作為繼富勒烯, 碳納米管, 石墨烯之後的一種新型全碳納米結構材料, 石墨炔具有豐富碳化學鍵, 大共軛體系及寬面間距等特性以及優良化學穩定性, 被譽為 '最穩定的一種人工合成二炔碳同素異形體' . 石墨炔獨特的結構特性, 使其與無機納米粒子, 有機聚合物, 染料分子等發生相互作用或鍵合, 表現出獨特電子轉移增強特性, 在資訊技術, 儲能, 光電, 催化, 生物和醫藥等領域具有重要應用前景.
作為新一代太陽能電池的代表, 鈣鈦礦電池發展迅猛. 器件界面性質對鈣鈦礦電池性能影響很大, 顯著影響著其載流子抽提和器件效率. 目前鈣鈦礦電池器件性能的進一步提升, 部分受限於界面層的形貌和載流子輸運能力.
近期, 中國科學院青島生物能源與過程研究所研究員酒同鋼帶領的碳基能源轉換材料研究組, 將石墨炔摻雜進鈣鈦礦太陽能電池的雙層電子傳輸層中, 有效地提高了電子傳輸層的電導, 進而提升了鈣鈦礦電池的器件性能, 獲得了20%的光電轉換效率. 研究表明, 雙層摻雜石墨炔改善了界面材料薄膜形態, 由於石墨炔強的π-π共軛結構與PCBM及ZnO之間的相互作用, PCBM和ZnO界面層的電子傳輸性能得到了極大提升. 阻抗測試表明, 石墨炔的雙層摻雜降低了電荷在界面處的複合, 使得器件填充因子明顯提高, 從而提升了器件光電轉換效率. 電容-電壓曲線表明, 石墨炔獨特的化學結構, 極強的電子傳輸能力使得界面處的電荷積累顯著減少, 明顯改善了鈣鈦礦太陽能電池常見的遲滯效應. 新型碳材料石墨炔的引入有效提高了鈣鈦礦電池的性能, 為石墨炔應用開發以及鈣鈦礦電池器件研究提供了新思路.
相關研究成果發表在Nano Energy上. 該研究得到了國家自然科學基金委, 山東省重大基礎研究項目, 中科院青年創新促進會, 青島能源所啟動基金的資助.
圖1.(a), 鈣鈦礦太陽能電池器件結構示意圖; (b), 石墨炔化學結構及其電子傳輸示意圖; (c), 鈣鈦礦太陽能電池電流-電壓曲線; (d), 電池在不同掃描方向的器件行為.
圖2. (a), 電池阻抗曲線; (b), 電池在不同偏壓下的電子壽命; (c), 電池在不同偏壓下的電容; (d), 石墨炔器件作用機理圖.
