氧化石墨烯与ZnO的制备及在太阳能电池中的应用研究
发布时间：2022-02-12 14:55
随着时代的不断地发展与进步,石墨烯（Graphene）及其太阳能电池逐步走进人们的视野。其中染料敏化太阳能电池（Dye-sensitized Solar Cells,DSSCs）、钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells,PSCs）具有较为丰富的原料、制备步骤简易安全以及光电转换能力出色等突出特点,在科技领域掀起了一阵研究热潮。目前DSSCs与PSCs的光电转换效率仍存在很大的提升空间,而电池的制备是直接决定DSSCs与PSCs电池性能高低的主要因素之一,因此可将石墨烯及其衍生物用于DSSCs与PSCs电池制备中,这可在一定程度上提升其电池性能。基于上述分析,本论文采用改进Hummers法制得的氧化石墨烯（Graphene Oxide,GO）和Zn O半导体材料作为制备太阳能电池光阳极部分的原料,通过不同的实验方案处理对DSSCs与PSCs光阳极部分进行修饰与改善,从而达到提升电池光电性能的目的,并分别采用XRD、SEM、TEM、BET、AFM及多种电池光电性能测试系统等检测手段进行研究分析。主要研究内容与结果如下:（1）以改变氧化温度排列顺序的改进Hummers...
【文章来源】：景德镇陶瓷大学江西省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)石墨烯的电子能级(b)碳原子结构(c)sp2杂化的形成示意图
4景德镇陶瓷大学硕士学位论文2文献综述2.1.2石墨烯的性质石墨烯由于其所特有的二维晶格组成使其拥有多种出色性能。其内部晶格简易示意图如图2-2(a)所示，最小晶格呈正六边蜂窝结构，其中相互靠近的最小单元之间的碳原子间存在部分π键和σ键。其中π键是由与平面结构相互垂直的2pz轨道进行杂化而成，其主要起到将石墨烯片层之间进行部分拉开的作用；σ键则是由sp2轨道进行杂化而成的，其原子间长度约1.42，其键能高于金刚石晶体结构中的以sp3杂化形成的C-C键，这使得石墨烯能够拥有更为出色的力学性能表现[13][14]，其强度比目前最好的钢铁高100倍。又由于π键处于半充满状态，这使得其周围的电子束缚性降低，从而让石墨烯中的电子活性变大使其拥有更为突出的电学性能表现。Walace在1947年通过理论计算的方法得出了石墨烯的理论能带结构示意图(图2-2(b))，这表明石墨烯在电子传输过程中其能量表面基本呈锥形，从而使得其拥有较为快速的电子迁移速率(15000cm2/Vs)[15]以及更为突出的导电效率(106S/m)[16]。此外，其石墨烯还拥有较高的比表面积[17](高达2.6×103m2/g)以及更高透光率[18]等优异特性。图2-2(a)单位晶胞中两个碳原子（A和B）的石墨烯晶格结构示意图(b)石墨烯的理论能带结构示意图Fig.2-2Schematicchartof(a)thelatticestructureofgraphenewithtwoatoms(AandB)perunitcell;(b)thetheoreticalenergybandstructureofgraphene2.2氧化石墨烯的基本结构和性质2.2.1氧化石墨烯的基本结构氧化石墨烯(GO)[19]首次出现的时间是在1859年，其发现和研究历史均要比单层石墨烯提前150多年，但由于当时的实验条件和实验认知等方面的限制，对其组成结构模型没有明确的概念，并没有引起太大关注。近年来随着GO所表现出的优异性能被逐步
5景德镇陶瓷大学硕士学位论文2文献综述Nakajima-Matauo[23]等经典结构模型到目前最著名的Left-Klinowski等模型，这使得科研界对GO的化学组成结构达到一个新的理解高度。早期的四个模型均依靠于元素组成、化学反应以及X射线衍射分析所推理出来的（如图2-3所示）。在1939年，Hofmann[20]等率先提出了GO的第一个结构模型，认为是在碳原子基面上存在sp2杂化重复单元的环氧基团。7年后，Ruess[21]等提出了在碳原子基面上存在sp3杂化重复单元的1-3环氧基团和羟基的规则结构模型。之后Scholz和Boehm[22]等提出了一个在碳原子基面上除去了环氧基，仅存有羟基和酮基官能团的结构模型。