[發(fā)明專利]一種制備表面帶有蝌蚪狀結(jié)晶結(jié)構(gòu)的碳薄膜的方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210158876.X
• 申請日: 2012-05-21
• 公開（公告）號(hào): CN102701180A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 康飛宇;崔同湘;呂瑞濤;黃正宏;顧家琳;王昆林;吳德海
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號(hào): C01B31/02
• 分類號(hào): C01B31/02
• 代理公司: 西安智大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 賈玉健

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及碳納米材料的合成與應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種采用化學(xué)氣相沉積法制備表面帶有蝌蚪狀結(jié)晶結(jié)構(gòu)的碳薄膜的方法。

背景技術(shù)

隨著社會(huì)的發(fā)展，能源問題成為制約人類可持續(xù)發(fā)展的重要問題。煤、石油和天然氣等化石燃料在地球上的儲(chǔ)量有限，同時(shí)化石燃料的使用給減少CO₂的排放帶來了很大壓力。太陽能被認(rèn)為是最清潔的能源，同時(shí)可以滿足人類對能源的長期需求；開發(fā)和利用太陽能成為現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)。構(gòu)建太陽能電池，實(shí)現(xiàn)光能轉(zhuǎn)化為電能，是太陽能利用的重要形式。目前的太陽能電池還主要是硅基電池，但是硅的制造成本很高；同時(shí)硅材料的脆性，使得硅很難制備柔性的電池器件。碳材料被認(rèn)為性能和硅材料接近，同時(shí)碳材料的性能更加穩(wěn)定，制備成本也更低；尤其是碳納米管和石墨烯等納米材料的發(fā)現(xiàn)，使得碳基太陽能電池越發(fā)受到人們的關(guān)注[Zhu?HW,et?al.Sol.Energy?Mater.Sol.Cells,2009,93:1461-1470]。

用碳納米管和石墨烯等納米材料與硅構(gòu)建碳/硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池，成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。Wei?JQ等人于2007年發(fā)明了一種雙壁碳納米管/硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池，并獲得國家發(fā)明專利（專利號(hào)：ZL200610169827.0）；雙壁碳納米管既充當(dāng)透明導(dǎo)電電極，又充當(dāng)p型活性材料，可以有效減少了高成本ITO和p型硅的使用[Wei?JQ,et?al.Nano?Lett.2007,7:2317-2321]。但是，碳納米管薄膜結(jié)構(gòu)存在空隙，和硅不能100%接觸；2010年Li?XM等人發(fā)明了石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池，并申請了國家發(fā)明專利（公開號(hào)：CN101771092A），電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了1.5%[Li?XM,et?al.Adv.Mater.2010,22:2743-2748]。不過，雙壁碳納米管和石墨烯的制備溫度分別為1150和1000°C，同時(shí)它們的制備都需要使用氫氣[Wei?JQ,et?al.J.Phys.Chem.B,2004,108:8844-8847；Li?XM,et?al.Adv.Mater.2010,22:2743-2748]；這一方面導(dǎo)致制備成本相對都比較高；另一方面在高溫的條件下使用氫氣有潛在的安全隱患。與雙壁碳納米管薄膜和石墨烯相似，碳薄膜在宏觀上也有著二維的結(jié)構(gòu)，但微觀上多為非晶碳結(jié)構(gòu)；此外，碳薄膜制備的過程中可以不用氫氣，成本低廉[Cui?TX,et?al.Carbon,2011,49:5022-5028]。文獻(xiàn)中也有將非晶碳薄膜和硅構(gòu)成異質(zhì)結(jié)太陽能電池的報(bào)道，但是碳薄膜的導(dǎo)電性較差，傳導(dǎo)載流子的能力有限，所組裝的電池短路電流密度較低，限制了電池性能的提升[Mukhopadhyay?K,et?al.Carbon,1997,35:863-4；Cui?TX,et?al.Carbon,2011,49:5022-5028]。發(fā)明一種提高非晶碳薄膜傳導(dǎo)載流子能力的新型復(fù)合結(jié)構(gòu)，對碳基太陽能電池的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用有著重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種制備表面帶有蝌蚪狀結(jié)晶結(jié)構(gòu)的碳薄膜的方法，利用帶有的蝌蚪狀結(jié)晶結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)載流子能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，來提高非晶碳薄膜傳導(dǎo)載流子的能力，對非晶碳薄膜在太陽能電池領(lǐng)域的應(yīng)用具有積極的意義。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：

一種制備表面帶有蝌蚪狀結(jié)晶結(jié)構(gòu)的碳薄膜的方法，包括以下步驟：

步驟一、將厚度為0.02mm~0.15mm的銅襯底放入去離子水中，用超聲波清洗五到十分鐘；

步驟二、將清洗過的銅襯底放在石英舟上，用金屬桿將其緩緩?fù)迫牍苁诫娮锠t的石英管反應(yīng)室里；

步驟三、向密封良好的石英管反應(yīng)室中通入保護(hù)氣體，保護(hù)氣體的流量為300~600mL/min；

步驟四、石英管進(jìn)氣端的溫度設(shè)定在150~350°C之間，同時(shí)將反應(yīng)室設(shè)定在800~1000°C；

步驟五、當(dāng)反應(yīng)室溫度和石英管進(jìn)氣端溫度達(dá)到設(shè)定值后，調(diào)整步驟三的保護(hù)氣體流量至1500~2500mL/min；

步驟六、用注射器吸取5~15mL有機(jī)溶液，通過注射泵將有機(jī)溶液以0.02~0.06mL/min的進(jìn)給速率注入反應(yīng)室中開始反應(yīng)，注射時(shí)間為2~5min，然后停止有機(jī)溶液的進(jìn)給；

步驟七、將步驟二中所述的石英舟從石英管的高溫反應(yīng)區(qū)拉到低溫區(qū)，使得銅襯底快速冷卻，在銅襯底上得到帶有蝌蚪狀結(jié)晶結(jié)構(gòu)的碳薄膜，碳薄膜的尺寸在厘米量級(jí)；