毕业设计报告石墨烯的制备及其在太阳能电池中的应用.doc

毕业设计报告（论文） (2014届) 题 目： 石墨烯的制备及其在太阳能电池中 的应用 所 属 系： 材料工程技术系 班 级： 光伏材料1121 学 生 姓 名： 翟勇 学 号： 2011104239 同 组 成 员： 指 导 教 师： 唐惠东 摘 要 石墨烯是通过SP2杂化形成平面六元苯环结构，只有一个碳原子厚度。独特的结构使石墨烯具有着独一无二的性质，有着比金刚石和碳纳米管更高的导热性，室温下电子迁移率达到光速的1/300，电阻率比铜和银更低，有着超高的力学性能，而且几乎透明，只吸收2.3%的光。凭借着优异的性能，可望在高性能电子器件、复合材料、气体传感器及能量存储等领域获得广泛应用。石墨烯作为形成纳米尺寸晶体管和电路的“后硅时代”的新潜力材料。石墨烯或将成为可实现高速晶体管、激光器、触摸面板、蓄电池及高效太阳能电池等多种新一代器件的核心材料。具有非常重要的研究意义和广阔应用前景 本文首先介绍了石墨烯的结构性能，然后阐述了当前制备工艺：微机械剥离法、SiC外延法、CVD法和氧化石墨还原的制备原理及优缺点。最后介绍了石墨烯在太阳能电池中的应用，引出石墨烯未来发展趋势。 关键词： 石墨烯 制备工艺 光伏应用 目 录 摘 要 I 第一章 石墨烯的国内外研究现状 1 1.1 石墨烯的概述 1 1.2 石墨烯的性质 1 1.3 石墨烯国内外研究现状 3 第二章 石墨烯的制备工艺 8 2.1 微机械剥离法 8 2.2 气相沉积法 9 2.3 SiC外延生长法 11 2.4 氧化石墨还原法 14 第三章 石墨烯在光伏中的应用 16 3.1 石墨烯在导电玻璃中的应用 16 3.2 石墨烯在光伏阳极中的应用 17 第四章 石墨烯的前景展望 19 参考文献 20 致 谢 23 第一章 石墨烯的国内外研究现状 1.1 石墨烯的概述 石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的。是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。 由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。1 左是单层石墨烯的自由变形示意图、（a）扶手椅型边缘结构；（b）锯齿型边缘结构[1] 碳元素存在着众多的同素异形体，与人们生活息息相关的金刚石、石墨，前些年发现的富勒烯、碳纳米管、到最近发现的石墨烯。碳材料形成了一个完整的体系，零维材料富勒烯、一维材料碳纳米管、二维材料石墨烯、三维材料石墨和金刚石，如图2所示。通过物理或化学的方法可以得到单层的石墨烯结构，完美的单层结构是由六元环组成的，但现实中石墨烯并不是完美，其中存在五元环和七元环结构即存在缺陷。少量的五元环会使石墨烯翘起，当具有12个五元环结构时，就有可能形成零维富勒烯材料。富勒烯具有12个五元环和20 个六元环，其直径为0.72nm，整个富勒烯看起来像是一个足球。而碳纳米管可以看作是石墨烯卷成无缝筒状结构，单壁碳纳米管可以视为由单层石墨烯卷曲而成，多壁视为多层石墨卷曲而成。多壁碳纳米管之间距离为0.34nm，但也不完全相同。 图2 石墨烯同其他同位素异形体之间的转换关系[2] 石墨烯是典型的零带隙的半导体，通过 sp2杂化形成平面六元环结构，π电子在同一平面上形成离域大π 键。这种独特的结构使石墨烯具有独一无二的性质，作为世界上最薄的纳米材料，石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3% 的光，导热系数达到 5300W/m·K，比金刚石和碳纳米管更高，室温下电子迁移率达到光速的1/300，电阻率只有 10-6Ω·cm，比铜和银电阻率更低，是世界上电阻率最小的材料，却有超高的力学性能，达到1060GPa，被证明为当代最牢固的材料，比最好的钢都要坚硬100倍。 表1 石墨烯与其他材料性质比较 材料 热导率(W/cmK) 电子迁移率(cm2/Vs) 饱和电子漂移速度(×107cm/s) Si 1.5 1200 1.0 InP 0.68 4600 2.5 SiC 4.9 600 2.0 GaN 1.5