用于光伏倍增器件的高纯半导体性单壁碳纳米管阵列的可控生长

The unique structures of single-walled carbon nanotubes (SWNTs) endow them extraordinary properties. As a kind of direct band-gap semiconductors, SWNTs can be used as photovoltaic materials. Their ultra high carrier density and the formation of Ohmic contacts with electrodes bring about the possibility of efficient photovoltage and photocurrent multiplication. Large scale arrays of semiconducting SWNTs with high purity and density are essential for such applications. This application intends to study the controlled growth of semiconducting SWNTs by varying the catalyst composition and structure, pretreatment procedures of catalysts, carbon sources and chemical vapor deposition conditions. Photovoltaic cells and integrated units will be fabricated and the photovoltage and photocurrent multiplication effects will be studied. This research will pave a way for the application of carbon nanomaterials in high efficiency photovoltaic processes.

单壁碳纳米管具有独特的结构和优异的性质，作为直接带隙半导体，具有光电转换性能，其超高载流子密度及与电极材料可形成欧姆接触的特性使得将多个碳管光电器件级联起来实现光电压和光电流高效倍增成为可能。生长于绝缘基底上的高纯度、高密度、大规模超长平行半导体性单壁碳管阵列是实现高效率倍增功能的材料基础。本项目拟通过催化剂组成和结构的设计、催化剂预处理条件、碳源种类、化学气相沉积条件等的控制，研究半导体性单壁碳纳米管的可控生长，发展具有自主知识产权的方法，生长出高质量的半导体性碳管样品，并构筑由多个光电转换单元组成的集成系统，探索光电压和光电流的倍增效应，突破传统材料和现有技术的限制，为光电转换提供新思路和技术支撑。拟申请2-3项专利，发表论文不少于15篇，并培养博士研究生5名左右。

单壁碳纳米管具有独特的结构和优异的性质，作为直接带隙半导体，具有光电转换性能， 其超高载流子密度及与电极材料可形成欧姆接触的特性使得将多个碳管光电器件级联起来 实现光电压和光电流高效倍增成为可能。生长于绝缘基底上的高纯度、高密度、大规模超 长平行半导体性单壁碳管阵列是实现高效率倍增功能的材料基础。本项目拟通过催化剂组 成和结构的设计、催化剂预处理条件、碳源种类、化学气相沉积条件等的控制，研究半导 体性单壁碳纳米管的可控生长，发展具有自主知识产权的方法，生长出高质量的半导体性 碳管样品，探索其电子学和光电子学性能。我们发展了一类钨基金属间化合物催化剂，以期为结构模板实现了单壁碳纳米管的手性可控生长。该工作被美国化学会C&EN评为2014年度国际化学研究Top10。利用此方法，实现了半导体性管纯度99.8%，单一手性（14,4）半导体管98.6%的碳纳米管样品的制备