CN113383440A - 用于能量生成应用的新型碳纳米结构 - Google Patents

Abstract

这涉及一种用于检测或转换光能或热能的设备，所述设备包括：石墨烯片，形成卷以提供单层结构，在该单层结构中，所述石墨烯片的曲率半径随着距所述卷的纵轴线的距离增加而增加。

Description

用于能量生成应用的新型碳纳米结构

介绍

发明的领域

本发明总体上涉及用于检测或转换光/热能的设备。

相关技术的描述

太阳能吸收

任何太阳能电池的最终目标是能够在单个结构中吸收太阳能的多个波长。

这已在多结太阳能电池中实现，这些电池通过将若干太阳能电池或p-n结组合成包含多个子电池的多结电池来实现其高效率。这些子电池中的每一个由具有用以匹配入射光的不同波长的不同带隙的不同半导体材料组成。通常，每个电池具有三结电池配置，在三结电池配置中三个子电池串联电连接。子电池也按光学序列放置，以使带隙最大的子电池位于顶部(面向太阳)，而其他子电池按带隙的宽度降序排列。因此，在顶部子电池中，仅具有最高能量的光子被吸收。具有较低能量的光子将传输到下面的子电池，依此类推。这样，多结太阳能电池将宽的太阳能光谱划分成多个波段，与单结情况相比，各个子电池可以更有效地使用每个波段。特别地，具有较高能量的光子比具有较低能量的光子贡献更大的光电压。多结太阳能电池需要隧道二极管，以将电流从一个子电池传递到另一个子电池。最先进的多结电池提供约40％的能量转换效率。

尽管与单结太阳能电池相比，这些多结太阳能电池的效率相对较高，但问题在于高制造复杂性和相关的生产成本。绕过高制造复杂性的一种方式是堆叠硅层。硅相对便宜且丰富，并且吸收太阳光线中的大量高能光子，这使其成为了常规太阳能电池的标准。然而，在三结太阳能电池中，成本将是常规硅太阳能电池的成本的三倍。

此外，常规的多结太阳能电池的设计并不实际，因为它需要阳光垂直地落在结构的表面上或需要使用反射器。

在太阳能电池中实现更高吸收率的另一种方式是使用可被调整以吸收太阳能的多个波长的单个连续材料。现有技术很难实现这一点，因为很难控制进行选择性掺杂。然而，使用垂直排列的碳纳米管已经实现了宽带吸收，尽管使用碳纳米管“森林”作为太阳能电池的挑战是尚非将吸收的太阳能转换成可用的电流的实用方式。

这些垂直排列的单壁碳纳米管的“森林”可以具有对从远紫外(200nm)到远红外(200μm)波长的吸收率。SWNT森林(巴克纸)通过超生长CVD方法生长到大约10μm高度。两个因素可以贡献于这些结构的强光吸收：(i)CNT手性和直径的分布导致各个CNT所针对的带隙不同(参见图1中的Kataura图)。由此形成针对宽带吸收的复合材料。(ii)由于多次反射，光线可能会被困在那些森林中。

在Kataura图中，随着纳米管直径的增加，电子跃迁的能量减少。图1示出了在SWCNT中的光吸收与在多结太阳能电池中堆叠的材料的带隙能量的对比，示出了具有不同直径的一系列SWCNT可以实现与在多结太阳能电池中发现的相同的带隙能量。

研究人员最近证明了半导体单壁碳纳米管(s-SWNT)用作薄膜光伏(TFPV)活性层中的组分的可行性。TFPV技术专注于使用适合低成本加工技术的材料生产高效的太阳能电池。

[参考文献3]Maogang Gong,Tejas A.Shastry,Yu Xie,Marco Bernard,DanielJasion,Kyle A.Luck,Tobin J.Marks,Jeffery C.Grossman,Shengiang Ren和MarkC.Hersam,Polychiral Semiconducting Carbon Nanotube-Fullerene Solar Cells,2014年6月23日，提出并实施了基于多手性碳纳米管的太阳能电池，来作为通往可溶液处理的光伏的一种途径，该光伏利用具有广泛的光谱吸收和高载流子迁移率以及热、化学和光学稳定性的组分。这种方法克服了阻碍TFPV活性层中使用s-SWNT的主要障碍，使当前记录性能转换效率高达3.1％，比以前的单手性s-SWNT几乎翻倍。然而，由于碳纳米管的长度以及反应只能在位于管的末端的边缘部位发生的事实，阻碍了将碳纳米管用作体异质结中的给电子材料。

