新生研討課研究報告

中國科學技術大學“科學與社會”生研討課爭論報告報告題目：石墨烯應用于太陽能電池小組組長：黃汝博小組成員：吳晨巖、徐運坤、曹翔宇導師姓名：謝毅2023531日1一、爭論小組成員及其擔當的主要工作學號姓名所在學院在爭論和報告撰寫中擔當的主要工作PB14000725黃汝博少年班學院組織爭論及撰寫爭論報告PB14206087吳晨巖少年班學院墨烯作為透亮電極的具體應用等有關主講人。PB14000638徐運坤少年班學院演示文稿制作PB14000533曹翔宇少年班學院文獻調研2QQ二、進度安排20232023122023120234202353確定爭論題目確定小組成員分工匯總調研成果并開展爭論中期報告3202352023531三、摘要、關鍵詞作用。關鍵詞：石墨烯有機光伏電池透亮電極 電子受體材料四、爭論報告—背景和目標隨著全球對能源需求的日益增加，石油、煤炭、自然氣等傳統(tǒng)能源日益枯竭，地球每年吸取的太陽能為5．4× J左右，相當于目前世界上全部可用能源的幾萬倍。因此太陽能的利用，尤其是直接利用太陽輻射轉變?yōu)殡娔艿奶柲茈姵氐膽?，特別受人關注。無機太陽15%，但是由于硅材料具有較高本錢，使其進展大受限制。而對于聚合物光伏器件，由于其具有較低的材料和制作本錢、良好的機械性能和柔韌性、化學構造的可操作性使其變得格外有潛力。石墨烯具有較高的載流子遷移率和良好的可見光透過率，在異質結電池的電子受體材料和光染料敏化電池的對電極材料中均有應用前景。本文中我們致力于分析石墨烯應用于有機光伏電池從而提高其光電轉化效率的可行性。二正文石墨烯的性質2023年，Geim爭論小組[1]承受膠帶剝離法首次制備出穩(wěn)定的石墨烯，引發(fā)了人們對石墨烯材料石墨烯材料理論[2]高達202300cm2/(V·s)的半導體本征遷移率，楊氏模量約為1.0TPa，熱傳導5000W/(m·k)，且透光率到達97.7%，這些獨特的性質使石墨烯有可能廣泛應用于光伏領域.石墨烯之所以有如此優(yōu)異的材料性能，主要取決于石墨烯的分子構造.它是一種sp2雜化C原子形成的410層)材料，其構造如圖1所示2.石墨烯的制備[3-7]很多，主要有以下幾種:氧化復原法此制備方法是較為常見的一種，國外很多科學家己經對這方面做了大量的爭論。氧化石墨法利用了石墨氧化前后親水性的以及層間距的變化。石墨本身是一種憎水性物質，氧化后產生大量的羧基、羥基等官能團，使其成為一種親水性物質。氧化的方法一般有3化學物質發(fā)生反響，產生改性石墨，這種有機改性可以讓氧化石墨外表從親水性變成了親油性，外表能降低，從而提高與聚合物之間的相容性，增加粘結性。同時石墨氧化后，其間距變大，約比石墨增加0.365nm-0.765nm。因此這種改性石墨經過適當的超聲波震蕩處理很簡潔在水溶液或者有機溶液中分散成均勻的單層的氧化石墨烯溶液。最終將氧化石墨烯萃取并復原，即可以的得到石墨烯。微機械剝離法這是覺察石墨烯的最早的方法。主要運用等離子刻蝕技術，早先國外的Lu[3]國內的劉首鵬[4]利用等離子針尖以及原子力顯微鏡，先后產生并觀測到納米級別的多層石墨烯。單層石墨烯也是由英國曼徹斯特大學的Geim[5]和他的同事通過此方法覺察的。他們在lmm厚的高定向熱解石墨外表用氧等離子干蝕刻蝕出寬20μm-2mm,深5μm用光刻膠固定在玻璃襯底上，再用一種特別膠帶進展反復剝離。不斷重復這一過程，將多余的高定向熱解石墨(HOPG)去除，就可以得到越來越薄的石墨薄片。隨后將附著著石墨薄片的玻璃襯底放入丙酮溶液中超聲，使其均勻溶于溶劑中，最終將單晶硅片放入丙酮溶劑中，由于范德華力或毛細管力，單晶硅片上會附著單層石墨，由此便得到最初的石墨烯樣品。SiSi成功獲得了懸空的單層石墨烯。中的單層石墨烯需要爭論人員鑒別。(CVD)此種方法是大規(guī)模工業(yè)化制備半導體薄膜材料的最主要的方法。由于工藝完善，因此爭論Heer[7]SiC(1.33×Pa)，SiC10000CSiCSiSiC1-2法優(yōu)點在于制備的連續(xù)的石墨烯烴薄膜材料具有高的載流子遷移率。但是從這種方法制備出SiC大。目前，此局部爭論仍在進展中。石墨烯應用于透亮電極的理論分析太陽電池目前主要承受的透亮電極材料是氧化銦錫(ITO),氟摻雜的氧化錫(FTO)和摻雜的氧化鋅，其中ITO已成為商業(yè)標準。