石墨烯制备新型高效太阳能电池

示意图：电子转移途径在剥离的石墨烯/锌酞菁类混合体中的情形

    极高的电子迁移率使石墨烯具有理想的条件，电子穿过石墨烯时，大约有100倍的迁移率，这是对比硅而言，石墨烯还具有卓越的强度，而且事实上，它几乎是透明的（2.3％的光可被吸收；97.7％的光可被传输），这些都使它成为理想的候选材料，可用于光伏领域，超薄透明石墨烯膜就可替代金属氧化物电极。因此，它可能是一种很前途的替代材料，可替代铟锡氧化物（ITO：indium tin oxide），铟锡氧化物是目前标准的透明电极材料，石墨烯用作电极，可用于液晶显示器，太阳能电池，iPad和智能手机使用的触摸屏，以及有机发光二极管（ OLED）显示器，这种显示器用于电视和计算机。

    但是，最近的研究表明，掺杂是必要的，为的是利用石墨烯的全部潜力。这一挑战对于研究人员而言，就是要找到适当的制造技术，制备高质量石墨烯片，使它具有高度的电荷迁移率（charge mobilities）。

    德国和西班牙的一个研究小组最近发表了一篇论文，发表在《应用化学国际版》（Angewandte Chemie International Edition），题为《实现可调石墨烯/酞菁- PPV混合动力系统》（Towards Tunable Graphene/Phthalocyanine–PPV Hybrid Systems），他们提出了一种化学方法，制成非共价（non-covalently）功能性石墨烯，这种材料产生于可大量获得的低价天然石墨。

   “到目前为止，功能性分子要根据光活性基团（photo-active groups）引入，这需要与石墨烯氧化物相互作用，因此，就不得不忍受苛刻的还原条件（reduction conditions），获得非共价功能化石墨烯氧化物，”珍妮•马里格说（Jenny Malig），他是论文的第一作者。“我们方法的优势是直接剥离石墨烯，这要采用超声处理和伴随的非共价功能化，依靠的是感光分光表征（photospectroscopical characterization）溶液。”

    马里格是德克•古尔蒂（Dirk Guldi）小组的博士生，在纽伦堡（Nürnberg）埃尔兰根（Erlangen）弗里德里希亚历山大大学（Friedrich-Alexander-Universitat），一起工作的有她的同事，还有合作者来自马德里自治大学（Universidad Autónoma de Madrid）IMDEA 纳米科学部（IMDEA – Nanociencia）。

    她指出，非共价剥落石墨烯，采用的媒介是表面活性剂（surfactants），这是经过充分验证的,在原理上，这种概念是来自碳纳米管化学。

    “此外，π类表面活性剂（π-surfactants）就像双亲性花（amphiphilic perylene）或苝染料（pyrene dyes）一样，都已经用于稳定石墨烯薄片，这是在适当的溶剂中进行，”她说。“受这些成果鼓舞，我们转向更复杂的分子，比如酞菁齐聚物（phthalocyanine oligomers），这在以前从未用于溶解过程。”

    对于这项工作，有知识传授了已完成的研究，所在化学领域就是碳纳米管化学，是古尔蒂的小组做的（他们写过文章《调整和优化内在互动的酞菁基PPV低聚物和单壁碳纳米管实现n-型/p-型》），这是关键性的，可以制备非共价功能化石墨烯薄片，这是一种纳米复合材料。

    然而，研究新的电子供受体复合物（electron donor-acceptor hybrids）就涉及到石墨烯，这更具有挑战性，远远超过剥离碳纳米管，这都是在同样的情况下进行。原因在于，从适用太阳能电池而言，主要挑战是光物理特性方面的纳米复合材料。

    “对比非共价功能化碳纳米管，石墨烯被认为是一种零隙（zero-gap）半导体，没有表现出显著的光学跃迁（optical transition），在可见光范围就是这样，这就限制了表征技术（characterization techniques），”马里格说。

    该小组绕过这个问题，选择一个旁观分子（spectator molecule），以协助查明和表现电子供受体的相互作用。

    “有趣的是，我们能够量化和证明所形成的自由基阳离子（radical cation）种类，就是这种‘旁观分子’，它第一次清楚地表明，电子转移是从激发的染料转移到石墨烯片，”马里格说。 “最后，后者就形成一种方便的工具，可用于测试广泛的库存染料。它表明，石墨烯有可能作为电子受体（electron acceptor）。”

    在一般情况下，这种新颖的单因子混合物（monohybrids）材料是新的电子材料，尤其可用于印刷电子技术。非共价功能化石墨烯产生了成本上有效的新材料，可能表现出新的变异属性，不同于非功能化石墨烯。此外，功能基团（functional groups）可调整石墨/石墨烯的剥离和溶解度。

    “在有些设备中，石墨烯电子结构的调整是采用化学功能化，这是一种适当的方式，这些设备是可以设计的，所有的装配完全采用石墨烯，”马里格说。