石墨烯太阳能电池.doc

1“石墨烯太阳能电池”，石墨烯是现在世界上已知的最为坚固的材料。在石墨烯样品微粒开始碎裂前,其每100纳米距离上可承受的最大压力达到约2.9微牛.这一结果相当于,施加55牛顿的压力才能使1米长的石墨烯断裂.如果能制作出厚度相当于塑料包装袋（厚度约100纳米）的石墨烯，那么需要施加约两万牛顿的压力才能将其扯断。这意味着石墨烯比钻石还要坚硬。它有望用于梦幻般的“太空电梯”的缆线。目前，“太空电梯”的最大难点之一在于如何制造出可以从地面延伸到空间站长达23000公里而不因重力折断的材料。而石墨烯的出现为解决这一难题带来契机。如果成功的制造出“太空电梯”，那人类讲更接近太空。此外，因石墨烯的高强度高韧性，它可以用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料以及超坚韧的防弹衣。此外，石墨烯的热导率是室温下纯金刚石的3倍（高达5000 W/ mK）；石墨烯对近红外、可见光及紫外光均具有优异的透过性，有望用于透明导体及太阳能电池；石墨烯对锂离子的存储能力是石墨的近10倍；石墨烯在高灵敏度传感器和高性能储能器件方面也已经展示出诱人的应用前景。因此，石墨烯有望在未来信息、能源、机械和医疗等领域获得广泛的应用。石墨烯在潜在的应用领域我们中科院上海硅酸盐研究所经过近一年的努力，已经用简易的化学方法制备出石墨烯，并成功的将其应用于太阳能电池。如将石墨烯替代贵金属基的材料，能做成“石墨烯太阳能电池”，则可以减缓资源、能源与环境的压力。中科院上海硅酸盐所制备得到石墨烯薄膜石墨烯的出现不仅给科学家们提供了一个充满魅力与无限可能的研究对象，更让我们对其充满了期待，也许在不久的将来，石墨烯就会为我们搭建起更加便捷与美好的生活。/look,000510,7011026289.html石墨烯制备新型高效太阳能电池2011-05-06 15:22:57 来源：太阳能光伏网 示意图：电子转移途径在剥离的石墨烯/锌酞菁类混合体中的情形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/PhthalocyaninePPV 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（Nrnberg）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 Autnoma 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，类表面活性剂（-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。石墨烯不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬；作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。如今，石墨烯再次给人们带来惊喜。美国麻省理工学院及哈佛大学的研究人员发现，石墨烯可以对光产生不同寻常的反应，在室温和普通光照射下，就可以发生热载流子效应，产生电流。这一发现不仅为石墨烯再添新奇属性，更有希望使其在太阳能电池、夜视系统、天文望远镜及半导体传感器等应用领域发挥作用。该研究发表在近期出版的科学杂志上，它将是电池材料的又一突破。2 X+ B 6 Y4 V$ G) n 研究人员在实验室制造了复杂的石墨烯纳米P-N结，利用850纳米的激光照射石墨烯P-N结介面，并测量激光照射点产生的光电流。