新生研讨课研究报告..doc

中国科学技术大学
“科学与社会”新生研讨课研究报告
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
2015年5月31日
一、研究小组成员及其承担的主要工作
学号
姓名
所在学院
在研究和报告撰写中承担的主要工作
PB14000725
黄汝博
少年班学院
组织讨论及撰写研究报告
PB14206087
吴晨岩
少年班学院
收集整理了石墨烯性质、制备方法、石墨烯作为透明电极的具体应用等有关资料,完成了石墨烯用于透明电极的理论分析,撰写研究报告,并且是答辩的主讲人。
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
QQ
二、进度安排
2014年12月确定研究题目
2015年1月确定小组成员分工
2015年4月汇总调研成果并开展讨论
2015年5月3日中期报告
2015年5月中旬对中期报告中暴露的问题进行调整和补充
2015年5月31日答辩
三、摘要、关键词
随着化石能源日渐枯竭,新能源的开发利用开始展现广阔的前景。石墨烯是由一层碳原子构成的二维碳纳米材料,它具有很多优良的物理和化学性质,很有希望应用于新一代的太阳能电池。本次课题中我们尝试将石墨烯应用于有机光伏电池以提高其发电效率。我们依次简单介绍了石墨烯的性质以及制备方法,具体分析了石墨烯作为太阳能电池透明电极的可行性,探讨了石墨烯作为有机光伏电池受体材料的应用。最后我们充分肯定了石墨烯应用于有机光伏电池的重大意义,并得出结论:石墨烯将随着有机光伏电池的推广而在这一领域发挥更大作用。
关键词:石墨烯有机光伏电池透明电极电子受体材料
四、研究报告
一背景和目标
随着全球对能源需求的日益增加,石油、煤炭、天然气等传统能源日益枯竭,×1024J左右,相当于目前世界上所有可用能源的几万倍。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。无机太阳能电池能量转化效率可以轻松突破15%,但是由于硅材料具有较高成本,使其发展大受限制。而对于聚合物光伏器件,由于其具有较低的材料和制作成本、良好的机械性能和柔韧性、化学结构的可操作性使其变得非常有潜力。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

2004年,Geim研究小组[1]采用胶带剥离法首次制备出稳定的石墨烯,,单原子层石墨烯材料理论[2]高达200000 cm ²/(V·s)的半导体本征迁移率, TPa,热传导率约为5000 W/(m·k),%,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,、两层或多层(小于10层)材料,其结构如图1所示

从早期的微机械剥离法,到现在己经工业化的化学气相沉淀法(CVD),石墨烯的制备方法[3-7]很多,主要有以下几种:

此制备方法是较为常见的一种,国外许多科学家己经对这方面做了大量的研究。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。氧化的办法一般有3种:Standenmaier法、Brodie法、Hummer法。大量官能团的存在使得氧化石墨很容易与一些化学物质发生反应,产生改性石墨,这种有机改性可以让氧化石墨表面从亲水性变成了亲油性,表面能降低,从而提高与聚合物之间的相容性,增强粘结性。同时石墨氧化后,其间距变大,-。因此这种改性石墨经过适当的超声波震荡处理很容易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。最后将氧化石墨烯萃取并还原,即可以的得到石墨烯。
此种办法弊端在于完全氧化的石墨并不能还原彻底,导致一些物理和化学性能损失,尤其在导电性方面。但是由于操作简单,成本较低,因此可以工业应用,市场前景非常广阔。

这是发现石墨烯的最早的办法。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