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石墨烯制備新型高效太陽能電池


來源:《麻省理工科技創業》

標簽石墨烯
極高的電子遷移率使石墨烯具有理想的條件,電子穿過石墨烯時,大約有100倍的遷移率,這是對比硅而言,石墨烯還具有卓越的強度,而且事實上,它幾乎是透明的(2.3%的光可被吸收;97.7%的光可被傳輸),這些都使它成為理想的候選材料,可用于光伏領域,超薄透明石墨烯膜就可替代金屬氧化物電極。因此,它可能是一種很前途的替代材料,可替代銦錫氧化物(ITO:indium tin oxide),銦錫氧化物是目前標準的透明電極材料,石墨烯用作電極,可用于液晶顯示器,太陽能電池,iPad和智能手機使用的觸摸屏,以及有機發光二極管( OLED)顯示器,這種顯示器用于電視和計算機。

    但是,最近的研究表明,摻雜是必要的,為的是利用石墨烯的全部潛力。這一挑戰對于研究人員而言,就是要找到適當的制造技術,制備高質量石墨烯片,使它具有高度的電荷遷移率(charge mobilities)。

    德國和西班牙的一個研究小組最近發表了一篇論文,發表在《應用化學國際版》(Angewandte Chemie International Edition),題為《實現可調石墨烯/酞菁- PPV混合動力系統》(Towards Tunable Graphene/Phthalocyanine–PPV Hybrid Systems),他們提出了一種化學方法,制成非共價(non-covalently)功能性石墨烯,這種材料產生于可大量獲得的低價天然石墨。

    “到目前為止,功能性分子要根據光活性基團(photo-active groups)引入,這需要與石墨烯氧化物相互作用,因此,就不得不忍受苛刻的還原條件(reduction conditions),獲得非共價功能化石墨烯氧化物,”珍妮•馬里格說(Jenny Malig),他是論文的第一作者。“我們方法的優勢是直接剝離石墨烯,這要采用超聲處理和伴隨的非共價功能化,依靠的是感光分光表征(photospectroscopical characterization)溶液。”

    馬里格是德克•古爾蒂(Dirk Guldi)小組的博士生,在紐倫堡(Nürnberg)埃爾蘭根(Erlangen)弗里德里希亞歷山大大學(Friedrich-Alexander-Universitat),一起工作的有她的同事,還有合作者來自馬德里自治大學(Universidad Autónoma de Madrid)IMDEA 納米科學部(IMDEA – Nanociencia)。

    她指出,非共價剝落石墨烯,采用的媒介是表面活性劑(surfactants),這是經過充分驗證的,在原理上,這種概念是來自碳納米管化學。

    “此外,π類表面活性劑(π-surfactants)就像雙親性花(amphiphilic perylene)或苝染料(pyrene dyes)一樣,都已經用于穩定石墨烯薄片,這是在適當的溶劑中進行,”她說。“受這些成果鼓舞,我們轉向更復雜的分子,比如酞菁齊聚物(phthalocyanine oligomers),這在以前從未用于溶解過程。”

    對于這項工作,有知識傳授了已完成的研究,所在化學領域就是碳納米管化學,是古爾蒂的小組做的(他們寫過文章《調整和優化內在互動的酞菁基PPV低聚物和單壁碳納米管實現n-型/p-型》),這是關鍵性的,可以制備非共價功能化石墨烯薄片,這是一種納米復合材料。

    然而,研究新的電子供受體復合物(electron donor-acceptor hybrids)就涉及到石墨烯,這更具有挑戰性,遠遠超過剝離碳納米管,這都是在同樣的情況下進行。原因在于,從適用太陽能電池而言,主要挑戰是光物理特性方面的納米復合材料。

    “對比非共價功能化碳納米管,石墨烯被認為是一種零隙(zero-gap)半導體,沒有表現出顯著的光學躍遷(optical transition),在可見光范圍就是這樣,這就限制了表征技術(characterization techniques),”馬里格說。

    該小組繞過這個問題,選擇一個旁觀分子(spectator molecule),以協助查明和表現電子供受體的相互作用。

    “有趣的是,我們能夠量化和證明所形成的自由基陽離子(radical cation)種類,就是這種‘旁觀分子’,它第一次清楚地表明,電子轉移是從激發的染料轉移到石墨烯片,”馬里格說。 “最后,后者就形成一種方便的工具,可用于測試廣泛的庫存染料。它表明,石墨烯有可能作為電子受體(electron acceptor)。”

    在一般情況下,這種新穎的單因子混合物(monohybrids)材料是新的電子材料,尤其可用于印刷電子技術。非共價功能化石墨烯產生了成本上有效的新材料,可能表現出新的變異屬性,不同于非功能化石墨烯。此外,功能基團(functional groups)可調整石墨/石墨烯的剝離和溶解度。

    “在有些設備中,石墨烯電子結構的調整是采用化學功能化,這是一種適當的方式,這些設備是可以設計的,所有的裝配完全采用石墨烯,”馬里格說。
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