连续制备大面积优质碳纳米管薄膜及其异质结太阳能电池的应用研究

批量制备高质量的碳纳米管是其规模应用的基础。本项目拟改进碳纳米管的制备工艺，以实现可控、连续地制备大面积、优质、多功能的碳纳米管薄膜。研究对碳纳米管的直径、层数、结晶程度以及碳纳米管薄膜的厚度、透光率等参数进行控制。并研究碳纳米管连续、快速生长机制。项目还研究碳纳米管薄膜与硅构成的异质结太阳能电池。拟通过调节碳纳米管的结构、质量以及改善异质结界面等参数来提高太阳能电池的性能，将碳纳米管硅异质结太阳能电池的转换效率提高至15%以上；并揭示碳纳米管/硅异质结太阳能电池的光电转换机制等物理问题，为碳纳米管在可再生清洁能源领域的实际应用奠定基础。

根据实际应用的性能需求，批量制取特定形态、结构和性能的碳纳米管（CNTs），是其工业化应用的关键。本项目针对大面积、高效率碳纳米管/硅（CNT/Si）异质结太阳能电池的实际需求，研究了大面积、连续、优质碳纳米管薄膜的快速生长工艺，旨在促进碳纳米管的实际应用。.本课题系统研究了大面积碳纳米管薄膜的连续制取工艺，设计了一套可实现大面积、优质碳纳米管薄膜连续生长的卧式浮动化学气相沉积设备，实现了优质碳纳米管薄膜稳定、连续、快速生长，生长速率可达500~800 米/小时。分别研究了反应温度、氢气流量、氦气流量、水的进给量等参数对碳纳米管的结构、纯度、连续性的影响规律，由此实现了优质单壁、双壁碳纳米管薄膜的有选择性生长。研究发现温度对碳纳米管直径影响最大；氢气和氦气则主要影响碳纳米管的导电类型。优化了CNT/Si异质结界面，通过硝酸、双氧水掺杂，可以稳定制作出转换效率大于10%的CNT/Si太阳能电池。通过调控碳纳米管表面的氧气和水的吸附，可使CNT/Si异质结电池的性能保持稳定30天以上。通过在CNT/Si异质结表面旋涂TiO2减反层，可制备出转换效率达15%的CNT/Si太阳能电池。利用碳纳米管条带作为栅线电极，制作出了面积达200mm2、转换效率达10%以上的CNT/Si太阳能电池。利用化学腐蚀工艺，制作出了厚度可控的单晶硅薄膜，由此制作出了可弯折的CNT/Si太阳能电池。.另外，本课题还利用优质碳纳米管薄膜制作出了电导率达1.6×106 S/m的碳纳米管导线纤维。通过调控薄膜中的金属型碳纳米管比例，将碳纳米管宏观薄膜的电导率提升至1.2×107 S/m量级，促进了优质碳纳米管作为优质导线的应用。本课题还开发碳纳米管薄膜在超级电容器领域中的潜在应用。通过负载聚苯胺和聚吡咯，开发出比电容达430 F/g的柔性超级电容器。.基于上述研究成果，发表了18篇高水平学术论文，申请了4项国家发明专利。项目先后有2名教师，3名博士生，7名硕士生，1名合同制工作人员承担了主要研究工作，已经培养出了2名博士、6名硕士。