ITO是一種由約90%的 和約10%的 5ITOT80%—90%，RITO提高效率患病瓶頸。而石墨烯具有很高的透過率、超高的載流子遷移率，優(yōu)異的力學性能和穩(wěn)定性，因此被認為有望成為抱負的透亮電極材料。除此之外，石墨烯具有對包括中遠紅外線在內的全部紅外線的高透亮性。盡管紅外線占據了相當一局部太陽能輻射能量，但現(xiàn)有的大局部太陽能電池都無法將紅外線作為能量源來ITO和FTO對紅外線的透射率實際上也比較低。對于一般材料，確保大范圍波長領域的透亮性，就意味著較低的載流子密度。然而對于二維材料有為二維直流電導率，n為載流子密度，q為載流子電荷，μ為載流子遷移率。對于一般材料而言較小的載流子密度就意味著電導率較小，例如一般玻璃的光透過率大，但為絕緣體，無法作為光電極。不過石墨烯的載流子遷移率極大，電導率始終較高。石墨烯在很寬波長內較高的光透過率以及較高的載流子密度，使它有望成為的太陽能電池透亮電極。0.34nm，對于二維透亮導電材料，透光率T和Rs有如下關系[8]其中G為光電導率, 為真空介電常數，C為光速對于石墨烯G= =πe2/(2h)≈6．08×又得與實際值相符。由于 故可認如圖60．1%的入射光，10層時反射率約為2%。如圖(a)所示是化學氣相沉積法(CVD)制備的石墨烯(依據目前的轉移工藝制作的透過率與波長的關系9。在波長=550nm97.4550nm≤λ≤1000nm范圍的透過率曲線很平坦，透過率漸漸增高。4CVD石墨烯仍具90%ITO(約300nm)、FTO(600nm)和鋁摻雜的氧化鋅(AZO)約420nm)(b所示［10〔a〕1—4層石墨烯堆垛 AZOFTO比照由于透過率與電導率的此消彼長關系，無論是單一比較透過率還是面電阻都無法準確評價透亮導電材料的性能。因此一般通過品質因子[11]FT/Rs來綜合評價透亮導電材料的透過率、導電性。由 G= =πe2/(2h)≈6．08×0.34nmdN有由此可以推得 T=(1+0.337d d的單位為nm本征石墨烯載流子濃度n=3.4× ，通常狀況下載流子遷移率 μ=1.5×· d=0.34N,多層石墨烯的面電阻可以表示為d單位為nm7則石墨烯的品質因子為對于ITO由d =120nm可見光透過率T=90%,面電阻R=15推出則則

(ITO數RS=15 ×d1/d =1800/d8ITOITO品質因子大于石墨烯。石墨烯透亮電極在太陽能電池中的應用Wu等用復原的氧化石墨烯膜作為有機雙層小分子太陽能電池的透亮電極[13]80%5kΩ-1MΩ4—7mm石墨烯95%—98%，100—500kΩ。最終光0.4%。Geng等承受兩步復原法制備了透亮導電石墨烯薄膜[14]。該方法先將氧化石墨烯水溶液進展復原，然后對制備的石墨烯薄膜進展不同溫度的焙燒處理。他們指出該兩步復原反響，sp2構造，另一方面削減了石墨烯片層間的層間距。這增加了載流子1.01%。相比于氧化石墨烯復原法，CVD方法可獲得較高質量的石墨烯導電薄膜。Lee等報道了基于多層CVD生長的石墨烯透亮電極[15]60Ω72作為活性層，TiOx2.85%的光電轉化效率。LochCVD法制備除了石墨烯薄膜[16]4層厚80Ω，90%2.5%，一樣條件，ITO3%ITO了。石墨烯用于有機太陽能電池受體材料石墨烯作為有機太陽能電池受體材料，以OPSC為例.OPSC是一種混合異質結電池，光而使電子和空穴分別傳導到兩個電極上形成電流.3—己基噻吩(P3HT)3—辛基噻吩(P3OT).電子受體材料主要是用于電子分別和傳輸.OPSC的受體材料必需具備以下性質:(1)受體材料的功函數要在給體材料的最高占據分子軌道(HOMO)和最低未占分子軌道(LUMO)子問的傳播;(2).不盡如人意.學者們嘗試將碳納米管作為電子受體材料但是由于碳納米管較小的溶解性及其自身構造的限制，影響了OPSC光電轉換效率.石墨烯作為一種電性能可以和碳納米管媲美且可通過功能化改性的碳薄層材料，可以替代有機聚合OPSC如圖(a)所示，主A1(Cu等)構成的金9屬電極、給體材料共軛聚合物P3HT/P3OT)、受體材料及外表涂有一層導電聚合物[聚(3,4一乙烯基二的ITO/FTO.圖(b)為石墨烯應用于OPSC的工作原理.