此外，2D峰的变窄表明石墨烯与ITO表面之间存在强耦合。

TUNA-AFM分析揭示了裸露ITO与石墨烯涂层ITO表面在电输运行为上的显著差异。裸露ITO薄膜显示出局部的导电区域，这些区域集中在多晶晶界周围，隧道电流范围约为−950 fA至940 fA。相比之下，石墨烯涂层ITO表面呈现出更平滑的纹理和高度互联的导电路径。隧道电流显著增加至−1.6 pA至1.5 pA之间，证实了纳米尺度电荷输运能力的增强。

研究人员发现，集成石墨烯后，最大纳米尺度隧道电流增加了约60%。他们将这一改进归因于石墨烯出色的面内导电性及其与ITO之间的强界面耦合，这增强了载流子迁移率和垂直电荷隧穿。

该研究还证实了混合电极表面上石墨烯覆盖的均匀性以及可重复的电学性能。总体而言，这些结果表明，石墨烯在保持先进透明电极应用所需表面均匀性的同时，显著改善了电学连续性。

对下一代航空航天能源技术的影响

这项研究凸显了石墨烯-ITO混合电极在先进太空光伏系统中的巨大潜力。研究人员通过将石墨烯与传统的透明导电氧化物相结合，开发出一种高导电性的混合电极结构，从而实现了多结太阳能电池中高效的电荷传输。

该混合电极显著提升了纳米尺度的导电响应，且在转移过程中未引入明显的石墨烯缺陷，也未降低局部表面的均匀性。这些改进对于航空航天应用至关重要，因为在该领域，太阳能电池必须具备耐久性、高效率，并能适应严苛的工作环境。

改进后的纳米尺度电流响应及其与透明电极设计的关联性，也使石墨烯-ITO混合电极在更广泛的光电子和航空航天技术领域展现出广阔前景。

未来研究应侧重于宏观测量、器件级电学与光学测试、长期环境稳定性、大面积可重复性，以及将其集成到实际运行的太阳能电池中。

总体而言，该研究展示了基于石墨烯的混合结构如何改善材料层面的载流子传输特性，以满足下一代能源技术的需求。

文献信息

Ahmed, N. ul A., et al. (2026). 2D Nanomaterial-Based Transparent Electrodes for Next-Generation III–V Multijunction Space Solar Cells. Engineering Proceedings 133(1). DOI: 10.3390/engproc2026133101, https://www.mdpi.com/2673-4591/133/1/101