基于光伏特性的碳納米管光電性質研究.pdf

1、單壁碳納米管（Single walled carbon nanotubes，SWNTs）的電子結構，在碳納米管(CNTs)作為新納米電子器件的基本單元時，成為主要的理論基礎。即對于包括光伏電池的電子器件而言，碳納米管的能帶結構是一個至關重要的因素。所以，碳納米管的電子結構和禁帶寬度成為目前凝聚態(tài)物理和碳納米材料的研究前沿。具體地，對于碳納米管在光伏領域中的研究目前處于試驗階段，碳納米管的光伏應用仍需要研究者進行大量的工作以促進其發(fā)展。<

2、br>　　目前，人們已經對某些特殊的單壁碳納米管的電學、光學性能通過對其能帶結構和禁帶寬度的理論計算進行了預測。然而，無論是從凝聚態(tài)理論出發(fā)來研究碳納米管的能帶結構，還是利用有限元方法計算其電特性，除了針對孤立的單根碳管來說，在宏觀尺度下對碳管束研究少之又少。由于在現(xiàn)實中很難實現(xiàn)單根碳管的加工，所以在實際器件中較多采用薄膜結構來實現(xiàn)其優(yōu)異的性能。
　　本文在已有研究結論的基礎上，針對緊束縛理論的不足，將碳納米管的結構更加細化后，利

3、用基于廣義梯度近似(GGA)的第一性原理的CASTEP(CambridgeSequential Total Energy Package)模塊，以PBE(Perdew, Burke and Emzerhof)為交換關聯(lián)函數，并采用超軟贗勢處理碳原子，通過迭代模擬計算了不同結構的單壁碳納米管(7，0)、(8，0)、(9，0)、(10，0)、(11，0)、(12,0)(13，0)、(5，1)、(4，2)、(4.3)的能帶結構、介電函數及功函

4、數。經計算發(fā)現(xiàn)，碳納米管禁帶寬度大小并非嚴格地反比于碳納米管直徑;在不同方向的極化電場下，碳納米管表現(xiàn)為各向異性，介電函數虛部在極化電場平行碳管時大于垂直情況，并且所有碳管的光學吸收峰主要出現(xiàn)在吸收區(qū)200～2000nm;得到不同結構參數的功函數，發(fā)現(xiàn)不同直徑的功函數值大小不同，但均分布在4.3～5.0eV之間。
　　此外，利用第一性原理得到的碳納米管的光學常數，采用基于有限元分析方法的模擬仿真Comsol_Multiphysic

5、s軟件中的高頻電磁波模塊。通過求解麥克斯韋方程組模擬研究了不同直徑、不同結構參數的碳納米管束在不同間距下與電磁波的相互作用。計算時，通過調節(jié)入射電磁波波長，研究(8，0)、(10，0)、(11，0)、(5，1)、(4，2)、(4，3)幾種不同結構的碳納米管束在THz頻率范圍內對不同波長電磁功率的吸收。發(fā)現(xiàn)不同結構的碳納米管，單位面積的光吸收功率隨著直徑的增大先增大后減小，并且在某一直徑下達到最大值;另外，改變碳納米管束的間距，發(fā)現(xiàn)碳納米

6、管束的吸收功率隨著間距的增大呈線性減小。最后，結合太陽光電磁能量隨波長的分布情況，計算了不同結構碳納米管束(8，0)、(10，0)、(11，0)、(5，1)、(4，2)、(4，3)在200～1000nm波長下的光電轉換效率，分別為34.07％、33.4％、37.26％、31、49％、31.38％、32.28％，計算結果表明不同結構的碳納米管，其光伏性能不同。結合太陽光的電磁能量輻射分布，禁帶寬度最大的碳納米管(11，0)在整個太陽光輻射