在1994年，Nakajima和Matauo[23]等人所提出的结构模型是在与聚二氟化碳晶体结构相似的假设之上，形成了一种石墨插层化合物，同时他们还比较了三种常见的氧化反应并形成它的初步反应机理，为后续研究GO的化学性质做出巨大贡献。图2-3GO的的经典结构模型Fig.2-3TheclassicalstructuremodelofGO随着表征技术的不断更新与发展，在1996年Lerf和Klinowski[24]等制备了GO及其衍生物并进行区域性研究，提出了Left-Klinowski模型（如图2-4），这也是初次使用固态核磁共振光谱(NMR)表征材料。经过测试他们认为GO的晶体结构主要可分为两块，其一是由未被氧化的碳原子经过sp2杂化行为后所形成的晶格区域，其二则是碳原子边缘处进行sp3杂化行为后而形成的官能基团区。在2010年，Gomez-Navarro[25]和Erick-son[26]等通过高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)分析观察到GO的结构，证实了Left-Klinowski的GO结构模型。
【参考文献】：
期刊论文
[1]氮化碳复合石墨烯提高光生载流子利用率增强光催化性能[J]. 张鹏,张新欣,冯可心,王宇,董晓丽. 大连工业大学学报. 2019(02)
[2]氧化石墨烯的制备方法及表征检测[J]. 马建丽,田佳瑜,赵宇光. 中国战略新兴产业. 2018(24)
[3]使用石墨烯导热层的三维集成电路的散热方法研究[J]. 班涛,潘中良,陈翎. 电子技术与软件工程. 2018(05)
[4]液相剥离法制备石墨烯的新进展[J]. 祁帅,黄国强. 材料导报. 2017(17)
[5]ZnO/GO纳米材料基热稳定钙钛矿太阳能电池（英文）[J]. 姜文龙,周伟,应纪飞,杨铁莹,高延敏. 无机材料学报. 2017(01)
[6]红外光谱法氧化石墨烯羧基官能团含量的测定[J]. 龚水水,光善仪,柯福佑,徐洪耀. 中国测试. 2016(04)
[7]不同煅烧温度对溶胶-凝胶合成的纳米ZnO光催化效果的影响[J]. 徐小楠,张秋平,张琴,袁欢,鹿轶红,周攀钒,徐明. 材料导报. 2016(02)
[8]钙钛矿太阳能电池中电子传输材料的研究进展[J]. 丁雄傑,倪露,马圣博,马英壮,肖立新,陈志坚. 物理学报. 2015(03)
[9]钙钛矿太阳能电池:光伏领域的新希望[J]. 魏静,赵清,李恒,施成龙,田建军,曹国忠,俞大鹏. 中国科学:技术科学. 2014(08)
[10]还原温度对氧化石墨官能团、结构及湿敏性能的影响[J]. 陈军刚,彭同江,孙红娟,刘波,赵二正. 无机化学学报. 2014(04)
博士论文
[1]纳米半导体材料对新型薄膜太阳能电池性能影响的研究[D]. 郭薇.大连理工大学 2013
硕士论文
[1]石墨烯、C60对电极在染料敏化太阳能电池中的研究[D]. 胡熠.西南大学 2015
本文编号：3621924
【文章来源】：景德镇陶瓷大学江西省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)石墨烯的电子能级(b)碳原子结构(c)sp2杂化的形成示意图
4景德镇陶瓷大学硕士学位论文2文献综述2.1.2石墨烯的性质石墨烯由于其所特有的二维晶格组成使其拥有多种出色性能。其内部晶格简易示意图如图2-2(a)所示，最小晶格呈正六边蜂窝结构，其中相互靠近的最小单元之间的碳原子间存在部分π键和σ键。其中π键是由与平面结构相互垂直的2pz轨道进行杂化而成，其主要起到将石墨烯片层之间进行部分拉开的作用；σ键则是由sp2轨道进行杂化而成的，其原子间长度约1.42，其键能高于金刚石晶体结构中的以sp3杂化形成的C-C键，这使得石墨烯能够拥有更为出色的力学性能表现[13][14]，其强度比目前最好的钢铁高100倍。又由于π键处于半充满状态，这使得其周围的电子束缚性降低，从而让石墨烯中的电子活性变大使其拥有更为突出的电学性能表现。Walace在1947年通过理论计算的方法得出了石墨烯的理论能带结构示意图(图2-2(b))，这表明石墨烯在电子传输过程中其能量表面基本呈锥形，从而使得其拥有较为快速的电子迁移速率(15000cm2/Vs)[15]以及更为突出的导电效率(106S/m)[16]。此外，其石墨烯还拥有较高的比表面积[17](高达2.6×103m2/g)以及更高透光率[18]等优异特性。图2-2(a)单位晶胞中两个碳原子（A和B）的石墨烯晶格结构示意图(b)石墨烯的理论能带结构示意图Fig.2-2Schematicchartof(a)thelatticestructureofgraphenewithtwoatoms(AandB)perunitcell;(b)thetheoreticalenergybandstructureofgraphene2.2氧化石墨烯的基本结构和性质2.2.1氧化石墨烯的基本结构氧化石墨烯(GO)[19]首次出现的时间是在1859年，其发现和研究历史均要比单层石墨烯提前150多年，但由于当时的实验条件和实验认知等方面的限制，对其组成结构模型没有明确的概念，并没有引起太大关注。近年来随着GO所表现出的优异性能被逐步