这些溶液处理的TFPV基于由多手性半导体SWCNT和PC71BM富勒烯构成的活性层，该活性层与载流子选择性触点接触。该太阳能电池设计同时解决了许多先前SWCNT TFPV受限的问题，从而避免了传统的性能折衷。这些SWCNT分布的多手性和PC71BM富勒烯的较小光学间隙导致较宽的光学吸收。

秘密在于s-SWNT的手性，这是管直径和扭曲的结合。过去，研究人员倾向于选择一种具有良好半导体性能的特殊手性，然后用该手性来构建整个太阳能电池。问题在于每个纳米管手性仅吸收窄范围的光波长。如果用单手性碳纳米管制造太阳能电池，则基本上丢弃大部分太阳光。通过使用多手性s-SWNT的混合物，通过吸收更大范围的太阳能光谱，这使产生的光电流最大化。电池显著吸收了近红外波长，这是许多领先的薄膜技术所无法达到的范围。

研究团队现在正在致力于创建具有多个活性层的多手性SWCNT太阳能电池。每层将针对太阳能光谱的特定部分进行优化，从而吸收更多的光。这有可能将效率提高到15-20％，几乎与硅太阳能电池的效率相当。

这种方法的一大挑战是，通过增加更多层，研究人员最终将面临现有串联太阳能电池所面临的类似复杂性和高成本。附加层也将进一步增加膜的厚度，从而导致柔韧性降低。

现在，越来越多的研究团队认为，在理解与碳纳米管的光吸收特性有关的行为方面，已经忽略了重要的考虑因素。

[参考文献1]Saloome Motavas,Andre Ivanov,Alireza Nojeh,The curvatureof the nanotube sidewall and its effect on the electronic and opticalproperties of zigzag nanotubes,Computational and Theoretical Chemistry,1020(2013)32-37，指出在直径非常小(0.5nm–5.0nm)的碳纳米管中，由于碳纳米管表面碳键的弯曲而存在应变，如图2所示，导致了不同的键长度和键角度，分别如图3(a)和图3(b)图示。

这在石墨烯中得到了进一步证明。[参考文献2]A.J.Chaves,T.Frederico,O.Oliveira,W.de Paula,M.C.Santos,Optical conductivity of curved Graphene,Cornell University Library,2014年5月1日，从理论上预测了曲率对石墨烯片的影响，由此在平坦表面上产生了波纹，引入了局部曲率，并在那些最大曲率的区域呈现出光吸收峰。

仅在较小直径的碳纳米管中才会发生的变化的碳键角度和长度是碳纳米管的物理结构如何能改变材料中光吸收的很好的例子。碳-碳键角度和利用纳米管直径的能量吸收之间的这种相关性使用如图4所示的辅助垂直轴线来说明。

太阳能转换

常规的太阳能电池只能将太阳能光谱的一小部分有效地转化为电。低能光子(红外)没有被吸收，因为它们没有足够的能量来弥合制造太阳能电池的材料的带隙。相比之下，高能光子(紫外线)可以被吸收，但是在短短的几皮秒(10^-12秒)内，它们的大部分能量都转换为热量。这将最大效率限制为仅30％。

原则上，如果这种多余的热能可用于激发多个电子-空穴对，则效率可达到86％。这使电子发出红外光，然后可以将其转换为电或能量可以传递给相邻的电子。光到自由电子-空穴对的转换构成了光电检测和光伏领域的关键过程。该过程的效率取决于不同弛豫途径的竞争，当光激发载流子不会以热量形式损失能量而是通过载流子-载流子散射过程将其多余的能量传递到附加电子-空穴对的产生中时，该过程的效率会大大提高。

在常规的太阳能电池中，被吸收的光粒子通常仅激发一个电子，从而产生一个电子-空穴对。但是，可以利用同时激发不同纳米晶体中的两个或更多个电子来显著增加太阳能电池传递的电流。

