纳米线修饰的石墨烯及其制造和使用方法
【专利说明】纳米线修饰的石墨婦及其制造和使用方法
[0001] 优先权要求
[0002] 本申请要求2012年11月26日申请的美国临时申请第61/729, 795号的优先权， 其通过引用其全部内容来并入。
技术领域
[0003] 本发明设及纳米线修饰的石墨締W及该纳米线修饰的石墨締的制造和使用方法。
【背景技术】
[0004] 具有独特的物理性能的石墨締的新发现和成功的大面积合成，导致了在它用于光 电设备如太阳能电池和发光二极管的应用上越来越多的兴趣。因为石墨締的高透明度和电 导率、化学和机械稳定性（robustness)，W及材料充足，所W它正在探索作为用作透明传导 性电极材料的氧化铜锡（IT0)的潜在的替代品。同时，随着石墨締的发展，广泛研究了单晶 半导体纳米线，归因于它们具有新颖的电子和光学性能。具体而言，基于纳米线的混合光伏 (PV)结构已经获得了显著的注意，该是因为它们可能在良好有序的本体异质结几何形状中 具有通过一维电荷迁移路径和大的界面面积来实现高效率的电荷提取。在纳米线和石墨締 之间的有效界面保持各组分的优点是理想的。
【发明内容】
[0005] 在一个方面，透明电极包括在基板上的石墨締片；配置在石墨締片上的含导电聚 合物的中间层；和配置在中间层上的多个半导体纳米线。
[0006] 所述多个半导体纳米线可W基本上彼此平行。多个半导体纳米线的长轴能够 基本上垂直于石墨締片。多个半导体纳米线可W包括化0。该中间层可W包括导电聚合 物，如聚唾吩、聚苯胺或者聚化咯，例如，烷氧基取代的聚唾吩如聚化4-亚己基二氧基唾 吩）嵌段双-聚（己二醇），聚（唾吩-3-[2-(2-甲氧基己氧基）己氧基]-2, 5-二基）， 阳DOT:PEG(PC)或RG-1200。包括该电极的设备可W进一步包括光活性材料，该光活性材料 配置在所述多个半导体纳米线上。所述光活性材料可W包括量子点或P3HT。该设备可W进 一步包括沉积在所述光活性材料上的第二电极。
[0007] 在另一个方面，一种透明电极的制造方法包括；提供在基板上的石墨締片；沉积 配置在所述石墨締片上的含导电聚合物的中间层；和在所述中间层上生长多个半导体纳米 线。
[0008] 该中间层的沉积可W包括旋转流延（spin-casting)。在该中间层上生长多个半导 体纳米线可W包括水热沉积。所述多个半导体纳米线可W包括化0。该中间层可W包括导 电聚合物，例如聚唾吩、聚苯胺或聚化咯，例如，烷氧基取代的聚唾吩如聚化4-亚己基二 氧基唾吩）嵌段双-聚（己二醇），聚（唾吩-3-[2-(2-甲氧基己氧基）己氧基]-2, 5-二 基），阳DOT:PEG(PC)或RG-1200。该方法可W进一步包括沉积光活性材料，该光活性材料 配置在多个半导体纳米线上。所述光活性材料可W包括量子点或P3HT。该方法可W进一步 包括将第二电极沉积在光活性材料上。
[0009] 在另一个方面，一种光伏设备包括：在基板上的石墨締片；配置在所述石墨締片 上的含导电聚合物的中间层；和配置在该中间层上的多个半导体纳米线。
[0010] 所述光伏设备进一步包括配置在所述多个半导体纳米线上的光活性材料。得到多 个半导体纳米线可W包括化0。
[0011] 在另一个方面，一种发电的方法包括照射所述光伏设备。
[0012] 根据W下说明书、附图和权利要求，其他方面、实施方案和结构将会是清晰可见 的。
【附图说明】
[0013] 图1表示在改性的石墨締基板上的ZnO晶种层的润湿性能。参见附图1A-1D，显示 了明视野的光学显微镜图像；（a)在石英基板上的石墨締条；化)化0晶种层旋转涂覆在原 始石墨締上，显示出将ZnO膜进行去湿而形成的岛；（C，d)分别为在ZnO晶种层沉积之前和 之后的石墨締/P邸〇T;PEG(PC) 及（e，f)分别为在ZnO晶种层沉积之前和之后的石墨締 /RG-1200。图1C-1F说明了两种聚合物在石墨締表面上的均匀覆盖和ZnO晶种层在修饰的 石墨締上的均匀覆盖。图1G是基于石墨締阴极的太阳能电池的示意图。
