作为有机太阳能电池透明电极的多层石墨烯膜的研究

Multi-layer graphene is an ideal transparent electrode material for organic solar cells, however, its low conductivity and unsuitable workfunction highly restrict its development. Therefore, in this proposal, we will firstly synthesis high quality multi-layer graphene films, and then the contribution of gas phase intercalation of multi-layer graphene on the carrier density and conductivity will be carefully studied. After the intercalation with one or more elements, the conductivity of doped graphene films should meet the requirement for organic solar cells. Additionally, the interface property of graphene electrode and organic semiconductor will also be investigated. An Ohm contact should be formed between graphene electrode and organic semiconductor after modifying graphene electrode with functional organic molecules, which is beneficial for achieving high efficiency of graphene based organic solar cells. We hope that, after carrying out this project, the above mentioned theories about the graphene based organic solar cells will be completed.

多层石墨烯是有机太阳能电池的理想透明电极材料，但多层石墨烯相对低的导电率和与有机半导体材料能级不匹配等问题制约了其发展。本项目首先通过一步化学气相沉积方法制备高质量的多层石墨烯薄膜，在此基础上重点研究气相掺杂对提高其载流子浓度、导电率的贡献，并通过单元或者多元掺杂的策略，使多层石墨烯材料的导电率满足有机太阳能电池器件的要求。另一方面将进一步优化石墨烯电极与有机半导体材料的界面接触问题，通过研究表面化学掺杂对石墨烯表面电学性质的影响，总结出不同的表面化学修饰与石墨烯表面电子状态、功函数变化的规律性问题，通过调控，最终实现石墨烯透明电极与有机半导体材料的欧姆接触。希望通过本项目的实施，完善多层石墨烯膜作为有机太阳能电池透明电极材料的相关理论。

石墨烯等碳材料具有良好的导电性，在光电转换等器件中具有较大的应用前景。但石墨烯本身的导电性还有待于进一步提高以降低器件内部能量的损失。本项目研究了氧化型掺杂方案对石墨烯导电性的影响规律，钙钛矿薄膜的结晶和成长过程控制，以及碳基薄膜电极与钙钛矿薄膜的接触问题。在本项目的资助下，取得了一下研究成果：（1）利用FeCl3、MoCl5等掺杂剂处理石墨烯薄膜，可以显著提高石墨烯薄膜的导电率。（2）揭示了高度掺杂的石墨烯的导电性能稳定性较差的原因，主要是因为其自身较强的吸水特性。（3）对比了石墨烯、碳纤维、碳纳米管薄膜，发现碳纳米管在兼顾平整性和导电性方面具有明显优势。（4）优化了钙钛矿薄膜的成膜工艺，开发了全新的气体修复技术，解决了大面积制备均匀钙钛矿薄膜的难题。（5）对比了石墨烯、碳纤维、纳米碳管薄膜在钙钛矿太阳能电池的应用，在无空穴层的条件下，得到了10.8%的光电转换效率。本项目的实施为碳电极薄膜太阳能电池的研究提供了一定的科学和理论基础。