[参考文献4]K.J.Tielrooij,J.C.W.Song,S.A.Jensen,A.Centeno,A.Pesquera,A.Zurutuza Elorza,M.Bonn,L.S.Levitov和F.H.L.Koppens,Photo-excitation cascadeand multiple hot-carrier generation in graphene,Nature Physics,卷9,2013年4月，表明石墨烯中的载流子-载流子散射非常有效，在宽广的光子波长范围内优于光子声子发射，并导致产生源自导带的二次热电子。这些二次电子获得能量(变热)，而在声子发射过程中，能量作为热量损失到晶格中。由于石墨烯中的热电子可以驱动电流，因此多种热载流子的产生使石墨烯成为将宽带光能高效地提取到电子自由度中的有前途的材料，从而使一种称为“热载流子太阳能电池”的太阳能电池成为可能，其中可以直接提取热载流子，以提供超过肖克利-奎伊瑟极限的效率。

据预测，在石墨烯中，二次热电子的数量与i)吸收的光子数量以及ii)单个光子能量的能量成线性比例，增加光子能量会导致弛豫级联期间电子-电子散射事件的数量增加，从而使载流子分布更热。预期波长400nm的高能光子将产生另外3个电子-空穴对。

尽管直接应用存在一些问题，例如石墨烯的低吸收性，但石墨烯在当前基于常规半导体的许多技术中仍具有引起根本变化的潜力。挑战是找到提取电流并增强石墨烯吸收的方式，以实现导致更高效的太阳能电池的石墨烯器件的设计。

解决这些挑战的主要设计因素是，如果吸收石墨烯结构之间存在温度梯度，则光诱导的高温载流子可以驱动称为光电热效应的热电流，这将为控制和利用纳米级能量流开辟新的前景。

对生成和冷却过程的控制将提供操纵石墨烯中能量流的方法，这是将其用作未来能源材料的关键。研究人员试图实现此目的的一种方式是通过掺杂石墨烯，因为已证明生成的载流子的数量对掺杂有很强的依赖性。这与石墨烯中的光学透明性相结合，表明器件中不同掺杂的石墨烯层可能提供一种在多结太阳能电池中建立宽带吸收的方法。但是，将再次面临与制造复杂性和生产成本有关的类似障碍。

石墨烯的高电子导电性、柔韧性和透明性使其可用于异质结太阳能电池，在异质结太阳能电池中，可以以多种不同方式来应用石墨烯，包括电极(阴极和阳极)、供体层、缓冲层、受体层和活性层。

发明内容

本发明的实施例提供了一种用于使碳原子的单个原子厚层中的太阳能吸收最大化的结构。

本发明的实施例使用卷起的石墨烯结构来更有效地捕获更大范围的光子能量。

本发明的实施例提供了一种使材料石墨烯中吸收的太阳能量到电流的转换最大化的方式。

本发明的实施例提供了一种通过移位各层以使其保持其单层性质来堆叠石墨烯的方式。

本发明的实施例提供了一种将石墨烯片悬浮在两个电极之间的方式。此特征提供了在片两面上同时访问正曲率和负曲率的潜力。

本发明的实施例提供了一种在设计体异质结太阳能电池时增加作为电子给体材料的反应位点的数量的方式。

在本说明书中，术语“光”将理解为包括红外光(称为红外–A，波长在700至1400nm之间)和紫外光(UVA，波长在315至400nm之间)以及可见光。

在本说明书中，术语“石墨烯”将理解为在二维六角形晶格中包含单层碳原子，其中一个原子形成每个顶点。

附图说明

图1示出了随半导体SWCNT直径变化的吸收光谱与多结太阳能电池的带隙能量的对比，示出了具有变化曲率的一系列SWCNT可以实现与在多结太阳能电池中发现的相同的带隙能量。