结果发现，随着激光强度的增加，特别是在低温的条件下，可取得最大为5毫安/瓦（mA/W）的光电流，这一数值比以前的石墨光电器件高6倍。) A3 f: d ) n2 K* q 热载流子效应并不新奇，但通常情况下，需要在接近绝对零度或在极强的激光照射下才会发生，但石墨烯却表现出在室温和普通光下就可以产生热载流子效应的性能，这让人们对石墨烯未来的应用产生了巨大的想像空间。% c4 T2 L5 F# l R+ J此前曾发现过石墨烯在光照下产生电流的现象，但研究人员错误地认为是光伏效应。而麻省理工学院的研究人员发现，当光照在石墨烯上时，可以产生两个具有不同电气特性的区域，进而出现温差，产生电流。石墨烯在激光照射加热不一致时，携带电流的电子被加热，而晶格中的碳原子核保持低温。正是由于石墨烯内部的温差，产生了电流。这种不同寻常的机制就称为热载流子效应。（所谓热载流子就是具有高能量的载流子，即其动能高于平均热运动能量。当载流子从外界获得了很大能量时，便可成为热载流子。由于热载流子所造成的一些影响，就称为热载流子效应。） N2 A* H! u: |9 B V; a5 研究人员认为，石墨烯之所以会产生上述现象，是由于大多数材料的过热电子可将能量传递到周围晶格，而石墨烯则需要很高的能量才能振动其晶格的碳原子核，因此只有很少的电子能将热能转移到晶格。7 L/ j6 P4 z& g# S* 8 _研究人员表示，该研究成果是光电及能量采集方面十分重要的进展。由于这种现象十分新颖，还需要进一步深入的研究，才能清楚地了解其重要意义。但可以肯定的是，这种特性将会有非常广泛的应用前景。$ z0 Q7 t# u5 2 H首先，它有可能在利用太阳能方面产生重大的突破。典型的光伏材料仅对特定频率或颜色的光发生反应，而石墨烯对光发生反应的范围非常宽。研究结果还表明，石墨烯能十分有效地收集太阳能。因此太阳能电池的最大突破有可能会来自于石墨烯。5 l% L+ A7 m* Y7 W2 Ap=20, null, left 其次，由于石墨烯以不同的方式产生电流，因此可以利用石墨烯来制造超高速光子探测器。石墨烯对红外光的反应更有其独到之处，有望成为夜视系统及高级天文望远镜的重要组成部分。( x/ B% I, V* D, ?! Rp=20, null, left 此外，石墨烯也可应用于检测重要的生物分子。毒素、病菌或食品污染物等物质在光照射下，会发出红外光。此前所使用的半导体传感器，通常包含一些十分昂贵的稀有元素，而利用石墨烯生产传感器，成本将会大大降低。0 f! + k5 L# S3 W3 X 0 n7 _p=20, null, left 对于石墨烯的发现，还比较晚，人们还没真正探索出它的奥秘，有关它的特性人们还不完全清楚，石墨烯还能给我们带来什么样的惊喜和奇迹，能否掀起一场石墨烯革命，我们拭目以待。相信它能给太阳能电池技术注入新的力量，使电池技术越来越完美。美国南加州大学的研究人员开发了一种柔性碳原子薄膜透明材料，并用它制作出有机太阳电池。这种新材料名为石墨烯，由一层导电性极好的碳原子组成，厚度为几个原子。相关研究成果已发表在上。这种石墨烯有机太阳电池的光电转化效率还比不上硅太阳电池。每平方米的硅太阳电池能把瓦的太阳光能转化为瓦电力，而同样面积的石墨烯有机太阳电池只能转化出瓦电力。但石墨烯有机太阳电池造价低，而且柔韧性好，因此研究人员看好其应用前景，例如这种石墨烯有机太阳电池可做成家用窗帘，甚至可以做成会发电的衣服。目前研究人员已能制作多种尺寸的石墨烯，其中面积最大的为平方厘米。石墨烯的应用前景（三）：“太阳能电池”石墨烯成为大幅提高转换效率的王牌材料石墨烯的应用前景：引言 石墨烯的应用前景（一）：“触摸面板”最快于2012年面世石墨烯的应用前景（二）：2013年将实现以500GHz频率工作的高速石墨烯晶体管和光学元件 石墨烯被寄予厚望的应用实例之一是转换效率非常高的新一代太阳能电池。展望其今后的应用领域，首先是透明导电膜领域，其次是中间电极等领域。 不仅仅是代替ITO 对于石墨烯制透明导电膜，触摸面板阵营的期待比较高，不过太阳能电池厂商的期待可能更高。