开题报告-张栋栋

石墨烯提高太阳能电池压花玻璃透光率的研究

信材101（10082956）张栋栋

摘要：近年来，石墨烯以独特的结构和优异的性能而广泛应用与物理、化学及材料学等领域，其中之一就是在新一代太阳能电池中的应用。本文综述了石墨烯应用于太阳能电池领域的发展现状，并指出了其今后的发展趋势。

关键词：石墨烯，太阳能电池，薄膜，光谱，透射率

1 研究背景

石墨烯是由单层碳原子构成的新型二维晶体材料。在过去的几年里, 这种独特的单原子层结构展现了许多奇特的物理化学性质, 并且已经在微电子、量子物理、材料和化学等领域表现出优异的性能和广泛的应用前景, 使碳材料继碳纳米管后再次成为国内外的研究热点。

近年来,太阳能作为一种新型绿色能源受到广泛重视,人们加大了对各种太阳能电池如晶体硅太阳电池、非晶硅薄膜太阳电池、染料敏化太阳电池和有机染料太阳电池的开发力度。2004 年, Geim 研究小组采用胶带剥离法（Scotch Tape Method）首次制备出稳定的石墨烯,引发了人们对石墨烯材料的空前关注[1]. 石墨烯具有优异的材料性能, 如单原子层石墨烯材料理论表面积可达2630 m2/g, 高达200000 cm2/(V·s)的半导体本征迁移率, 杨氏模量约为1.0 TPa, 热传导率约为5000 W/(m·k), 且透光率达到97.7%.这些独特的性质使石墨烯有可能广泛应用于光伏领域。石墨烯之所以有如此优异的材料性能，主要取决于石墨烯的分子结构。它是一种sp2杂化C 原子形成的六边形二维网格结构不断扩展得到的单层、两层或多层(小于10 层)材料。本文综述了石墨烯在太阳能电池中的应用, 主要是提高太阳能电池中压花玻璃透光率的方面。

2 文献综述

2.1 石墨烯材料概述

近20年来，碳纳米材料一直是科技创新的前沿领域，1985年发现的富勒烯和1991年发现的碳纳米管(CNTs)均引起了巨大的反响，兴起了研究热潮。2004年，Manchester 大学的Geim小组首次用机械剥离法获得了单层或薄层的新型二维原子晶体——石墨烯[2]。石墨烯的发现，充实了碳材料家族，形成了从零维的富勒烯、一维的CNTs、二维的石墨烯到三维的金刚石和石墨的完整体系。石墨烯是由sp2杂化的碳原子连接的单原子层构成的，其基本结构单元为苯分子的碳六元环。其理论厚度仅为0.35 nm，是目前所发现的最薄的二维材料。

石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，厚度仅

为头发的20万分之一，是构建其它维数碳质材料（如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨）的基本单元。石墨烯具有优异的光学、热力学、力学性能、高的电子迁移率、高比表面积和奇特的电学性能, 例如室温下半整数的量子霍尔效应、双极性的电子场效应及弹道电子传输效应、可调带隙、高弹性等, 这些优异的性能使石墨烯具有广泛的应用前景。

2.2石墨烯的性质

目前已报道的石墨烯的异常性质有杨氏模量，大概为l.100 GPa，断裂强度为125 GPa，热传导系数为大约5.000 W/m.K，载流子迁移率为200.000 cm2/v.s，比表面积理论值为2.630 m2/ g。

2.2.1 石墨烯的电学性质

从石墨烯的能带结构我们可知，石墨烯是一种零带隙材料。即使在室温条件下，电子和空穴都可以连续共同存在，载流子浓度可以高达1013cm-3，迁移率μ可以超过200,000cm2/v.s。

此外，迁移率微弱依赖于周围的温度T，在300K的时测得的迁移率值受到杂质散播的限制，实际通过改变温度还有提高的余地。在高掺杂半导体中，一些半导体在室温下的迁移率μ高达77000cm2 /v.s，当石墨烯进行高浓度掺杂时，同样会有更高的迁移率。

薛定谔方程能够足以描述材料的电子特性，在石墨烯粒子中的电荷传导更容易由狄拉克方程描述，因此这给凝聚态物理和量子电动力学之间提供了一个桥梁。

2.2.2 室温下的量子霍尔效应

量子霍尔效应是量子力学中一个非常重要的效应，它一般只发生在微小的尺度上。这个效应通常在非常低的温度才能观察到，这个温度一般要低于液体氦的沸点，人们常采用含有较小有限质量的半导体来扩大量子霍尔效应的温度范围，但目前所能达到的温度也在30 K以下。这个在低温、高磁场下二维金属电子气体中发现的效应，已经阐明了许多重要的量子力学的问题。