图2示出了由于碳键的曲率而存在应变，导致了不同的键角度和键长度。

图3(a)示出了对于锯齿形SWNT作为管直径的函数的归一化键长度的曲线图。

图3(b)示出了对于锯齿形SWNT作为管直径的函数的键角度α和β的曲线图。

图4示出了碳纳米管直径对能量分离和碳-碳键角度的曲线图，突出了与由表面张力引起的碳-碳键角度的相关性。

图5示出了典型的小尺寸单卷轴卷的示意图，其示出了由于旋转或扭曲而在卷的石墨烯层中实现的层偏移。

图6示出了多层单卷轴石墨烯卷的横截面图，其示出了尺寸。

图7(a)示出了作为距单卷轴石墨烯卷中心的距离(nm)的函数的归一化键长度的曲线图。

图7(b)示出了作为距单卷轴石墨烯卷中心的距离(nm)的函数的键角度α和β的曲线图。

图8示出了多层单卷轴石墨烯卷的横截面图，其示出了随着从卷的内芯到外围的碳原子的键角越来越大而存在曲率梯度。

图9示出了卷的每个表面层处的不同吸收能量，并且示出了每个层如何对穿过其的其余能量波长透明。

图10示出了石墨烯经由热载流子生成的光激发级联如何在单卷轴卷中建立光热电效应。

图11(a)示出了可以用单个石墨烯薄片实现的单卷轴卷拓扑。

图11(b)和图11(c)示出了可从单个石墨烯薄片获得的双螺旋卷。

图11(d)示出了可以通过单个连续的单层碳原子来实现的双卷轴“s”形卷拓扑。

图12示出了卷起之前的典型单层石墨烯薄片的表现形式。

图13呈现了一张表格，该表格示出了通过变化的石墨烯薄片尺寸可获得的典型卷尺寸。

图14示出了使用化学和微波辐射工艺来产生卷的方法一中涉及的步骤。

图15示出了使用化学和微波辐射工艺来产生卷的方法二中涉及的步骤。

图16示出了作为电子给体的单卷轴卷和作为电子受体的PCBM与聚合物混合物的油墨共混物，其在可溶液处理的薄膜光伏(TFPV)中用作能与载流子选择触点接触的活性层。

图17示出了所提出的电池配置。本电池的配置由单卷轴卷/聚合物共混物组成，作为夹在电子与空穴传输层(分别为ETL和HTL)以及载体选择的电触点之间的活性层。

图18示出了下一代太阳能电池架构，该架构利用双卷轴卷来作为夹在两个电触点之间的活性层。

具体实施方式

本公开提供了用于能量生成技术中的应用的碳基纳米结构。

太阳能吸收

本公开提供了具有宽带光吸收和转换性质的基于石墨烯的纳米结构。

图5示出了诸如用于提供单层结构的小尺寸单卷轴石墨烯卷的示意图。石墨烯片的曲率半径随着距卷的纵轴线的距离增加而增加。这例示了在卷的石墨烯层中实现的层偏移。卷的ABC分层防止卷形成石墨烯结构。取而代之的是，石墨烯片甚至以卷形式保持其单层结构。通过将层布置成ABC堆叠顺序，这显著增加了石墨烯卷在选定波长范围内吸收的太阳能的量。卷紧密缠绕，以使内芯尽可能小。

本发明的实施例利用存在于小直径(0.3nm内径-5.0nm外径)纳米卷中的紧密曲率。这种紧密曲率反映在碳-碳键角度和长度的变化中，其仅在外径小于5nm的碳纳米卷中变化。应当理解，卷可以具有任何数量的层，但是，理想的卷应该在其芯处最紧密地缠绕，紧密度朝着卷的外围由于张力减小而减小。实际上，内卷直径应与单壁碳纳米管(SWNT)的直径相似，约为0.3-0.5nm。当外卷直径为5nm时，这建立了由沿朝向卷的芯的表面的变化的碳-碳键角度和长度反映的曲率梯度。

图6示出了多层单卷轴碳卷的横截面视图，其示出了尺寸。理想卷应具有约0.3nm的内径(Di)和大致5nm的外径(Do)。石墨烯片的厚度(T)为0.335nm，层间间隔(S)为0.34nm。

与掺杂不同材料以调节其能带隙以匹配太阳能光谱的不同区域的多结太阳能电池不同，本发明利用了紧密卷起的单纳米结构中存在的变化的碳-碳键角度和长度。由于碳键的弯曲导致键长度和键角度不同，如分别在图7(a)和图7(b)中图示的，由非常小的直径(<5.0nm)层组成的碳纳米卷预计会在碳原子中显示出与小直径碳纳米管中发现相似的应变。图8示出了多层单卷轴碳卷的横截面图，其示出了随着从卷的内芯到外围的碳原子的键角越来越大而存在曲率梯度。