5景德镇陶瓷大学硕士学位论文2文献综述Nakajima-Matauo[23]等经典结构模型到目前最著名的Left-Klinowski等模型，这使得科研界对GO的化学组成结构达到一个新的理解高度。早期的四个模型均依靠于元素组成、化学反应以及X射线衍射分析所推理出来的（如图2-3所示）。在1939年，Hofmann[20]等率先提出了GO的第一个结构模型，认为是在碳原子基面上存在sp2杂化重复单元的环氧基团。7年后，Ruess[21]等提出了在碳原子基面上存在sp3杂化重复单元的1-3环氧基团和羟基的规则结构模型。之后Scholz和Boehm[22]等提出了一个在碳原子基面上除去了环氧基，仅存有羟基和酮基官能团的结构模型。在1994年，Nakajima和Matauo[23]等人所提出的结构模型是在与聚二氟化碳晶体结构相似的假设之上，形成了一种石墨插层化合物，同时他们还比较了三种常见的氧化反应并形成它的初步反应机理，为后续研究GO的化学性质做出巨大贡献。图2-3GO的的经典结构模型Fig.2-3TheclassicalstructuremodelofGO随着表征技术的不断更新与发展，在1996年Lerf和Klinowski[24]等制备了GO及其衍生物并进行区域性研究，提出了Left-Klinowski模型（如图2-4），这也是初次使用固态核磁共振光谱(NMR)表征材料。经过测试他们认为GO的晶体结构主要可分为两块，其一是由未被氧化的碳原子经过sp2杂化行为后所形成的晶格区域，其二则是碳原子边缘处进行sp3杂化行为后而形成的官能基团区。在2010年，Gomez-Navarro[25]和Erick-son[26]等通过高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)分析观察到GO的结构，证实了Left-Klinowski的GO结构模型。
【参考文献】：
期刊论文
[1]氮化碳复合石墨烯提高光生载流子利用率增强光催化性能[J]. 张鹏,张新欣,冯可心,王宇,董晓丽. 大连工业大学学报. 2019(02)
[2]氧化石墨烯的制备方法及表征检测[J]. 马建丽,田佳瑜,赵宇光. 中国战略新兴产业. 2018(24)
[3]使用石墨烯导热层的三维集成电路的散热方法研究[J]. 班涛,潘中良,陈翎. 电子技术与软件工程. 2018(05)
[4]液相剥离法制备石墨烯的新进展[J]. 祁帅,黄国强. 材料导报. 2017(17)
[5]ZnO/GO纳米材料基热稳定钙钛矿太阳能电池（英文）[J]. 姜文龙,周伟,应纪飞,杨铁莹,高延敏. 无机材料学报. 2017(01)
[6]红外光谱法氧化石墨烯羧基官能团含量的测定[J]. 龚水水,光善仪,柯福佑,徐洪耀. 中国测试. 2016(04)
[7]不同煅烧温度对溶胶-凝胶合成的纳米ZnO光催化效果的影响[J]. 徐小楠,张秋平,张琴,袁欢,鹿轶红,周攀钒,徐明. 材料导报. 2016(02)
[8]钙钛矿太阳能电池中电子传输材料的研究进展[J]. 丁雄傑,倪露,马圣博,马英壮,肖立新,陈志坚. 物理学报. 2015(03)
[9]钙钛矿太阳能电池:光伏领域的新希望[J]. 魏静,赵清,李恒,施成龙,田建军,曹国忠,俞大鹏. 中国科学:技术科学. 2014(08)
[10]还原温度对氧化石墨官能团、结构及湿敏性能的影响[J]. 陈军刚,彭同江,孙红娟,刘波,赵二正. 无机化学学报. 2014(04)
博士论文
[1]纳米半导体材料对新型薄膜太阳能电池性能影响的研究[D]. 郭薇.大连理工大学 2013
硕士论文
[1]石墨烯、C60对电极在染料敏化太阳能电池中的研究[D]. 胡熠.西南大学 2015
本文编号：3621924
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