文献综述
摘要
氮化碳材料由美国哈佛大学，于1993年7月，第一次制成。氮化碳一直被广泛研究其在光催化领域的前景，因为化学和热稳定性，不依赖于复杂的器件制造等优点[1]。但也有团队对其在太阳能电池方面的前景做了相应研究，得出的结论是其可以作为太阳能电池吸收材料和光伏材料的潜在候选材料，但其在可见光范围内的低光电转换效率限制了其应用[2]。
关键词：氮化碳；太阳能电池；
内容
1、关于二维材料
纳米材料是指某一维、二维或三维方向的尺度达到纳米量级(1~100 nm)的材料，具有表面与界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等特性，在一定条件下呈现出特殊性能，可作为吸波、超导、发光、催化、半导体等多种功能材料。纳米材料按维度又可分为一维、二维和三维纳米材料，其中二维纳米材料(简称“二维材料”)是电子仅可在两个维度上自由运动的材料，横向尺寸很大，而厚度方向仅有一个或几个原子层厚度[3]。2004 年，Geim [4]等用胶带从石墨上机械剥离得到仅一个原子层厚度的石墨烯，因独特的电子、物理、化学性能迅速带动了二维材料的研究，如六方氮化硼(h-BN)、石墨型氮化碳(g-C3N4). 正是因为这些特性，二维材料被广泛地应用于各个方面，比如应用于柔性电子器件的TMDs(如 MoS2、WS2、MoS2、WSe2、ZrS2)，用于电池中的石墨烯等。
2.1、 氮化碳的晶体结构
20世纪80年代末, 美国伯克利大学物理系教授A.Y. Liu和M.L. Cohen[5].[6]根据beta;-Si3N4的晶体结构, 用C替换Si, 采用第一性原理赝势能带法（利用LDA泛函），从理论上预言了beta;-C3N4这种自然界不存在的新化合物。在此基础上, 1996 年Teter 和 Hemley[7]采用第一性原理对C3N4进行重新计算, 提出 C3N4具有 5 种结构, 即alpha;相、beta;相、c 相(立方相)、p相(准立方)和g相(石墨相). 在这些同素异形体中, 前四种都是超硬材料, 具有比金刚石更高的化学惰性和热稳定性, 而g-C3N4则是软质相, 在常温常压下最稳定。g-C3N4可能存在以三嗪环(C3N3)为结构单元的g1-C3N4(属于R3m空间群)和以七嗪环(C6N7)为结构单元的 g2-C3N4(属于P6m2 空间群). 在这两种同素异形体中, 由于结构中氮孔大小的差异导致电子结构的不同, 理论上Kroke[8]等认为g2-C3N4更稳定, 其热力学能量比 g1-C3N4低约 30但在实际反应中, g-C3N4的结构与原料的选择和制备方法的采用密切相关.
2.2、氮化碳在光催化领域的应用
自福州大学王心晨教授团队[1]开辟了氮化碳材料在光催化领域的研究，越来越多的人将目光投入到这方面来。王教授团队借助态泛函理论详细研究了其半导体能带结构, 发现其最高已占据轨道(HOMO)由Npz轨道组成, 最低未占据轨道(LUMO)由Cpz组成, 它们之间存在2.6 eV的禁带宽度, 可以吸收太阳光谱中波长小于475 nm蓝紫光。而且光激发导致导带中的电子和价带中的空穴之间的空间电荷分离，这表明氮原子是H2O生成O2的首选氧化位点，而碳原子为H 还原H2提供了还原位点。经计算H 的还原电平很好地位于带隙的中间。这就确定了还原过程在能量上是可能的。但王教授团队测试了g-C3N4的产氢效率，发现效率非常低，即使使用铂改性的C3N4催化剂其效率仍然很低（在420-460nm的辐照下约为0.1%）。为了解决这一难题，王教授团队尝试使用介孔g-C3N4的材料[9]，因介孔g-C3N4（mpg-C3N4）具有独特的半导体性质，具有开放的晶体孔壁和大的表面积，便于传质，原则上可以增强材料的集光能力，但也可以预期其光化学性质与大块材料不同。实验发现，在可见光（gt;420 nm）下每隔5小时进行一次25小时的间歇抽空实验，反应25h后，转化率大于6.5。后来其他团队也纷纷报道了各种针对氮化碳的改性方案。
2.3、氮化碳在太阳能电池领域的应用
目前，关于氮化碳在太阳能电池方面的应用鲜有报道。但最近有一篇报道指出，g-C3N4可能具有光伏产业的发展前景。该研究报道了碳氮化物固体光电流的产生[2]，且认为g-C3N4产生的光电流主要是由激子产生的。在测试中，利用标准光电化学电池结构（420nm时IPCE约为3%），在可见光（lgt;420nm，150w氙灯）下获得的最大光电流高达150 ，而且作者团队在二元纳米结构薄膜中加入二氧化钛和PEDOT，不仅得出了g-C3N4是双极性的观点，而且还增加了3倍的激子离解和耦合光电流。此外，g-C3N4还可以通过参杂不同的化学元素，来改变其能带间隙，以适应不同的需求。后来有作者在其研究中尝试利用g-C3N4制作了太阳能电池[10]，作者团队制备了在DMF溶剂中分散性良好的石墨相氮化碳量子点,用其修饰ZnO薄膜作为电子传输层应用于反型体相异质结太阳能电池中。能量转换效率分别达到4.23%，6.36%和9.18%，相对于未掺杂的参比电池器件分别提升了约17.5%，11.6%和11.8%。这以结论的主要原因是：1）活性层薄膜粗糙度的增加改善了活性层与空穴传输层的界面接触；2）有利于光生电子从聚合物给体向富勒烯受体的有效转移；3）活性层导电性的改善；4）空穴与电子传输能力的改善。
3、总结
与传统的块体材料相比，二维材料由于其表面大等特点，在光伏材料/太阳能电池吸收材料中具有固有的优势。石墨相的C3N4作为二维材料的一种，在光催化领域有着诱人的前景，吸引着许多研究学者对其进行各种改性以适应各种需求。而由光催化引申而出的对g-C3N4作为光伏材料的研究，也向我们展现了g-C3N4作为太阳能电池吸收材料的可能性，但由于其局限的吸收光谱导致光电转化效率较低，所以如何拓展g-C3N4的吸收光谱，将是推进g-C3N4作为太阳能电池材料应用的一个重大研究方向。
参考文献
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资料编号：[248427]