然而，最近，已被观察到石墨烯在室温下的量子霍尔效应，因为它室温下的弹道运输性质以及化学和机械学的稳定性。石墨烯中的载流子就像无质量的迪拉克费米子一样，它有着非比寻常的特性，在周围的环境中，载流子迁移时很少发生散射，从而开辟了新的以石墨烯为基础阻抗标准和较高温度下的新型量子器件工作研究，成为一种在日后应用中很有希望的候选材料。

2.2.3 表面性质的尺寸效应

当颗粒的尺寸进入纳米级别之后，纳米材料将具有一些宏观材料所不具备的一些性质，这些性质比较特别，我们常称为小尺寸效应。近几年来的研究发现已经存在单原子

层厚的二维的金属膜，同时这些膜的厚度还可以采用不同的手段进行非常精确的控制。这些金属膜中存在很多奇特的性质，比如超导温度和表面的化学反应特性都会随单原子层厚度变化呈现出振荡现象。但是这些金属膜只有在非常低温度下才能稳定存在，所以其广泛应用的前景大为受限。

最新的研究表明，在石墨烯表面蒸镀其它的原子，其在不同层数的石墨烯表面扩散系数及扩散势垒与层数密切相关，而扩散势垒不同的原因可以归因于量子尺寸效应。

2.3 石墨烯的应用前景

石墨烯以其独特的结构、性质及潜在的应用，吸引了无数科学工作者的眼光，已成为材料、化学、物理等众多领域研究的热点。

2.3.1 石墨烯在荧光分析中的应用

石墨烯具有独特的结构及电子特性，在荧光光谱分析中也表现出良好的应用前景。Chen 等研究了CdSe/ZnS 纳米粒子吸附在单层或多层石墨烯片上的荧光猝灭现象，并通过荧光猝灭来测定能量转移的速率。结果发现，单层石墨烯片的猝灭效率为4 ns-1，随着层数的增加，猝灭效率明显增大。这项研究有利于使石墨烯在光电器件中得到新的应用[3]。Dong 等首次研究了量子点和氧化石墨烯之间的荧光共振能量转移(FRET) ，先用分子信标修饰量子点，以该量子点作为探针来识别靶标分析物[4]。分子信标与氧化石墨烯之间的强烈作用可使量子点产生荧光猝灭，并用于测定DNA 序列，结果表明，该方法具有较高的灵敏度和较好的选择性，可测定核酸以及单个核苷酸的多态性。Chang 等研究了石墨烯的荧光共振能量转移适配体传感器，对凝血酶进行检测。该传感器对血清样品凝血酶的测定具有较高的灵敏度和专一性，检出限可低至31.3 pmol/L，与碳纳米管的荧光传感器相比，灵敏度显著提高，在识别癌细胞以及生物分子方面具有良好的应用前景。Treossi 等利用有机染料对氧化石墨烯表面衍生化，染料分子在氧化石墨烯存在的情况下产生荧光猝灭。该方法可在多种基底(包括石英、玻璃)上完成，且无干扰。

2.3.2 石墨烯在质谱分析中的应用

石墨烯也逐步应用于质谱分析中，主要用作MALDI-TOF-MS 的基质。Dong等首次采用石墨烯作为基质，采用MALDI-TOF-MS 测定低分子量化合物，如氨基酸、多胺、类固醇、抗癌药物、核苷等物质。与传统的α-氰基-4-羟基肉桂酸基质相比，提高了分析物的解吸及离子化效率。Tang 等利用石墨烯对生物分子单链DNA进行萃取富集，采用表面增强激光解吸离子化飞行时间质谱(SELDI-TOF-MS)进行检测，结果表明，基于石墨烯的SELDI探针可降低噪音干扰，从而提高检测灵敏度。该研究有利于提高蛋白质组学和基因组学中生物靶标物检测灵敏度[5]。Zhou 等以还原氧化石墨烯膜作为基质，利用MALDI-TOF-MS检测八氯二苯并-对-二噁英，发现其检测限可低至500pg，与其他的传统基质相比，还原氧化石墨烯效果较好，有可能应用于其他生物材料的质谱检测[6]。