作為繼富勒烯、碳納米管、石墨烯之后的一種新型全碳納米結(jié)構(gòu)材料，石墨炔具有豐富碳化學(xué)鍵、大共軛體系及寬面間距、優(yōu)良化學(xué)穩(wěn)定性，被譽(yù)為“最穩(wěn)定的一種人工合成二炔碳同素異形體”。石墨炔獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性，使其與無(wú)機(jī)納米粒子、有機(jī)聚合物、染料分子等發(fā)生相互作用或鍵合，表現(xiàn)出獨(dú)特電子轉(zhuǎn)移增強(qiáng)特性，在信息技術(shù)、儲(chǔ)能、光電、催化、生物和醫(yī)藥等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。
作為新一代太陽(yáng)能電池的代表，鈣鈦礦電池發(fā)展迅猛。器件界面性質(zhì)對(duì)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(jìn)一步提升，部分受限于界面層的形貌和載流子輸運(yùn)能力。
近期，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所研究員酒同鋼帶領(lǐng)的碳基能源轉(zhuǎn)換材料研究組，將石墨炔摻雜進(jìn)鈣鈦礦太陽(yáng)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(dǎo)，進(jìn)而提升了鈣鈦礦電池的器件性能，獲得了20%的光電轉(zhuǎn)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(tài)，由于石墨炔強(qiáng)的π-π共軛結(jié)構(gòu)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(cè)試表明，石墨炔的雙層摻雜降低了電荷在界面處的復(fù)合，使得器件填充因子明顯提高，從而提升了器件光電轉(zhuǎn)換效率。電容-電壓曲線表明，石墨炔獨(dú)特的化學(xué)結(jié)構(gòu)、極強(qiáng)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(yáng)能電池常見(jiàn)的遲滯效應(yīng)。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(yīng)用開(kāi)發(fā)以及鈣鈦礦電池器件研究提供了新思路。
相關(guān)研究成果發(fā)表在Nano Energy上。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、山東省重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、青島能源所啟動(dòng)基金的資助。
圖1.（a），鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件結(jié)構(gòu)示意圖；（b），石墨炔化學(xué)結(jié)構(gòu)及其電子傳輸示意圖；（c），鈣鈦礦太陽(yáng)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(jī)理圖。
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