作為繼富勒烯、碳納米管、石墨烯之后，一種新的全碳納米結(jié)構(gòu)材料，石墨炔具有豐富的碳化學(xué)鍵、大的共軛體系及寬面間距、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，被譽(yù)為最穩(wěn)定的一種人工合成二炔碳的同素異形體。石墨炔獨特的結(jié)構(gòu)特性，使其與無機(jī)納米粒子、有機(jī)聚合物、染料分子等發(fā)生相互作用或者鍵合，表現(xiàn)出獨特電子轉(zhuǎn)移增強(qiáng)特性，在信息技術(shù)、儲能、光電、催化、生物和醫(yī)藥等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。
作為新一代太陽能電池的代表，鈣鈦礦電池發(fā)展迅猛，它的器件界面性質(zhì)對鈣鈦礦電池性能影響很大，顯著影響著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，青島能源所研究員酒同鋼帶領(lǐng)的碳基能源轉(zhuǎn)換材料研究組，將新型碳材料石墨炔摻雜進(jìn)鈣鈦礦太陽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，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Nano Energy【2018, 46, 331-337】上。
研究結(jié)果表明，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 - 共軛結(jié)構(gòu)跟PCBM以及ZnO之間的相互作用，使得PCBM和ZnO界面層的電子傳輸性能得到了極大提升。阻抗測試表明，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，從而提升了器件的光電轉(zhuǎn)換效率。除此之外，電容-電壓曲線表明，由于石墨炔獨特的化學(xué)結(jié)構(gòu)以及極強(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能電池常見的遲滯效應(yīng)。新型碳材料石墨炔的引入有效地提高了鈣鈦礦電池的性能，為下一步石墨炔的應(yīng)用開發(fā)以及鈣鈦礦電池器件的研究提供了新的思路。
以上研究得到了國家自然科學(xué)基金、山東省重大基礎(chǔ)研究項目、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會、青島能源所啟動基金的大力支持。（文/圖 李姜生）
圖1. (a)鈣鈦礦太陽能電池器件結(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。
