[發明專利]一種碳納米管編織的石墨烯薄膜、制備方法及光伏應用

有效

• 申請號: 201410128376.0
• 申請日: 2014-04-01
• 公開（公告）號: CN103922322A
• 公開（公告）日: 2014-07-16
• 發明（設計）人: 方英;李紅變;師恩政;曹安源
• 申請（專利權）人: 國家納米科學中心
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04;H01L31/0224
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 鞏克棟;楊晞

技術領域

本發明涉及一種碳納米管編織的石墨烯薄膜、制備方法及其光伏應用，屬于納米材料制備技術領域。

背景技術

石墨烯作為一種只有單原子層厚度的二維碳納米材料，具有極高的載流子遷移率，良好的透光性和導電性，以及高的比表面積，在納米電子器件、新能源電極材料（鋰離子電池、太陽能電池等）及催化等領域具有廣泛的應用前景。

目前制備石墨烯的方法主要包括液相剝離法、機械剝離法和化學氣相沉積法等。其中，以金屬基底（銅、鎳、鉑等）作為催化劑的化學氣相沉積法由于其可制備大面積、高質量的石墨烯而廣泛用于石墨烯的制備。

若實現化學氣相沉積的石墨烯應用于納米電子器件、新能源電極材料等，一個關鍵的問題是將石墨烯從金屬基底上轉移至其他基底（SiO₂/Si,高分子軟基底等）。由于石墨烯為單原子層結構，不能自支撐，故人們通常采用在石墨烯上引入一層高分子層（PMMA，熱釋放膠帶等）作為支撐層，而這些支撐層的引入無疑會帶來高分子殘留，以及在轉移到其他基底上之后除掉高分子的過程中引起的石墨烯破損。無論是殘留在石墨烯表面的高分子，還是石墨烯破損，都會影響石墨烯的性質，進一步降低所制備納米電子器件或新能源器件的性能。

文獻(Lin,XY;Liu,P;Wei,Y;Li,QQ;Wang,JP;Wu,Y;Feng,C;Zhang,LN;Fan?SS;Jiang?KL.Nature?Communications,2013,4,2920.)中報道了一種石墨烯-碳納米管復合薄膜結構，該復合膜中的碳納米管為兩層定向排列的碳納米管膜交疊而成，石墨烯與碳納米管亦為層疊而成。該復合膜透光率較低，550nm處的透過率僅為50%。如若為提高透光率采用單層碳納米管薄膜，由于碳納米管膜與石墨烯間為層疊接觸，作用力較弱，碳納米管膜不能穩定石墨烯以直接轉移形成自支撐復合膜。

發明內容

針對上述技術問題，本發明開發了一種制備石墨烯-碳納米管復合膜的新方法，根據本發明方法制備的石墨烯-碳納米管復合膜的特點是網狀碳納米管薄膜中的碳管穿插于石墨烯中，使得單層碳納米管薄膜即可支撐石墨烯，保證了所述薄膜的穩定性和高透光率。

本發明的目的之一在于提供一種碳納米管編織的石墨烯薄膜，該薄膜含有石墨烯和網狀碳納米管。所述石墨烯采用化學氣相沉積法合成，為單層、雙層及少量多層結構；所述網狀碳納米管亦采用化學氣相沉積法合成，其為單壁、雙壁及少量多壁碳納米管搭接而成，碳納米管組成的網孔尺寸為20nm～2μm；網狀碳納米管穿插于石墨烯之中。

本發明的目的之二在于提供一種如上所述的碳納米管編織的石墨烯薄膜的制備方法。

本發明的目的之三在于提供一種如上所述的碳納米管編織的石墨烯薄膜的光伏應用。

本發明的技術方案如下：

一種碳納米管編織的石墨烯薄膜，該薄膜含有石墨烯和網狀碳納米管。所述石墨烯采用化學氣相沉積法合成，為單層、雙層及少量多層結構；所述網狀碳納米管亦采用化學氣相沉積法合成，由單壁、雙壁及少量多壁碳納米管搭接形成薄膜，碳納米管組成的微孔尺寸為20nm～2μm；網狀碳納米管穿插于石墨烯之中。

在上述技術方案中，所述網狀碳納米管薄膜的透光率為80%-95%。

本發明還提供碳納米管編織的石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于該方法按照如下步驟進行：

（1）將碳納米管薄膜轉移到銅箔表面；

（2）將表面鋪有碳納米管薄膜的銅箔放入管式爐中，低壓條件下生長石墨烯，得到基底-碳納米管編織的石墨烯薄膜復合結構；

（3）將銅箔取出，置于銅刻蝕液中除去銅基底，得到懸浮的碳納米管編織的石墨烯薄膜。

在上述技術方案中，所述刻蝕液為0.5-1M?FeCl₃溶液,0.5-1M?Fe(NO₃)₃溶液及Marble試劑。

本發明還提供所述碳納米管編織的石墨烯薄膜在太陽能電池中的應用。所述太陽能電池為碳納米管編織的石墨烯薄膜-n型單晶硅太陽能電池。

本發明與現有技術相比，具有以下優點及突出性效果：

①由于生長石墨烯時在低壓高溫下對銅箔退火會使銅部分熔融，導致部分碳納米管進入近銅箔表面內部，使得碳納米管薄膜穿插于所生長的石墨烯中，所以，單層網狀碳納米管薄膜就可以支撐石墨烯，得到自支撐薄膜結構。這可在保證薄膜高透光率的前提下直接轉移，避免了高分子輔助石墨烯轉移帶來的高分子殘留及石墨烯破損。