[发明专利]一种碳纳米管编织的石墨烯薄膜、制备方法及光伏应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管编织的石墨烯薄膜、制备方法及其光伏应用，属于纳米材料制备技术领域。

背景技术

石墨烯作为一种只有单原子层厚度的二维碳纳米材料，具有极高的载流子迁移率，良好的透光性和导电性，以及高的比表面积，在纳米电子器件、新能源电极材料（锂离子电池、太阳能电池等）及催化等领域具有广泛的应用前景。

目前制备石墨烯的方法主要包括液相剥离法、机械剥离法和化学气相沉积法等。其中，以金属基底（铜、镍、铂等）作为催化剂的化学气相沉积法由于其可制备大面积、高质量的石墨烯而广泛用于石墨烯的制备。

若实现化学气相沉积的石墨烯应用于纳米电子器件、新能源电极材料等，一个关键的问题是将石墨烯从金属基底上转移至其他基底（SiO₂/Si,高分子软基底等）。由于石墨烯为单原子层结构，不能自支撑，故人们通常采用在石墨烯上引入一层高分子层（PMMA，热释放胶带等）作为支撑层，而这些支撑层的引入无疑会带来高分子残留，以及在转移到其他基底上之后除掉高分子的过程中引起的石墨烯破损。无论是残留在石墨烯表面的高分子，还是石墨烯破损，都会影响石墨烯的性质，进一步降低所制备纳米电子器件或新能源器件的性能。

文献(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.)中报道了一种石墨烯-碳纳米管复合薄膜结构，该复合膜中的碳纳米管为两层定向排列的碳纳米管膜交叠而成，石墨烯与碳纳米管亦为层叠而成。该复合膜透光率较低，550nm处的透过率仅为50%。如若为提高透光率采用单层碳纳米管薄膜，由于碳纳米管膜与石墨烯间为层叠接触，作用力较弱，碳纳米管膜不能稳定石墨烯以直接转移形成自支撑复合膜。

发明内容

针对上述技术问题，本发明开发了一种制备石墨烯-碳纳米管复合膜的新方法，根据本发明方法制备的石墨烯-碳纳米管复合膜的特点是网状碳纳米管薄膜中的碳管穿插于石墨烯中，使得单层碳纳米管薄膜即可支撑石墨烯，保证了所述薄膜的稳定性和高透光率。

本发明的目的之一在于提供一种碳纳米管编织的石墨烯薄膜，该薄膜含有石墨烯和网状碳纳米管。所述石墨烯采用化学气相沉积法合成，为单层、双层及少量多层结构；所述网状碳纳米管亦采用化学气相沉积法合成，其为单壁、双壁及少量多壁碳纳米管搭接而成，碳纳米管组成的网孔尺寸为20nm～2μm；网状碳纳米管穿插于石墨烯之中。

本发明的目的之二在于提供一种如上所述的碳纳米管编织的石墨烯薄膜的制备方法。

本发明的目的之三在于提供一种如上所述的碳纳米管编织的石墨烯薄膜的光伏应用。

本发明的技术方案如下：

一种碳纳米管编织的石墨烯薄膜，该薄膜含有石墨烯和网状碳纳米管。所述石墨烯采用化学气相沉积法合成，为单层、双层及少量多层结构；所述网状碳纳米管亦采用化学气相沉积法合成，由单壁、双壁及少量多壁碳纳米管搭接形成薄膜，碳纳米管组成的微孔尺寸为20nm～2μm；网状碳纳米管穿插于石墨烯之中。

在上述技术方案中，所述网状碳纳米管薄膜的透光率为80%-95%。

本发明还提供碳纳米管编织的石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于该方法按照如下步骤进行：

（1）将碳纳米管薄膜转移到铜箔表面；

（2）将表面铺有碳纳米管薄膜的铜箔放入管式炉中，低压条件下生长石墨烯，得到基底-碳纳米管编织的石墨烯薄膜复合结构；

（3）将铜箔取出，置于铜刻蚀液中除去铜基底，得到悬浮的碳纳米管编织的石墨烯薄膜。

在上述技术方案中，所述刻蚀液为0.5-1M FeCl₃溶液,0.5-1M Fe(NO₃)₃溶液及Marble试剂。

本发明还提供所述碳纳米管编织的石墨烯薄膜在太阳能电池中的应用。所述太阳能电池为碳纳米管编织的石墨烯薄膜-n型单晶硅太阳能电池。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：

①由于生长石墨烯时在低压高温下对铜箔退火会使铜部分熔融，导致部分碳纳米管进入近铜箔表面内部，使得碳纳米管薄膜穿插于所生长的石墨烯中，所以，单层网状碳纳米管薄膜就可以支撑石墨烯，得到自支撑薄膜结构。这可在保证薄膜高透光率的前提下直接转移，避免了高分子辅助石墨烯转移带来的高分子残留及石墨烯破损。