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除了替代储能电池中的既有材料，石墨烯也被证明可制造出性能优异的太阳能电池，而且是未来获得廉价耐用太阳能电池的最佳途径之一。美国麻省理工学院的研究人员在柔性石墨烯片上涂复纳米线，生产出低成本、透明以及柔韧性佳的太阳能电池，能够在窗户、屋顶以及其他物体的表面使用。
石墨烯可能是替代铟锡氧化物（ITO）的新材料。除了成本较低外，它还有诸如柔韧性佳、重量轻、机械强度与化学稳定性高等优点。在复盖硫化物量子点的情况下，虽然石墨烯的功率转换效率比通用的矽电池低4.2%，但今后在特殊用途中将具有竞争力。
在2012年的早些时候，美国佛罗里达大学物理学研究人员表示，通过对石墨烯材料进行三氟甲基磺醯胺（简称TFSA）掺杂处理，获得了具有能量转化率高的掺杂石墨烯太阳能电池。掺杂后的石墨烯太阳能电池的能量转化率高达8.6%，创造了石墨烯太阳能电池能量转换的纪录。
研究人员表示，如果石墨烯太阳能电池的能量转化率达到10%，且保持生产成本足够低，那么它们将成为市场上有力的竞争者。
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