《毕业设计报告石墨烯的制备及其在太阳能电池中的应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计报告石墨烯的制备及其在太阳能电池中的应用（27页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 2014届毕业设计（论文） 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
2、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II目 录摘 要I第一章 石墨烯的国内外研究现状11.1 石墨烯的概述11.2 石墨烯的性质11.3 石墨烯国内外研究现状3第二章 石墨烯的制备工艺82.1
3、微机械剥离法82.2 气相沉积法92.3 SiC外延生长法112.4 氧化石墨还原法14第三章 石墨烯在光伏中的应用163.1 石墨烯在导电玻璃中的应用163.2 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 2014届毕业设计（论文）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材料。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。石墨烯结构非常稳定，迄
4、今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。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。石墨烯具有独特的力学、热学、光学、和电学性能，有望在纳米复合材料、场发射材料、传感及储能等领域获得广泛应用。1.2 石墨烯的性质石墨烯是由碳原子构成的二维新材料，碳原子采用 sp2杂化形成了具有蜂巢状的二维晶格结构
5、，这种结构非常稳定，碳-碳键键长只有1.42埃，单层石墨烯只有0.335nm 是一种近乎完美的二维晶体结构，石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。石墨烯内部原子的链接很柔韧，当对石墨施加外力作用时，二维平面就会自由变形，碳原子重排形成波浪型，从而保持结构的稳定性。石墨烯具有不同边界，可分为扶手椅型（Armchair）和锯齿型（Zigzag）纳米带，不同的边界对石墨烯的性能有不同的影响。如图1所示。二者都具有半导体性质，但他们的带隙产生的原因不同。实验表明，不同宽度、不同晶格取向的石墨烯纳米带都具有半导体的性质。其在电子器件中的应用也有很大差异。图1 左是单层石墨烯的自由变形示意图、（a）扶手椅
6、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
7、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，电子在同一平面上形成离域大 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/mK，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 10-6cm，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1060GP
8、a，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)Si1.512001.0InP0.6846002.5SiC4.96002.0GaN1.515002.7Graphene50200000101.3 石墨烯国内外研究现状2004年英国曼彻斯特大学的安德烈K海姆课题组首次找到一种把石墨层粘贴在透明胶上，然后反复数次把石墨与胶带分开，最后得到石墨烯（石墨单层）的方法，并制作出了世界最小晶体管，由此获得了2010年诺贝尔物理学奖。由于石墨烯严格的二维结构，它蕴涵着许多新的物理以及潜在
