新生研讨课研究报告

中国科学技术大学“科学与社会”生研讨课争论报告报告题目：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2023531日1一、争论小组成员及其担当的主要工作学号姓名所在学院在争论和报告撰写中担当的主要工作PB14000725黄汝博少年班学院组织争论及撰写争论报告PB14206087吴晨岩少年班学院墨烯作为透亮电极的具体应用等有关主讲人。PB14000638徐运坤少年班学院演示文稿制作PB14000533曹翔宇少年班学院文献调研2QQ二、进度安排20232023122023120234202353确定争论题目确定小组成员分工汇总调研成果并开展争论中期报告3202352023531三、摘要、关键词作用。关键词：石墨烯有机光伏电池透亮电极 电子受体材料四、争论报告—背景和目标随着全球对能源需求的日益增加，石油、煤炭、自然气等传统能源日益枯竭，地球每年吸取的太阳能为5．4× J左右，相当于目前世界上全部可用能源的几万倍。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15%，但是由于硅材料具有较高本钱，使其进展大受限制。而对于聚合物光伏器件，由于其具有较低的材料和制作本钱、良好的机械性能和柔韧性、化学构造的可操作性使其变得格外有潜力。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。二正文石墨烯的性质2023年，Geim争论小组[1]承受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石墨烯材料理论[2]高达202300cm²/(V·s)的半导体本征迁移率，杨氏模量约为1.0TPa，热传导5000W/(m·k)，且透光率到达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构造.它是一种sp2杂化C原子形成的410层)材料，其构造如图1所示2.石墨烯的制备[3-7]很多，主要有以下几种:氧化复原法此制备方法是较为常见的一种，国外很多科学家己经对这方面做了大量的争论。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。氧化的方法一般有3化学物质发生反响，产生改性石墨，这种有机改性可以让氧化石墨外表从亲水性变成了亲油性，外表能降低，从而提高与聚合物之间的相容性，增加粘结性。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简洁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。最终将氧化石墨烯萃取并复原，即可以的得到石墨烯。微机械剥离法这是觉察石墨烯的最早的方法。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觉察的。他们在lmm厚的高定向热解石墨外表用氧等离子干蚀刻蚀出宽20μm-2mm,深5μm用光刻胶固定在玻璃衬底上，再用一种特别胶带进展反复剥离。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，最终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。SiSi成功获得了悬空的单层石墨烯。中的单层石墨烯需要争论人员鉴别。(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，因此争论Heer[7]SiC(1.33×Pa)，SiC10000CSiCSiSiC1-2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SiC大。目前，此局部争论仍在进展中。石墨烯应用于透亮电极的理论分析太阳电池目前主要承受的透亮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 5ITOT80%—90%，RITO提高效率患病瓶颈。而石墨烯具有很高的透过率、超高的载流子迁移率，优异的力学性能和稳定性，因此被认为有望成为抱负的透亮电极材料。除此之外，石墨烯具有对包括中远红外线在内的全部红外线的高透亮性。尽管红外线占据了相当一局部太阳能辐射能量，但现有的大局部太阳能电池都无法将红外线作为能量源来ITO和FTO对红外线的透射率实际上也比较低。对于一般材料，确保大范围波长领域的透亮性，就意味着较低的载流子密度。然而对于二维材料有为二维直流电导率，n为载流子密度，q为载流子电荷，μ为载流子迁移率。对于一般材料而言较小的载流子密度就意味着电导率较小，例如一般玻璃的光透过率大，但为绝缘体，无法作为光电极。不过石墨烯的载流子迁移率极大，电导率始终较高。石墨烯在很宽波长内较高的光透过率以及较高的载流子密度，使它有望成为的太阳能电池透亮电极。