新型碳纳米材料高效太阳电池

New carbon nanomaterials (e.g., carbon nanotubes (CNTs) and graphene), have been widely used in high efficiency, low cost solar cells. This proposal is to focus on dispersing graphene homogeneously in net-like CNTs films to fabricate a CNT/graphene composite with excellent optoelectronic properties. Heterojunction solar cells will subsequently be fabricated combining this composite film with silicon. In order to satisfy the material requirements of high performance solar cells, chemical treatments are to be hereby carried out to improve basic properties, such as transmittance and conductivity, and also control main parameters, such as conductive types of composite film, carrier concentration, and work function. Based on this, critical factors of the solar cell model, including energy band, charge transport mechanism, and interface status are to be systematically studied, in order to realize 15% power conversion efficiency, paving the way to practical application of CNT/graphene composite film into energy area.

以碳纳米管和石墨烯为代表的新型碳纳米材料已被广泛应用于高效、低成本的太阳电池的研究。本项目拟将石墨烯均匀地填充在网状碳纳米管薄膜孔隙中，从而获得具有优异光电性能的复合薄膜，并将此复合薄膜与硅构成异质结太阳电池。根据高效太阳电池对材料的要求，通过化学处理，进一步改善复合薄膜的透光性、导电性等基本性能，并实现复合薄膜导电类型、载流子浓度以及功函数等重要参数的调控。在此基础上，就此太阳电池模型的能带结构、电荷传输方式、界面状态等关键因素进行系统研究，实现15%的光电转换效率，为碳纳米管/石墨烯复合薄膜在能源领域的实际应用奠定基础。

开发基于新材料的太阳能电池是解决当今能源危机和环境问题的有效途径。本项目将碳纳米管、石墨烯与硅构成异质结太阳电池，旨在开发出光电转换效率高、成本低的新型太阳能电池。本项目系统研究了原位碳纳米管/石墨烯复合薄膜的合成工艺，开发了电热法直接制取石墨烯条带的方法，研究了碳纳米管（石墨烯）-硅异质结太阳电池性能在化学掺杂、气体吸附条件下的变化规律。基于对此异质结模型认识的深入，利用碳纳米管-硅异质结对红外波长的响应特性，开发了非接触热源传感器；利用碳纳米材料具有大的比表面积、易被掺杂的特性，开发了自供电的碳纳米管-硅纳米线异质结的气体传感器。. 项目首先采用化学气相沉积法，通过精确控制碳纳米管碳源和氧化石墨烯的进给比例，将石墨烯均匀地填充在网状碳纳米管薄膜孔隙中，从而获得具有优异性能的复合薄膜；采用化学气相沉积法制备石墨烯薄膜，其方阻为883 Ω/sq，通过硝酸熏蒸6 min后，其方阻降低至196 Ω/sq，约为制备态方阻的1/4；将石墨烯与硅构成异质结太阳电池，并通过硝酸进行化学处理，电池的转换效率最高可达10.2%。将硅片表面通过金属辅助化学法刻蚀出硅纳米线阵列，与碳纳米管构成异质结电池，碳纳米管和硅纳米线阵列的孔洞有利于气体的吸附，在1000 ppm的二氧化氮处理下，电池的光电转换效率达8.4%。进一步开发了基于此结构的气体传感器，在0 ppm、10 ppm、100 ppm和1000 ppm的二氧化氮气氛和LED光源的照射下，电池的开路电压分别为0.24 V、0.35 V、0.39 V和0.44 V，此结构的气体传感器具有自供电、常温工作、响应速率快的优势。此外，结合碳纳米管柔性、透明、导电的特点，项目进一步开发了以碳纳米管为柔性电极材料的钙钛矿纤维太阳能电池，在标准光源下，电池的光电转化效率为1.92%，为进一步开发可穿戴柔性太阳能电池器件奠定了基础。