这是因为石墨烯不仅在代替ITO方面的性能或其柔性较高，而且只有石墨烯透明导电膜才能实现对于太阳能电池来说非常重要的特性。 这个特性就是对于包括中远红外线在内的所有红外线的高透明性。尽管红外线占据了相当一部分的太阳辐射能量，但现有的大部分太阳能电池都无法把红外线作为能量源来有效利用。这是因为除了有效的光电转换本身不易实现之外，迄今多用于透明电极的ITO和FTO对红外线的透射率实际上也比较低。 如果只要对于红外线确保透明性就足够了的话，材料的开发并不困难。不过，这种材料大多在原理上会面临导电率大幅降低的问题。 其理由如下：在一般情况下要确保大范围波长领域的透明性，载流子的密度越低越好。不过，由于导电率与载流子迁移率和载流子密度的乘积成比例，因此如果载流子迁移率不是很高，那么较小的载流子密度也就意味着导电率较小。其典型示例就是玻璃这种绝缘体。无论多透明，只要电流不能通过，就没有任何意义。 石墨烯几乎是唯一一种能够避免这种问题的材料。其原因在于石墨烯具有非常高的载流子迁移率。因此，即使载流子密度非常小，也能确保一定的导电率。这种材料是非常罕见的。 超高效太阳能电池的实现近在咫尺 最近有些研究机构正在积极进行光电转换层材料的开发，一些红外线高效转换技术也相继面世（参阅本站报道）。这样一来，如果可以利用对红外线透明度也较高的透明导电膜，那么就可期待实现远远超过现有太阳能电池的转换效率。 目前，在这些开发活动中处于领先地位的厂商之一是富士电机控股株式会社。该公司目前正在新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的“革新性太阳能发电技术研究开发”项目中，积极开发采用石墨烯的太阳能电池用透明导电膜。 不过，富士电机事实上已经放弃了迄今一直在研发的使用氧化石墨烯制作石墨烯片的工艺（参阅本站报道）。同时作为替代方法导入了三星公司等也采用的热CVD法。通过一系列自主改进得到的2层石墨烯片的“导电率将高达ITO的几倍，并且能够确保90的光透射率等，已经达到能够充分满足性能指标的水平”（富士电机）。 有待解决的课题是量产性问题。“我们希望再能降低CVD法的工艺温度。同时需要确立该方法中所使用的铜的再利用工艺。另外，还需要确认与太阳能电池半导体层的相容性等”（富士电机）。 作为电子和空穴两者的传输材料 石墨烯在太阳能电池用途方面被寄予厚望的不仅仅是与太阳有关的透明电极。插入半导体层之间的中间电极方面的应用目前也正在探讨之中。 石墨烯最能发挥威力的领域是有机薄膜太阳能电池领域。首次分离单层石墨烯的英国曼彻斯特大学研究人员康斯坦丁诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）曾在接受日经电子杂志采访时表示“有机薄膜太阳能电池是最接近石墨烯实用化的应用之一”。 在太阳能电池中使用石墨烯作为中间电极的优点是透明且与半导体层的相容性较高。特别是中间电极材料要求同时兼具这两个性质。具体来说，“与（迄今普遍用做中间电极的）TiO2/PDOT相比，石墨烯电极与半导体层的相容性更好”（日本埼玉大学上野启司副教授）。 在这一方面，石墨烯中电子和空穴的载流子迁移率相等这一性质也作出了一定贡献。以前，中间电极一般重叠使用n型和p型两种材料。由于石墨烯既有n型又有p型，因此仅需1层石墨烯就能替代原来的材料。（未完待续，记者：野泽哲生） /s/blog_63fdca2401010q3n.html石墨烯在室温和普通光照下可产生电流：能广泛用于太阳能电池和半导体传感器等领域来源： 科技日报发布时间： 2011-10-12 石墨烯再次给人们带来惊喜。美国麻省理工学院及哈佛大学的研究人员发现，石墨烯可以对光产生不同寻常的反应，在室温和普通光照射下，就可以发生热载流子效应，产生电流。