新生研讨课研究报告

中国科学技术大学

“科学与社会”新生研讨课研究报告报告题目：石墨烯应用于太阳能电池

小组组长：黄汝博

小组成员：吴晨岩、徐运坤、曹翔宇

导师姓名：谢毅

2015年5月31日

一、研究小组成员及其承担的主要工作

二、进度安排

2015年5月中旬对中期报告中暴露的问题进行调整和补充

2015年5月31日答辩

三、摘要、关键词

随着化石能源日渐枯竭，新能源的开发利用开始展现广阔的前景。石墨烯是由一层碳原子构成的二维碳纳米材料，它具有很多优良的物理和化学性质，很有希望应用于新一代的太阳能电池。本次课题中我们尝试将石墨烯应用于有机光伏电池以提高其发电效率。我们依次简单介绍了石墨烯的性质以及制备方法，具体分析了石墨烯作为太阳能电池透明电极的可行性，探讨了石墨烯作为有机光伏电池受体材料的应用。最后我们充分肯定了石墨烯应用于有机光伏电池的重大意义，并得出结论：石墨烯将随着有机光伏电池的推广而在这一领域发挥更大作用。

关键词：石墨烯有机光伏电池透明电极电子受体材料

四、研究报告

一背景和目标

随着全球对能源需求的日益增加，石油、煤炭、天然气等传统能源日益枯竭，地球每年吸收的太阳能为5．4×J左右，相当于目前世界上所有可用能源的几万倍。因此太阳能的

利用，尤其是直接利用太阳辐射转变为电能的太阳能电池的应用，特别受人关注。无机太阳能电池能量转化效率可以轻松突破15%，但是由于硅材料具有较高成本，使其发展大受限制。而对于聚合物光伏器件，由于其具有较低的材料和制作成本、良好的机械性能和柔韧性、化学结构的可操作性使其变得非常有潜力。石墨烯具有较高的载流子迁移率和良好的可见光透过率，在异质结电池的电子受体材料和光染料敏化电池的对电极材料中均有应用前景。本文中我们致力于分析石墨烯应用于有机光伏电池从而提高其光电转化效率的可行性。

二正文

1.石墨烯的性质

2004年，Geim研究小组[1]采用胶带剥离法首

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.石墨烯具有优异的材料性能，单原子层

石墨烯材料理论[2]高达200000 cm ²/(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，其结构如图1所示2.石墨烯的制备

从早期的微机械剥离法，到现在己经工业化的化学气相沉淀法(CVD)，石墨烯的制备方法[3-7]很多，主要有以下几种:

1．氧化还原法

此制备方法是较为常见的一种，国外许多科学家己经对这方面做了大量的研究。氧化石墨法利用了石墨氧化前后亲水性的以及层间距的变化。石墨本身是一种憎水性物质，氧化后产生大量的羧基、羟基等官能团，使其成为一种亲水性物质。氧化的办法一般有3种:Standenmaier法、Brodie法、Hummer法。大量官能团的存在使得氧化石墨很容易与一些化学物质发生反应，产生改性石墨，这种有机改性可以让氧化石墨表面从亲水性变成了亲油性，表面能降低，从而提高与聚合物之间的相容性，增强粘结性。同时石墨氧化后，其间距变大，约比石墨增加0.365nm-0.765nm。因此这种改性石墨经过适当的超声波震荡处理很容易在水溶液或者有机溶液中分散成均匀的单层的氧化石墨烯溶液。最后将氧化石墨烯萃取并还原，即可以的得到石墨烯。

此种办法弊端在于完全氧化的石墨并不能还原彻底，导致一些物理和化学性能损失，尤其在导电性方面。但是由于操作简单，成本较低，因此可以工业应用，市场前景非常广阔。 2．微机械剥离法

这是发现石墨烯的最早的办法。主要运用等离子刻蚀技术，早先国外的Lu[3]国内的刘首鹏[4]利用等离子针尖以及原子力显微镜，先后产生并观测到纳米级别的多层石墨烯。

单层石墨烯也是由英国曼彻斯特大学的Geim[5]和他的同事通过此方法发现的。他们在lmm厚的高定向热解石墨表面用氧等离子干蚀刻蚀出宽20μm-2mm,深5μm的槽道，然后将其用光刻胶固定在玻璃衬底上，再用一种特殊胶带进行反复剥离。不断重复这一过程，将多余的高定向热解石墨(HOPG)去除，就可以得到越来越薄的石墨薄片。随后将附着着石墨薄片的玻璃衬底放入丙酮溶液中超声，使其均匀溶于溶剂中，最后将单晶硅片放入丙酮溶剂中，由于范德华力或毛细管力，单晶硅片上会附着单层石墨，由此便得到最初的石墨烯样品。Meyer[6]等在Geim的基础上将附着石墨烯的Si晶片放在金属架上，用酸将Si晶片腐蚀掉，成功获得了悬空的单层石墨烯。

此种办法优点是原理简单，制备容易，但是弊端在于工序复杂，杂质多，分离后的薄片中的单层石墨烯需要研究人员鉴别。

3.化学气相沉积法(CVD)

此种方法是大规模工业化制备半导体薄膜材料的最主要的方法。由于工艺完善，因此研究人员也在这方面寻求制备石墨烯的方法。其中，比较典型的是Heer等人[7]将SiC置于高

真空(1.33×Pa)，在SiC基材上加热到10000C以上，使SiC薄膜中的Si原子热脱附，

形成氧化。然后在超真空中用电子轰击，去除氧原子和氢原子，在SiC衬底上生成连续的二维石墨烯薄膜。这种方法制备出来的二维石墨烯薄膜厚度仅为1-2个碳原子层。使用此种方法优点在于制备的连续的石墨烯烃薄膜材料具有高的载流子迁移率。但是从这种方法制备出来的二维石墨中没有观测到量子霍尔效应，并且石墨烯表面的电子性质受SiC衬底的影响很大。目前，此部分研究仍在进行中。

3.石墨烯应用于透明电极的理论分析

太阳电池目前主要采用的透明电极材料是氧化铟锡(ITO) ,氟掺杂的氧化锡(FTO)和掺杂的氧化锌，其中ITO已成为商业标准。ITO是一种由约90%的和约10%的组成的n型