9、应用，因此它成为目前科学研究的热点之一。自2004年Andre.K.Geim教授和Kostya.Novoselov研究员3首次制备出石墨烯以来，石墨烯受到全世界科学家的广泛关注，下图表示出了近几年石墨烯的文章SCI收录情况，以每年翻番的速度增长。图3 近几年石墨烯的文章SCI收录情况4早在1999年，Lu5等就用氧等离子刻蚀，在以SiO2为基底的高定向热裂解石墨上刻蚀出了厚度约为200nm的石墨层。Liu6等首次报道了用水合联氨还原聚苯胺插层氧化石墨化合物，还原后化合物的导电性增加了1个数量级。2005年Srivastava7等采用微波增强化学气相沉积法，在Ni包裹的Si衬底上生长出了20nm
10、左右厚度的“花瓣状”的石墨片，并研究了微波功率大小对石墨片形貌的影响。2006年Niyogi等7研究了用十八胺对氧化石墨表面进行改性，制得长链烷基改性石墨。Li等8在Stankovich等研究的基础上，利用还原氧化石墨的方法在没有任何化学稳定剂的情况下，通过控制石墨层间的静电力，制备出了在水中稳定分散的石墨烯溶液。2007年， Zhu等9通过调整合成碳纳米管的参数，在没有催化剂的情况下用电感耦合频射等离子体化学气相沉积法在多种衬底上生长出了纳米石墨微片。这种纳米薄膜垂直生长在衬底上，类似于Srivastava等的“花瓣状”纳米片。2006年，Heer等10首次将SiC置于高真空，1300下，使
11、SiC薄膜中的Si原子蒸发出来，生成连续的二维石墨烯薄膜。这种方法制备出来的二维石墨烯薄膜厚度仅为1-2碳原子层。2008年，Konstantin V. Emtsev等人在Ar气保护氛围下将SiC进行高温退火，相对Heer等真空退火的方法，制得的石墨烯薄膜的均匀性及质量都大大改善。许多发达国家都对石墨烯的研究投入了大量的人力和财力。美国近年来对石墨烯的经费投入非常巨大，大大推动了他们在该方面的科学进展。在匹兹堡举行的美国物理学会年会上，石墨烯是科学家们谈论的主要话题。研究人员用场讨论分会探讨有关这种材料的问题。韩国科学家11在制备大尺寸、高质量的石墨烯薄膜方面取得了突破性进展。根据Nature
12、报道，韩国研究人员近日发现了一种制备大尺寸石墨烯薄膜的方法。这种石墨烯薄膜不仅具备高硬度和高拉伸强度，其电学特性也是现有材料中最好的，这些单原子层厚的碳薄片是非常有前途的材料。可惜这种材料是在金属衬底上制备的，不适合做微波高频器件。2011年，美国宾夕法尼亚大学10研制出100mm直径的石墨烯晶片。2011年初，美国普渡大学9研制出SiC上石墨烯材料的迁移率为18700cm2V-1s-1。2008年3月，IBM沃森研究中心的科学家12在世界上率先制成了基于SiC衬底的低噪声石墨烯晶体管。普通的纳米器件随着尺寸的减小，被称做1/f的噪音会越来越明显，使器件信噪比恶化。这种现象就是“豪格规则(Ho
13、oges law)，石墨烯、碳纳米管以及硅材料都会产生该现象。因此，如何减小1/f噪声成为实现纳米元件的关键问题之一。IBM通过重叠两层石墨烯，试制成功了晶体管。由于两层石墨烯之间生成了强电子结合，从而控制了1/f噪音，如图4所示。图4 IBM采用双层石墨烯结构降低器件噪声122008年6月底，日本东北大学电通信所末光真希教授13将SiC在真空条件下加热至1000多度，除去硅而余下碳，通过自组形式形成单层石墨烯。末光教授的团队通过控制SiC形成时的结晶方向和Si衬底切割的结晶方向，得到了100150平方微米面积的两层石墨膜，其晶格畸变率仅为1.7%。其他科研团队利用传统方法的晶格畸变率为20%
14、，因而不能制成可实际应用的器件。2009年5月，HRL实验室宣称在高质量2英寸石墨烯薄膜及其射频场效应晶体管方面取得了突破。HRL资深科学家Jeong-Sun Moon12表示，该器件拥有全球最高的场迁移率，约6000cm2/Vs，是现阶段最先进硅基n-MOSFET的6-8倍。他们使用Aixtron的VP508 CVD反应设备，通过从6H-SiC晶体中升华硅的方法，成功制成了石墨烯薄膜。之后使用标准的光刻胶工艺和氧反应离子刻蚀技术制备了晶体管。源极和漏极接触是钛、铂和金的合金，使用原子层沉积技术制备20nm厚的氧化铝栅电介质，事实上这样做捕获了界面电荷，可能会导致器件性能下降。2009年，意大利的科研人员成功地用石墨烯制造了首枚包含两个晶体管的集成电路，它拥有简单的计算能力，标制着碳基电子学时代的到来。这枚只有两个晶体管的集成电路虽然很小，却是向制造碳基高性能电子器件迈出的重要一步。在2010年2月出版的Science杂志上，IBM的研究人员12展示了一种由SiC单晶衬底上生长石墨烯材料制作而成的场效应晶体管（FET），其截止频率可达100