石墨烯卷片的一个重要方面是：由于两层中碳原子的偏移，层有效地解耦并独立发挥作用。此特征提供了在片两面都能访问正曲率和负曲率的潜力。碳纳米卷有效地提供了悬浮石墨烯片的方式。

本发明的实施例通过利用将层堆叠在单个卷起的石墨烯片中从而允许从入射在卷表面上的任何角度吸收光的方式而更有效地捕获更大范围的光子能量。顶层吸收较低能量光子，同时透射较高能量光子，然后被卷的较低层吸收。整个卷上任何点处的吸收带宽与该点处的碳-碳键角度和碳-碳键长度直接相关。图9示出了在卷的每层处的不同吸收能量，并且示出了每层如何对穿过它的其余能量波长透明。低能红外波长在外层1上被吸收，其中表面碳原子具有120°的碳-碳键角，而高能紫外波长透视通过卷的层到达层4，其中碳原子具有110°的碳-碳键角。所有可见波长在层2-3中被吸收。

卷的附加圈形成较大的直径，并对应于在近红外到中红外范围内更多吸收较低能量光子的潜力。这反映在图1的Kataura图中，通过扩展SWCNT的直径范围以覆盖更大的直径。这是有利的，因为它提供了24小时能量吸收的可能性，即，包括在没有阳光的情况下的夜间能量吸收。

卷的一些实施例包括彼此叠置的石墨烯层，以使边缘对齐。在其他实施方式中，片以任何手性对角地卷起。卷起的石墨烯片的手性是关键考虑因素，因为手性是吸收不同能量波长的重要因素。因此，以不同的手性角对角地卷起提供了用于多带宽太阳能吸收的结构的替代实施例。

太阳能转换

沿碳纳米卷表面的每个点吸收不同的光带宽。有效地，卷的每层串联电连接。这些层也是光学系列的，使得在太阳能光谱的红外范围内吸收的层1在顶部(面向太阳)，而其他层按顺序以与上升的光子能量吸收相匹配。因此，在顶层1中，仅具有最低能量的光子被吸收。具有较高能量的光子传输到下面的层2，依此类推。通过这种方式，碳卷将宽广的太阳能光谱分成多个波段，与平的石墨烯片相比，每个波段都可以被单独的层更有效地吸收。特别地，具有较高能量的光子比具有较低能量的光子贡献更大的光电压。

图10示出了图9中讨论的光子吸收如何能够围绕卷从最内层4到外围层1产生热电效应。当卷吸收光子时，材料中的电子加热并保持热，同时分隔各层的底层碳晶格保持凉爽。激发的石墨烯中的电子不易冷却，因为它们与碳晶格耦合不佳，因此无法将热量传递给碳晶格。因此，热量必须围绕卷起的层从一个电子转移到另一个电子，而不是通过它们传递。

据预测，在碳纳米卷中，二次热电子的数量将与i)吸收的光子数量以及ii)单个光子能量的能量成线性比例。增加光子能量会导致弛豫级联期间电子-电子散射事件的数量增加，从而使载流子分布更热。预期波长400nm的高能光子将产生另外3个电子-空穴对，600nm波长将产生2个另外电子-空穴对，而800nm波长将产生1个另外电子-空穴对。由于本发明中体现的卷被设计成在结构的芯处吸收更高能量的光子并且在芯处是紧密的，因此期望这将建立光级联效应，从而朝着卷的外围层驱动电流。

设备将光能转换成电信号的能力还使该设备可以用作光电探测器，其灵敏度取决于卷的尺寸跨光频率的范围。

本发明可以用卷起的石墨烯的不同拓扑来实现，同时保持紧密的曲率以覆盖用于宽带光吸收的碳-碳键角度和碳-碳键长度的所有变化。图11(a)示出了可以用石墨烯的单个薄片实现的典型的单卷轴卷拓扑。图11(b)和图11(c)示出了可从单个石墨烯薄片获得的双螺旋卷。图11(d)示出了双卷轴“s”形卷拓扑。