这一发现不仅为石墨烯再添新奇属性，更有希望使其在太阳能电池、夜视系统、天文望远镜及半导体传感器等应用领域发挥作用。该研究发表在近期出版的科学杂志上。研究人员在实验室制造了复杂的石墨烯纳米P-N结，利用850纳米的激光照射石墨烯P-N结介面，并测量激光照射点产生的光电流。结果发现，随着激光强度的增加，特别是在低温的条件下，可取得最大为5 毫安/瓦（mA/W）的光电流，这一数值比以前的石墨光电器件高6倍。热载流子效应并不新奇，但通常情况下，需要在接近绝对零度或在极强的激光照射下才会发生，但石墨烯却表现出在室温和普通光下就可以产生热载流子效应的性能，这让人们对石墨烯未来的应用产生了巨大的想像空间。此前曾发现过石墨烯在光照下产生电流的现象，但研究人员错误地认为是光伏效应。而麻省理工学院的研究人员发现，当光照在石墨烯上时，可以产生两个具有不同电气特性的区域，进而出现温差，产生电流。石墨烯在激光照射加热不一致时，携带电流的电子被加热，而晶格中的碳原子核保持低温。正是由于石墨烯内部的温差，产生了电流。这种不同寻常的机制就称为热载流子效应。（所谓热载流子就是具有高能量的载流子，即其动能高于平均热运动能量。当载流子从外界获得了很大能量时，便可成为热载流子。由于热载流子所造成的一些影响，就称为热载流子效应。）研究人员认为，石墨烯之所以会产生上述现象，是由于大多数材料的过热电子可将能量传递到周围晶格，而石墨烯则需要很高的能量才能振动其晶格的碳原子核，因此只有很少的电子能将热能转移到晶格。研究人员表示，该研究成果是光电及能量采集方面十分重要的进展。由于这种现象十分新颖，还需要进一步深入的研究，才能清楚地了解其重要意义。但可以肯定的是，这种特性将会有非常广泛的应用前景。首先，它有可能在利用太阳能方面产生重大的突破。典型的光伏材料仅对特定频率或颜色的光发生反应，而石墨烯对光发生反应的范围非常宽。研究结果还表明，石墨烯能十分有效地收集太阳能。因此太阳能电池的最大突破有可能会来自于石墨烯。其次，由于石墨烯以不同的方式产生电流，因此可以利用石墨烯来制造超高速光子探测器。石墨烯对红外光的反应更有其独到之处，有望成为夜视系统及高级天文望远镜的重要组成部分。此外，石墨烯也可应用于检测重要的生物分子。毒素、病菌或食品污染物等物质在光照射下，会发出红外光。此前所使用的半导体传感器，通常包含一些十分昂贵的稀有元素，而利用石墨烯生产传感器，成本将会大大降低。石墨烯的发现很晚，有关它的特性人们还不完全清楚，石墨烯还能带给人们什么样的惊喜和奇迹，能否掀起一场石墨烯革命，还要拭目以待。/content/2011-10/12/content_50364.htm石墨烯电极在有机太阳能电池中的应用现在有一种有潜力的方法，即利用有机化合物（即含碳化合物）代替昂贵的高纯度硅板，可以用来制作价廉的，质轻且柔性的太阳能电池。但是这种有机太阳能电池的发展存在棘手的问题。研究者为了寻找合适的导电电极材料付出艰辛的努力。特别是能与有机太阳能电池匹配的柔性的、透明的、低成本的电极材料。目前为止，制作电极材料普通使用铟锡氧化物（即ITO）。但是铟元素价格昂贵，而且较为稀有。所以一直在寻找合适的替代材料。现在，MIT（麻省理工大学）的一个研究团队提出一种实用的方法利用价廉的，常见的碳元素制作合适的替代材料。拟用的材料是石墨烯，碳的一种形式：由碳原子像铁丝网编织一样形成的仅有一个原子厚度的二维平面片状物。有一份关于如何利用石墨烯做太阳能电极的研究报告于12月17日发表在纳米技术杂志上。这是MIT的教授Jing Kong（孔晶）和Vladimir Bulovi在他们的两个学生及一位博士后研究员共同合作完成的论文。石墨烯是透明的，所以由它制作的电极可以适用在透明的有机太阳能电池，而且不会阻挡任何照射光。此外，这种电极是柔性的，与有机太阳能电池一样，所以它能与建筑构成一体化，