過程①光入射到受光激發(fā)產生電子空穴對，即產生激子.過程②電子空穴對遷移到給體材料與石墨烯受體材料的界面后，電子轉移到石墨烯受體材料的HOMO能級上，從而實現(xiàn)電子和空穴對分別.電子在石負極上.過程③電子空穴對分別后，空穴通過導電聚合ITO/FTO外表.空穴和電子分別被負極和正極收集，產生電勢等[17]P3HT或OPSC，并對其進展光電性能的爭論.C60接枝到石墨烯外表然后將其作為受體材料應用于聚合物太陽能電池等爭論.三總結石墨烯作為透亮電極材料實際應用中，石墨烯透亮導電膜作為有機太陽能電池陽極效率低于ITO,任有很多要的石墨烯薄膜,以求在降低本錢的同時,提高太陽能電池光電轉換效率.石墨烯材料外表構造及性質也確定程度上影響了太陽能電池整體電性能的表現(xiàn)。石墨烯作為有機太陽能電池受體材料OPSC啟發(fā)性.四致謝感感謝毅教師在課題開展中賜予的指導，感謝其他爭論組的同學在溝通中提出的貴重意見。五參考文獻NovoselovK,GeimA,MorozovS,etal.Electricfieldeffectinatomicallythincarbonfilms.Science,2023,306(5696):66669BolotinKI,SikesK,JiangZ,etal.Ultrahighelectronmobilityinsuspendedgraphene.SolidStateCommun.,2023,146(9/10):351355StaudenmaierL.Verfahrenzurdarstellungdergraphitsaure[J].BerDtschChem10Ges1898;31:148199.MeyerJC,GeimAK,KatsnelsonMI,etal.Thestructureofsuspendedgraphenesheets[J].Nature,2023,.446(7131):60-63.BergerC,SongZ，LiEpitaxialGraphene[J].X，etal.ElectronicConfinementandCoherenceinPatternedScience,2023312(5777):11911196.BergerC,SongZ,LiT,etal.UltrathinEpitaxialGraphite:2DElectronGasPropertiesandaRoutetowardGraphene-basedNanoelectronics[J].JPhysChemB,2023,108:19912-19916.HeerW，BergerC，WuXS，etal.Epitaxialgraphene[J].SolidStateCommunications.2023_143:92-100.F．Bonaccorso，Z．Sun，T．Hasan，etal．Graphenephotonicsandoptoelectronics［J．NaturePhotonics，2023，4(9):611－622．SukangBae，HyeongkeunKim，YoungbinLee，etal．Roll－to－rollproductionof30－inchgraphenefilmsfortransparentelec-trode［J．Naturey2023，5(8):574－578．HuiBi，F(xiàn)uqiangHuang，JunLiang，etal．TransparentconductivegraphenefilmssynthesizedbyambientpressurechemicalvapordepositionusedasthefrontelectrodeofCdTesolarcells［J．Advancedmaterials(DeerfieldBeach，F(xiàn)la．)，2023，23(28):3202－3206．劉曉平，任丙彥，許穎，等．HIT太陽電池中ITO薄膜的構造和光電性能［J．陽能學報，2023，285)504－507．XuanWang，LinjieZhiandKlausMüllen．Transparent，conductivegrapheneelectrodesf