制备石墨烯纳米卷

可以以任何合适的方式来制造石墨烯纳米卷。现在将描述可重复和可再现的制备方法。

据报道，仅一层厚度且相对无缺陷和污染的石墨烯样品与不符合这些标准的石墨烯样品相比更有可能卷曲。另外，与参差不齐或较短的边缘相比，石墨烯显示出沿长的平滑边缘卷起的趋势。由于这些原因，用于制备石墨烯纳米卷的石墨烯具有界限清晰的形状并且没有污染和缺陷是有利的。

图6示出了确定石墨烯薄片的横向大小所需的卷起石墨烯单层的特定尺寸。这些尺寸包括固定为0.3nm的卷的内径(Di)，固定为0.34nm的石墨烯层的厚度(W)，以及固定为0.34nm的层间间隙(S)。

图12示出了在卷起之前的典型单层石墨烯薄片的表现形式，其示出了产生机械稳定的石墨烯纳米卷所需的横向尺寸范围。所示的薄片具有规则的尺寸，但可能潜在地具有任何形状。

薄片的长度(L)可以使用公式L＝πn(Di+(W+S)(n-1))估算。外径(Do)可以使用公式Do＝2nW+2(n-1)S+Di计算。

图13以表格形式列出了卷的层数(n)、外径(Do)和石墨烯薄片的横向长度(L)的可变参数。为了在碳纳米卷中获得机械稳定性，石墨烯薄片的长度应不小于25nm。从表中可以看出，涵盖所有碳-碳键角度和长度变化的卷的最佳长度为29.4nm，这将提供具有4层且外径约为5nm的紧密卷起结构。在此卷中，各层将尽可能紧密地堆叠在彼此之上，并在卷中心具有最小的空间。这还将提供更大的机械稳定性。

重要的是，由于在卷中可能实现的热电梯度，热载流子倍增效应很可能潜在地驱动具有更多层和更大外径的卷中的电流。

自上而下的方法：化学剥落/超声处理和微波辐射

Xu Xie等人(Nature Chemistry卷7，2016年9月，730-736页)之前实现了对石墨烯的单独处理以形成石墨烯纳米卷，其中用异丙醇溶液卷起在SiO₂/Si衬底上预定的单层石墨烯。如果使用此技术可以在横向长度小于100nm的石墨烯薄片上实现紧密卷起，那么这对于单个生产石墨烯纳米卷将是理想的选择，因为可以在衬底上就地直接对石墨烯纳米卷进行表征。但是，这种技术不太可能产生紧密卷起，而是会导致石墨烯片的松散卷曲，因为XuXie等人的论文指出，他们的石墨烯纳米卷具有空心核和40多层，暗示它们是由明显更大的片形成。还据信在Viculis等人(Science卷299，2003年2月28日，1361页)进行的实验中用作溶剂的乙醇也可能是导致这些石墨烯片卷起的原因。

为了在石墨烯片中实现紧密卷起，我们可以看看将异丙醇放在石墨烯片的一侧引起卷起的原因。类似于Bacon最初的实验，其中在石墨电极的表面上发现了卷起结构，据信由于石墨烯片任一侧的化学/温度不平衡，石墨烯会向上卷起减小其表面积。为了通过这种机制实现更紧密卷起，我们可以找到一种控制它的方式，即，使石墨烯片任一侧的差异更大，以便石墨烯不断尝试减小其表面积。这可以通过大的温差来实现，正如Zheng等人(Adv.Matter.2011,23,2460-2463)所展示的，其中在液氮中利用微波火花辅助产生了高质量的石墨烯纳米卷，因为微波通过时不会被液氮吸收。有效地，石墨结构内的石墨烯平面通过微波吸收而膨胀，同时冷却与液氮接触的两个表面(石墨的顶部和底部)。这导致石墨烯片卷曲成更紧密卷起的结构。这种机制可能对双层石墨烯样品甚至更有效，因为两个石墨烯平面的侧面都将不平衡，一侧面向另一层石墨烯，而另一侧暴露于液氮。

