石墨烯/半导体肖特基结太阳能电池

【摘要】：光伏发电技术是解决能源危机和环境污染的最有效途径之一,能够满足人们日益增长的用电需求。在传统的硅基太阳能电池上人们已经展开了大量的研究,但是因为工艺复杂及加工温度高,硅基电池制造成本一直居高不下,难以与常规能源相抗衡。为了缩减太阳能电池制造成本,研究低成本、高效率的电池能够给光伏发电技术带来更大的竞争力。采用透明导电的石墨烯薄膜来制备太阳能电池被认为新一代制备低成本、高效率的电池技术。因此,围绕石墨烯与半导体结合的肖特基结太阳能电池,本文研究了化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition, CVD)制备的石墨烯与砷化镓(Gr/GaAs)结合的肖特基结太阳能电池基本性能及其性能改善、还原氧化石墨烯薄膜(reduced graphene oxide, r-GO)的光电性能及其与硅结合的太阳能电池(r-GO/Si)性能,得到以下结果：(1)通过对GaAs背面电极热处理、设计电极结构及钝化砷化镓前表面等三个优化步骤能够将电池效率逐步提高。电极热处理能降低电池的串联电阻,增大填充因子,CVD-Gr/GaAs电池效率从1.20%提升至2.03%。采用更优结构的电极能进一步降低接触电阻,使电池效率从2.03%提升至4.23%。采用Na2S钝化GaAs能够减小电池表面复合的程度,使电池的开路电压、填充因子得到了提升,最终得到的电池转换效率从4.23%提升至6.64%。(2)在Gr/GaAs肖特基结中插入聚-3己基噻吩(poly (3-hexylthiophene), P3HT)作为空穴传输层,电池的性能显著增强,这与石墨烯和砷化镓之间的势垒增大、表面载流子复合减少有关。通过优化P3HT传输层厚度,发现P3HT层太薄以致砷化镓表面难以完全覆盖、电池性能较低,当P3HT厚度太厚,P3HT层光吸收显著和体内载流子复合严重,电池性能恶化,最终P3HT的最优厚度为10 nm,使得电池的最优转化效率为6.84%。继续采用双三氟甲烷磺酰胺(bis(trifluoromethanesulfonyl)-amide,TFSA) [(CF3SO2)2NH]对石墨烯进行掺杂及Ti02作为减反射薄膜,电池性能能够得到进一步的提升,最终得到的电池光电转换效率为13.7%,这是基于Gr/GaAs电池目前达到的最高的转换效率。(3)通过热还原氧化石墨烯薄膜而得到光电性能优异的r-GO薄膜,并将其成功应用于石墨烯-硅肖特基结太阳能电池。制备薄膜过程中通过改变还原温度、调节薄膜厚度来改变薄膜光电性能,在相同的薄膜厚度情况下,还原温度越高,r-GO薄膜的还原程度越高、导电性及透光性越好。同一温度下还原薄膜,薄膜的厚度为28nm时,透光性及导电性达到平衡使得薄膜达到最优的光电性能。将通过改变还原条件制备的薄膜应用在r-GO/Si电池上,最终采用28 nm的r-GO薄膜制备电池所得到的电池光电转换效率达3.36%,这一转换效率是目前基于r-GO/Si体系中的最高效率。以上结果表明基于石墨烯/半导体肖特基结太阳能电池在未来低成本、高效率的太阳能制造技术中展现出了巨大的潜力。 【关键词】：石墨烯 肖特基结 太阳能电池 还原氧化石墨烯
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-14
• 第二章 文献综述14-28
• 2.1 太阳能电池14-17
• 2.2 石墨烯的合成17-20
• 2.3 石墨烯/半导体太阳能电池简介20-26
• 2.4 本文研究问题的提出26-28
• 第三章 实验方法28-36
• 3.1 实验方案28-29
• 3.1.1 Gr/GaAs电池的电极优化及表面钝化工艺28
• 3.1.2 P3HT作为空穴传输层对Gr/GaAs太阳能电池的影响28
• 3.1.3 r-GO薄膜光电学性能优化及r-GO/Si异质结电池的制备28-29
• 3.2 实验设备及测试仪器29-34
• 3.2.1 石墨烯化学气相生长系统29
• 3.2.2 热蒸发镀膜系统29-30
• 3.2.3 直流反应磁控溅射系统30
• 3.2.4 扫描电子显微镜30
• 3.2.5 X射线光电子能谱仪30-31
• 3.2.6 拉曼光谱仪31-32
• 3.2.7 四探针测试仪32
• 3.2.8 电流-电压特性曲线测试系统32
• 3.2.9 量子效率测试系统32-33
• 3.2.10 原子力显微镜33
• 3.2.11 透射电子显微镜33
• 3.2.12 其他设备33-34
• 3.3 CVD石墨烯的制备与转移34-36
• 第四章 Gr/GaAs肖特基结太阳能电池36-48
• 摘要36
• 4.1 引言36
• 4.2 实验步骤36-38
• 4.2.1 石墨烯薄膜生长及转移36-37
• 4.2.2 砷化镓背电极热退火及电池制备37
• 4.2.3 砷化镓不同背电极及电池制备37
• 4.2.4 表面钝化对电池性能的影响37-38
• 4.2.5 材料及器件表征38
• 4.3 结果与讨论38-46
• 4.3.1 石墨烯性能表征38-40
• 4.3.2 背电极的热处理对电池性能的影响40-41
• 4.3.3 背接触电极的选取41-45
• 4.3.4 表面钝化对电池性能的影响45-46
• 4.4 本章小结46-48
• 第五章 P3HT作为空穴传输层对Gr/GaAs肖特基太阳能电池的影响48-64
• 摘要48
• 5.1 引言48-49
• 5.2 实验步骤49-50
• 5.2.1 石墨烯薄膜生长及转移49
• 5.2.2 二氧化钛溶胶的合成49
• 5.2.3 电池器件组装49-50
• 5.2.4 材料及器件表征50
• 5.3 结果与讨论50-61
• 5.3.1 材料性能表征50-52
• 5.3.2 P3HT层对Gr/GaAs电池性能影响52-55
• 5.3.3 P3HT层厚度优化55-57
• 5.3.4 TFSA掺杂及TiO_2减反射薄膜对电池性能的影响57-61
• 5.4 本章小结61-64
• 第六章 还原石墨烯薄膜/硅肖特基结太阳能电池64-78
• 摘要64
• 6.1 引言64-65
• 6.2 实验步骤65-66
• 6.2.1 还原石墨烯薄膜的合成与表征65-66
• 6.2.2 太阳能电池组装及测试66
• 6.3 结果与讨论66-76
• 6.3.1 还原石墨烯薄膜的微观形貌表征66-68
• 6.3.2 还原石墨烯薄膜的元素组成及结构表征68-70
• 6.3.3 还原温度及薄膜厚度对还原石墨烯薄膜的光电性能影响70-72
• 6.3.4 还原温度及薄膜厚度对r-GO/Si电池性能影响72-75
• 6.3.5 r-GO/Si与GO/Si、CVD-Gr/Si电池性能对比75-76
• 6.4 本章小结76-78
• 第七章 全文总结78-80
• 参考文献80-86
• 致谢86-88
• 个人简介88-90
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文与取得的其他研究成果90

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