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石墨烯制备新型高效太阳能电池

字体大小: - - yaqian   发表于 11-10-14 18:06     阅读(2892)   评论(0)     分类:石墨烯太阳能电池

极高的电子迁移率使石墨烯具有理想的条件,电子穿过石墨烯时,大约有100倍的迁移率,这是对比硅而言,石墨烯还具有卓越的强度,而且事实上,它几乎是透明的(2.3%的光可被吸收;97.7%的光可被传输),这些都使它成为理想的候选材料,可用于光伏领域,超薄透明石墨烯膜就可替代金属氧化物电极。因此,它可能是一种很前途的替代材料,可替代铟锡氧化物(ITO:indium tin oxide),铟锡氧化物是目前标准的透明电极材料,石墨烯用作电极,可用于液晶显示器,太阳能电池iPad和智能手机使用的触摸屏,以及有机发光二极管( OLED)显示器,这种显示器用于电视和计算机

  但是,最近的研究表明,掺杂是必要的,为的是利用石墨烯的全部潜力。这一挑战对于研究人员而言,就是要找到适当的制造技术,制备高质量石墨烯片,使它具有高度的电荷迁移率(charge mobilities)。

  德国和西班牙的一个研究小组最近发表了一篇论文,发表在《应用化学国际版》(Angewandte Chemie International Edition),题为《实现可调石墨烯/酞菁- PPV混合动力系统》(Towards Tunable Graphene/Phthalocyanine–PPV Hybrid Systems),他们提出了一种化学方法,制成非共价(non-covalently)功能性石墨烯,这种材料产生于可大量获得的低价天然石墨。

  “到目前为止,功能性分子要根据光活性基团(photo-active groups)引入,这需要与石墨烯氧化物相互作用,因此,就不得不忍受苛刻的还原条件(reduction conditions),获得非共价功能化石墨烯氧化物,”珍妮•马里格说(Jenny Malig),他是论文的第一作者。“我们方法的优势是直接剥离石墨烯,这要采用超声处理和伴随的非共价功能化,依靠的是感光分光表征(photospectroscopical characterization)溶液。”

马里格是德克•古尔蒂(Dirk Guldi)小组的博士生,在纽伦堡(Nürnberg)埃尔兰根(Erlangen)弗里德里希亚历山大大学(Friedrich-Alexander-Universitat),一起工作的有她的同事,还有合作者来自马德里自治大学(Universidad Autónoma de Madrid)IMDEA 纳米科学部(IMDEA – Nanociencia)。

  她指出,非共价剥落石墨烯,采用的媒介是表面活性剂(surfactants),这是经过充分验证的,在原理上,这种概念是来自碳纳米管化学。

  “此外,π类表面活性剂(π-surfactants)就像双亲性花(amphiphilic perylene)或苝染料(pyrene dyes)一样,都已经用于稳定石墨烯薄片,这是在适当的溶剂中进行,”她说。“受这些成果鼓舞,我们转向更复杂的分子,比如酞菁齐聚物(phthalocyanine oligomers),这在以前从未用于溶解过程。”

  对于这项工作,有知识传授了已完成的研究,所在化学领域就是碳纳米管化学,是古尔蒂的小组做的(他们写过文章《调整和优化内在互动的酞菁基PPV低聚物和单壁碳纳米管实现n-型/p-型》),这是关键性的,可以制备非共价功能化石墨烯薄片,这是一种纳米复合材料。

  然而,研究新的电子供受体复合物(electron donor-acceptor hybrids)就涉及到石墨烯,这更具有挑战性,远远超过剥离碳纳米管,这都是在同样的情况下进行。原因在于,从适用太阳能电池而言,主要挑战是光物理特性方面的纳米复合材料。

  “对比非共价功能化碳纳米管,石墨烯被认为是一种零隙(zero-gap)半导体,没有表现出显著的光学跃迁(optical transition),在可见光范围就是这样,这就限制了表征技术(characterization techniques),”马里格说。

  该小组绕过这个问题,选择一个旁观分子(spectator molecule),以协助查明和表现电子供受体的相互作用。

 “有趣的是,我们能够量化和证明所形成的自由基阳离子(radical cation)种类,就是这种‘旁观分子’,它第一次清楚地表明,电子转移是从激发的染料转移到石墨烯片,”马里格说。 “最后,后者就形成一种方便的工具,可用于测试广泛的库存染料。它表明,石墨烯有可能作为电子受体(electron acceptor)。”

  在一般情况下,这种新颖的单因子混合物(monohybrids)材料是新的电子材料,尤其可用于印刷电子技术。非共价功能化石墨烯产生了成本上有效的新材料,可能表现出新的变异属性,不同于非功能化石墨烯。此外,功能基团(functional groups)可调整石墨/石墨烯的剥离和溶解度。

  “在有些设备中,石墨烯电子结构的调整是采用化学功能化,这是一种适当的方式,这些设备是可以设计的,所有的装配完全采用石墨烯,”马里格说。

 另外:石墨烯是高精尖技术,也可以应用在计算机芯片、电子导线、微电子、传热以及涂料等高附加值产品方面.

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