《碳納米管-石墨烯同質結的構建與光伏性能研究》是依託清華大學，由呂瑞濤擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：碳納米管-石墨烯同質結的構建與光伏性能研究
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：呂瑞濤
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
太陽能電池作為一種重要的綠色可再生能源，對於從根本上解決能源短缺和環境污染問題具有重大的意義。但目前商業化的單晶矽p-n結太陽能電池存在矽原料成本較高、製備工藝複雜和難以製成柔性薄膜器件等問題；本項目將研究半導體型石墨烯的製備和電學性能調控方法；在此基礎上，採用雙壁碳納米管薄膜和改性石墨烯構建同質p-n結，研究其光伏性能，探討其光電轉換機制。這種全碳結構p-n結的構建和研究將為新型無機薄膜太陽能電池光電轉換材料的開發提供科學依據與可行途徑。
結題摘要
製備高質量的氮摻雜石墨烯並且研究石墨烯的光伏性能是構建“碳納米管-石墨烯同質結的基礎。我們首先以氮摻雜碳納米管為原料，通過高錳酸鉀和濃硫酸的氧化處理成功製得了氮摻雜的石墨烯納米帶；但製備的石墨烯納米帶尺寸小，無法直接成膜，限制了其在太陽能領域的套用。進而採用化學氣相沉積法，以乙腈為碳源，系統研究了不同生長基底對氮摻雜石墨烯製備的影響。研究發現，相比於鎳箔基底，碳在銅內的溶解度很小，以銅箔為基底製備的氮摻雜石墨烯較薄，具有良好的透光和導電性能，因而具有良好的光伏套用前景。系統研究了乙腈進給速率對銅箔為基底製備氮摻雜石墨烯的影響。結果表明，在低進給速率（如0.01-0.02 mL/min）下，可以製備出高質量的石墨烯；在中等進給速率（0.04-0.06 mL/min）下，製備的石墨烯表面有很多雜質聚集物；在高進給速率（＞ 0.06 mL/min）下，製備的產物為厚度較高的氮摻雜碳薄膜。進一步研究發現，低進給速率製備的氮摻雜石墨烯與n-Si組裝的碳/矽異質結太陽能電池，具有最好的光伏性能，能量轉化效率達到了2.26%。通過濃硝酸，二氯氧硫，濃鹽酸和雙氧水等揮發性氧化劑對碳/矽異質結太陽能電池進行熏蒸處理，可以進一步提高電池的開路電壓和填充因子，進而顯著提高太陽能電池的性能。其中，二氯氧硫對電池轉換效率的提升幅度最大，經二氯氧硫熏蒸的太陽能電池轉換效率達到5.95%，是未熏蒸處理電池的2.3倍。這些研究結果對於高性能光伏材料研究具有重要的指導意義。 採用製備的氮摻雜石墨烯和不同碳納米管 (雙壁和單壁碳納米管) 構建了石墨烯-碳納米管的同質結太陽能電池器件，但由於實際製備的碳納米管仍表現出一定的金屬性，導致構建的器件出現短路，光電流密度-電壓曲線為直線，表現出歐姆接觸特徵；通過濃硝酸的熏蒸處理，“石墨烯-碳納米管”同質結的器件的光電流密度-電壓曲線已經偏離直線，表現出半導體結性能。 該項目系統研究了氮摻雜石墨烯的製備規律，同時研究了氮摻雜石墨烯的光伏性能；通過二氯氧硫等揮發性氧化劑的處理，大大最佳化了石墨烯器件的光伏性能；首次組裝了新穎的“石墨烯-碳納米管”同質結太陽能器件，該工作推動了石墨烯在光伏器件套用領域的研究進展，豐富薄膜太陽能電池的種類，圓滿完成了項目所提出的目標。