0.34nm，对于二维透亮导电材料，透光率T和Rs有如下关系[8]其中G为光电导率, 为真空介电常数，C为光速对于石墨烯G= =πe²/(2h)≈6．08×又得与实际值相符。由于 故可认如图60．1%的入射光，10层时反射率约为2%。如图(a)所示是化学气相沉积法(CVD)制备的石墨烯(依据目前的转移工艺制作的透过率与波长的关系9。在波长=550nm97.4550nm≤λ≤1000nm范围的透过率曲线很平坦，透过率渐渐增高。4CVD石墨烯仍具90%ITO(约300nm)、FTO(600nm)和铝掺杂的氧化锌(AZO)约420nm)(b所示［10〔a〕1—4层石墨烯堆垛 AZOFTO比照由于透过率与电导率的此消彼长关系，无论是单一比较透过率还是面电阻都无法准确评价透亮导电材料的性能。因此一般通过品质因子[11]FT/Rs来综合评价透亮导电材料的透过率、导电性。由 G= =πe²/(2h)≈6．08×0.34nmdN有由此可以推得 T=(1+0.337d d的单位为nm本征石墨烯载流子浓度n=3.4× ，通常状况下载流子迁移率 μ=1.5×· d=0.34N,多层石墨烯的面电阻可以表示为d单位为nm7则石墨烯的品质因子为对于ITO由d =120nm可见光透过率T=90%,面电阻R=15推出则则

(ITO数RS=15 ×d1/d =1800/d8ITOITO品质因子大于石墨烯。石墨烯透亮电极在太阳能电池中的应用Wu等用复原的氧化石墨烯膜作为有机双层小分子太阳能电池的透亮电极[13]80%5kΩ-1MΩ4—7mm石墨烯95%—98%，100—500kΩ。最终光0.4%。Geng等承受两步复原法制备了透亮导电石墨烯薄膜[14]。该方法先将氧化石墨烯水溶液进展复原，然后对制备的石墨烯薄膜进展不同温度的焙烧处理。他们指出该两步复原反响，sp2构造，另一方面削减了石墨烯片层间的层间距。这增加了载流子1.01%。相比于氧化石墨烯复原法，CVD方法可获得较高质量的石墨烯导电薄膜。Lee等报道了基于多层CVD生长的石墨烯透亮电极[15]60Ω72作为活性层，TiOx2.85%的光电转化效率。LochCVD法制备除了石墨烯薄膜[16]4层厚80Ω，90%2.5%，一样条件，ITO3%ITO了。石墨烯用于有机太阳能电池受体材料石墨烯作为有机太阳能电池受体材料，以OPSC为例.OPSC是一种混合异质结电池，光而使电子和空穴分别传导到两个电极上形成电流.3—己基噻吩(P3HT)3—辛基噻吩(P3OT).电子受体材料主要是用于电子分别和传输.OPSC的受体材料必需具备以下性质:(1)受体材料的功函数要在给体材料的最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占分子轨道(LUMO)子问的传播;(2).不尽如人意.学者们尝试将碳纳米管作为电子受体材料但是由于碳纳米管较小的溶解性及其自身构造的限制，影响了OPSC光电转换效率.石墨烯作为一种电性能可以和碳纳米管媲美且可通过功能化改性的碳薄层材料，可以替代有机聚合OPSC如图(a)所示，主A1(Cu等)构成的金9属电极、给体材料共轭聚合物P3HT/P3OT)、受体材料及外表涂有一层导电聚合物[聚(3,4一乙烯基二的ITO/FTO.图(b)为石墨烯应用于OPSC的工作原理.过程①光入射到受光激发产生电子空穴对，即产生激子.过程②电子空穴对迁移到给体材料与石墨烯受体材料的界面后，电子转移到石墨烯受体材料的HOMO能级上，从而实现电子和空穴对分别.电子在石负极上.过程③电子空穴对分别后，空穴通过导电聚合ITO/FTO外表.空穴和电子分别被负极和正极收集，产生电势等[17]P3HT或OPSC，并对其进展光电性能的争论.C60接枝到石墨烯外表然后将其作为受体材料应用于聚合物太阳能电池等争论.三总结石墨烯作为透亮电极材料实际应用中，石墨烯透亮导电膜作为有机太阳能电池阳极效率低于ITO,任有很多要的石墨烯薄膜,以求在降低本钱的同时,提高太阳能电池光电转换效率.石墨烯材料外表构造及性质也确定程度上影响了太阳能电池整体电性能的表现。石墨烯作为有机太阳能电池受体材料OPSC启发性.四致谢感感谢毅教师在课题开展中赐予的指导，感谢其他争论组的同学在沟通中提出的贵重意见。五参考文献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，FuqiangHuang，JunLiang，etal．TransparentconductivegraphenefilmssynthesizedbyambientpressurechemicalvapordepositionusedasthefrontelectrodeofCdTesolarcells［J．Advancedmaterials(DeerfieldBeach，Fla．)，2023，23(28):3202－3206．刘晓平，任丙彦，许颖，等．HIT太阳电池中ITO薄膜的构造和光电性能［J．阳能学报，2023，285)504－507．XuanWang，LinjieZhiandKlausMüllen．Transparent，conductivegrapheneelectrodesf