石墨烯在太阳能电池中的应用

1、石墨烯在太阳能电池用的应用 李聪聪石墨烯性能石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料。1.它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；2导热系数高达5300W/mK，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm2/Vs，又比纳米碳管或硅晶体高，3电阻率只约1 m，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。石墨烯应用于太阳能电池1石墨烯应用于太阳能电池透光电极材料2石墨烯应用于太阳能电池受体材料1.1.石墨烯应用于太阳能电池透光电极材料目前应用于透光电极的材料为金属氧化物, 如氧化铟锡(indium tin oxide, ITO)、氧化氟锡(fluorine tin oxide, FTO)

2、, 俗称导电玻璃. 虽然导电玻璃广泛应用于太阳能电池领域, 但导电玻璃有一些缺点, 如ITO里的金属离子容易自发扩散, 导电玻璃对红外光谱有较强的吸收性以及导电玻璃较差的热稳定性. 另外, 导电玻璃在作为太阳能电池对电极的时候, 需在其表面镀一层铂, 来增强其导电性, 这大大增加了制备成本.1.1.石墨烯应用于太阳能电池透光电极材料石墨烯作为一种超薄、透光性良好且电性能优异的导体材料, 成为金属氧化物电极比较好的替代材料. 目前已有关于石墨烯作为透光导电极替代物的研究, 用于替代DSSC光阳极的透光ITO/FTO, 对电极镀铂ITO/FTO, 以及有机聚合物太阳能电池透光电极ITO/FTO等.

3、1.1.石墨烯应用于太阳能电池透光电极材料以DSSC为例说明石墨烯作为透光电极的应用情况. 石墨烯在DSSC透光电极材料的应用主要包括以下几个方面: 1) DSSC光阳极, 即使用表面制备有石墨烯薄膜的亲水性石英玻璃代替传统的ITO/FTO; 2) DSSC对电极, 因为石墨烯具有优异的电流传导能力, 所以石墨烯被作为铂金的替代材料涂敷于ITO/FTO表面, 以求达到进一步降低DSSC的制备成本的目的; 3) DSSC光阳极工作电极.2 2. .石墨烯应用于太阳能电池受体材料石墨烯作为太阳能电池受体材料, 主要应用于OPSC中. OPSC是一种混合异质结电池, 光照射OPSC中的电子给体材料产

4、生激子, 即电子空穴对, 激子会在给体与受体的交界面分离, 从而使电子和空穴分别传导到两个电极上形成电流. 电子给体材料的作用是产生电子空穴对, 目前一般采用共轭聚合物聚3-己基噻吩或聚3-辛基噻吩. 2 2. .石墨烯应用于太阳能电池受体材料电子受体材料主要是用于电子分离和传输. 作为OPSC的受体材料必须具备以下性质: (1)受体材料的功函数要在给体材料的最高占据分子轨道(highest occupied molecular orbital, HOMO)和最低未占分子轨道(lowest unoccupied molecular orbital, LUMO)之间, 以实现电子在不同分子间的传

5、播; (2)受体材料应具有良好的传导电子能力, 并且有较好的材料稳定性. 受体材料目前主要是富勒烯的派生物6,6-苯基C61丁酸甲酯(6,6-phenyl C61 butyrate, PCBM), 但是PCBM作为受体材料的效果不尽如人意. 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结构的限制, 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, 可以替代有机聚合物电池中PCBM作为受体材料. 2 2. .石墨烯应用于太阳能电池受体材料石墨烯应用于OPSC的工作原理. 光入射到给体材料上, 给体材料P3HT/P3OT受光激发产生电子空穴对, 即产生激子. 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LUMO能级, 空穴保留在给体材料的HOMO能级上, 从而实现电子和空穴对分离. 电子在石墨烯受体材料中迁移, 最终传导到Al负极