一旦在液氮中以卷起形式存在，则有可能进一步降低液氮的温度，然后以低功率对已经形成的碳纳米卷进行微波以刺激进一步的紧缩。液氮不吸收微波。为了理解这一点，我们需要考虑将碳纳米卷浸入-273摄氏度(0开尔文)的液氮中，然后使低微波通过石墨烯。石墨烯卷的内部分层将导致石墨烯膨胀。石墨烯纳米卷的最外层和最内层将同时被冷却，并导致进一步向内卷起，以减少其表面暴露于液氮，从而导致更紧密卷起。

基于先前讨论的背景，很可能可以采用化学剥离/超声处理和微波辐照技术的组合来实现小尺寸石墨烯片的紧密卷起。以下两种方法提供了使用双层石墨烯实现此目的的步骤。

图14示出了使用化学和微波辐射工艺来产生卷的方法一中涉及的步骤。方法一使用Zheng等人的微波辐射实验产生卷，这实际上是利用短高功率的微波诱导双层分离和同时卷起。

图15示出了使用化学和微波辐射工艺来产生卷的方法二中涉及的步骤。方法二使用二级石墨插层化合物(GIC₂)来产生双层石墨烯片，可将其与Viculus等人的实验结合使用以产生松散卷起的石墨烯纳米卷。最后一步是在液氮中对松散卷起的结构进行微波以收紧卷。应该注意的是，对于两种方法，插层中使用的离子液体也能够吸收微波。还应注意，Viculus实验使用钾(KC₂₄)在每个平面之间插入石墨。KC₄₈也是可以考虑的二级石墨插层化合物，尽管在微波和表征之前需要彻底清洗。

应用

体异质结有机太阳能油墨

有机太阳能电池是可印刷的、便携式的、可穿戴的、一次性的、生物相容的并且可附接到弯曲的表面，并利用体异质结作为活性层。这些体异质结油墨基于电子给体和电子接受元素的混合物。图16示出了作为电子给体的碳纳米卷5和作为电子受体的PCBM/聚合物6的墨水共混物，其在可溶液处理的薄膜光伏(TFPV)中用作活性层，该活性层能与载流子选择触点接触，用于有效的电荷载流子分离7。由于在卷末端和沿外层的大量边缘反应位点，碳纳米卷比在体异质结中将SWNT用作电子给体具有明显优势。

薄膜光伏(TFPV)技术专注于使用适合低成本加工技术的材料生产高效的太阳能电池。本发明提出实现基于碳纳米卷的太阳能电池，作为通往可溶液处理的光伏的途径，该光伏利用具有宽光谱吸收和高载流子迁移率以及热、化学和光学稳定性的组分。

图17示出了所提出的电池配置。本电池的配置由卷起的石墨烯卷/PCBM-聚合物共混物组成，作为夹在电子与空穴传输层9和11(分别为ETL和HTL)以及电触点8与12之间的活性层10。

图18示出了下一代太阳能电池架构，该架构利用双卷轴石墨烯卷来作为夹在两个电触点13与15之间的活性层12。

Claims (13)

1.一种用于检测或转换光能或热能的设备，所述设备包括：

石墨烯片，形成卷以提供单层结构，在该单层结构中，所述石墨烯片的曲率半径随着距所述卷的纵轴线的距离增加而增加。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述卷具有0.3至0.5nm的内径。

3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述卷具有小于或等于5nm的内径。

4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述卷具有单层。

5.根据权利要求1-3中的任一项所述的设备，其中，所述卷具有多个层。

6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述卷的边缘在各层之间对准。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的设备，其中，所述石墨烯片以手性对角地卷起。

8.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，用于制备所述卷的石墨烯具有界限清晰的形状并且没有污染和缺陷。

9.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，在制备所述卷中使用的石墨烯薄片的长度为至少25nm。

10.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述设备包括多个卷。

11.一种体异质结有机太阳能油墨，包括根据前述权利要求中任一项所述的卷。

12.根据前述权利要求中任一项所述的设备，包括一个或多个石墨烯卷，作为夹在电子和空穴传输层之间的活性层。

13.根据权利要求1-10中任一项所述的设备，包括一个或多个石墨烯卷，作为夹在两个电触点之间的活性层。

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