[0014] 图2表示在IT0上所转移的石墨締上和在石墨締基板上的化0晶种层的表面形 态分析。图2A-2F显示轻敲模式原子力显微镜图像；(a)IT0/化0 ;化）石墨締；（C，d)分别 为在ZnO晶种沉积之前和之后的石墨締/P邸0T:PEG(PC) ; (e，f)分别为在ZnO晶种沉积之 前和之后的石墨締/RG-1200。两种聚合物都完全涂覆了石墨締表面（c，e)，并且ZnO共形 地覆盖了底下的聚合物（d，f)。另外，两种聚合物的表面在ZnO层沉积后是光滑的；对于 阳DOT:PEG(PC)而言rms粗趟度从34皿降低到25皿，而对于RG-1200而言，从6皿降低到 2打m〇
[0015] 图3表示在IT0上和在用聚合物界面层修饰的石墨締上所生长的ZnO纳米线阵列 的扫描电镜表征。图3A-3C显示在（a)ITO基板、化）石墨締/P邸0T:PEG(PC)和（C)石墨 締/RG-1200上W水热方式生长的ZnO纳米线阵列。在同样试验条件下在IT0和修饰的石 墨締上生长的ZnO纳米线阵列显示出相似的均匀性和排列。
[0016] 图4表示在石墨締上的ZnO纳米线的光学和结构表征。图4A和图4B显示，（a) 为在口0、石墨締/P邸0T:PEG(PC)和石墨締/RG-1200上生长的ZnO纳米线的化光谱。在 所有的情况下，550nm的宽峰的低化强度证实了与哲基基团有关的低缺陷密度，而集中在 376nm处的强的近能带边缘发光（nearbandedgeluminescence)证实了ZnO纳米线的结 构品质。（b)高分辨率TEM图像和对应的傅立叶变换（插图）显示了ZnO纳米线的单晶纤 锋矿结构，其中在[0001]生长方向上为0. 52皿的晶格间距。
[0017] 图5表示阳D0T:PEG(PC)聚合物和它的混合对应物的拉曼分析。图5A-5C显示， (a)P邸0T:PEG(PC)和阳DOT:阳G(PC)/Zn0的拉曼范围，其中峰值P1集中于1441cm-i。聚合 物在与ZnO相互作用后有所减少，如由1441cnTi处的频率降低（红移为6cnTi)所证明的。 化）当与石墨締接触时，拉曼峰值P1的藍移为4cm-i。（C)在完全的石墨締/P邸0T:PEG(PC)/ ZnO体系中拉曼峰值P1的红移为2cnTi。在所有该些曲线图中，强度标准化到它们的最大值 来比较光谱特征。
[001引图6表示混合石墨締/ZnO纳米线太阳能电池。图6A-6d显示，（a)石墨締阴极混 合太阳能电池的示意图；在石英上所沉积的石墨締由聚合物（P邸0T:PEG(PC)或RG-1200) 来覆盖，接着是化0晶种层和400皿长的化0纳米线。然后将该纳米线用化S孤S(300nm) 或口3册(700皿）来进行渗透和覆盖，最后用的是齡03(25皿)/411(100皿）顶面电极。化）在 (a)中显示的太阳能电池的平带能级图。（C)在100mW/cm2AM1.5G照明下的基于头等石墨締 的化S孤设备（其使用不同的聚合物中间层）的J-V特性，显示的性能可媳美于IT0参 比电池的性能。（d)代表性的基于石墨締的P3HT设备（其使用不同的聚合物中间层）的 J-V特性，用IT0参比设备来比较。在（C)和（d)中的插图显示了完整设备的SEM横截面 图像，其显示了光活性材料（PbS孤或P3HT)大量渗透到化0纳米线之间的纳米级间隙。
[0019] 图7表示，在用导电聚合物中间层修饰的石墨締电极上所生长的水热ZnO纳米线 的示意图。阳DOT:PEG(PC)或RG-1200旋转涂覆在原始石墨締上。随后，ZnO晶种层沉积在 石墨締/P邸0T:PEG(PC)(或石墨締/RG-1200)上，该通过旋转涂覆在2-甲氧基己醇与己醇 胺中的300mM的醋酸锋二水合物来进行。在该晶种层在175°C退火10分钟W后，ZnO纳米 线阵列通过将基板浸没到生长溶液（在去离子水中的50mM的硝酸锋六水合物（25ml)巧OmM 的六亚甲基四胺（25ml))中来生长。
[0020] 图8表示，在原始石墨締上生长的化0晶种层和ZnO纳米线的扫描电子显微镜 (SEM)图像。图8A和8B显不，（a)直接旋转涂覆在石墨締表面上的化0晶种层的形态显 示出不均匀性，该是由于醋酸锋六水合物的差的润湿性所引起的。化）在所制备的石墨締/ ZnO上生长的ZnO纳米线显示出差的排列和低表面密度。
[002。 图9表示在IT0上的旋转涂覆的化0晶种层上所生长的化0纳米线的沈M图像。ZnO晶种层；(a)在惰性氮气气氛下进行旋转涂覆和退火；化）在惰性氮气气氛下旋转涂覆 和在环境条件下退火；（C