石墨烯独特的六方蜂巢状二维晶体结构使其具有优异电学和光学性质。石墨烯是能隙为零的半导体，电子有效质量为零，电子迁移率高达2×105 cm2/V·s，电导率达106 S/m。石墨烯在可见光和近红外波段高度透明，透过率高达97.7%，因此，本文采用石墨烯是作为电极材料，替代昂贵的ITO和FTO等传统电极材料，应用在碲化镉(CdTe)、染料敏化(DSC)太阳电池上。此外，石墨烯还可与磷酸铁锂等正极材料复合，提高锂离子电池的高倍率的电化学性能和循环稳定性。具体的研究内容如下：
(1)发展出大面积和低成本石墨烯薄膜的CVD制备方法，同时高质量的石墨烯透明导电薄膜可以作为前电极应用到CdTe太阳电池上。通过控制氢气流量可调控CVD石墨薄膜的层数、光学透光性和电导率。石墨烯薄膜表现出极高的电子迁移率(～600 cm2/V·s)，优于传统的透明导电薄膜。另外，石墨烯薄膜在透过率为95.1%(550 nm)时，方块电阻为1150Ω/sq；在薄膜透过率为82.7%时，方块电阻为220Ω/sq。此外，制备了基于石墨烯薄膜新型{glass｜ graphene｜ Zno｜CdS｜ CdTe｜ back contact}结构的CdTe太阳电池，电池效率为4.17%。
(2)采用CVD法在泡沫镍衬底上生长出高质量三维石墨烯网络，石墨烯层数可通过改变反应气流量比例和生长时间进行调控。这种由三维石墨烯网络结构自组装成的石墨烯薄膜具有优异的电学性质，其方块电阻低于0.45Ω/sq，电导率高达600 S/cm，优于目前报道的石墨烯和碳纳米管薄膜的电学性质。高导电的石墨烯薄膜可用作背电极提高CdTe太阳电池的光电转换效率(9.1%)。此外，采用一维单晶铜纳米线与石墨烯复合，铜纳米线在石墨烯表面提供大量的电学传输路线，可作为CdTe太阳电池的背电极显著提高CdTe太阳电池的空穴收集能力，电池效率为12.1%，高于采用传统的铜颗粒掺杂石墨(10.5%)和铜薄膜(9.1%)背电极材料的电池效率。
(3)采用一种新颖的基于CVD表面催化机制和沉淀析出机制相结合的两步生长工序，在铜衬底上制备出双层六方石墨烯单晶畴。在1080℃反应温度下，裂解的碳原子溶解到准熔的铜金属内部，在降温过程中，碳在其表面析出形成单层石墨烯形核点。同时，单层石墨烯作为模板诱导碳原子沉积，最终形成六方双层石墨烯单晶畴。获得的石墨烯单晶畴尺寸可通过生长条件进行调控，双层石墨烯产率大于90%，石墨烯单晶畴尺寸大于100μm，大于文献报道。
(4)采用CVD法直接在SiO2绝缘衬底上生长少数层石墨烯薄膜，该石墨烯薄膜可用作DSC太阳电池的对电极。通过改变生长温度、生长时间和反应气流量比例调控石墨烯薄膜的层数和晶粒尺寸。生长的石墨烯薄膜具有优异的电学性能，其方块电阻小于63.0Ω/sq，电子迁移率高达201.4 cm2/V·s。高导电的石墨烯薄膜作为DSC太阳电池的对电极，电池效率为4.25%，与FTO对电极相当(4.32%)，表明了在绝缘衬底上直接生长石墨烯薄膜在光伏和光电领域上的极大应用潜力。
(5)利用CVD和Wurtz-type反应工序，开发出两种宏量制备高质量石墨烯方法，获得的石墨烯可用于修饰磷酸铁锂(LFP)正极材料，提高LFP正极材料的电化学性能。平面可弯曲的石墨烯片支撑LFP纳米颗粒，形成三维导电通道，显著降低LFP纳米颗粒间的接触电阻，大幅提高LFP正极材料的电导率和电化学性能。特别是添加高导电的CVD石墨烯对于增强LFP的高倍率容量和循环稳定性具有更明显的效果。在1C和20C充放电倍率下，电池容量分别为132 mAhg-1和80 mAh g-1，经过100次循环后，电池容量衰减仅为3.1%和6.5%。表明了石墨烯修饰LFP有可能成为高性能锂离子电池最有前途的正极材料。
关键词：石墨烯 化学气相沉积 锂离子电池 电化学性能 循环稳定性
