基于石墨烯与硅纳米结构高性能光伏器件的构造与光电性能研究

【摘要】：石墨烯具有优异的光学及电学特性，在未来光电子器件透明电极领域有广阔的应用前景。硅纳米结构尤其是垂直排列的硅纳米阵列结构具有优异的陷光能力和电荷传输能力，在新一代高性能太阳能电池领域吸引了人们广泛的研究兴趣。制备稳定低成本高转换效率的石墨烯/硅光伏器件是当前的研究热点与前沿方向。 本文主要对基于石墨烯与硅纳米结构的高性能光伏器件的构造与光电性能展开系统研究。通过制备高质量石墨烯与多种具有优异陷光能力的硅纳米（微米）阵列结构，对硅纳米（微米）阵列结构进行表面钝化、对石墨烯进行修饰掺杂、以及引入电子阻挡层等手段构筑了高性能石墨烯/硅光伏器件。此外，还构筑了基于硅纳米线阵列的异质结器件并对其光伏和光电响应特性进行了研究。主要的研究结果如下： 1）采用化学气相沉积法（CVD）合成出高质量的石墨烯，利用HNO3、AuCl3等对石墨烯进行掺杂，结合对石墨烯层数的控制，实现其导电性和功函数的调控；利用CVD、金属辅助化学刻蚀法及反应离子刻蚀等方法成功制备硅纳米线和多种具有优异陷光能力的硅纳米（微米）阵列结构。采用甲基和Pt纳米颗粒修饰对硅表面进行钝化，有效的降低其表面载流子复合速率。 2）制备了单层石墨烯/硅纳米线阵列光伏器件，研究了器件结构与器件性能的关系，采用石墨烯分散液填充硅纳米线间隙将器件能量转换效率提升至2.15%；构建了单层石墨烯纳米带/多根硅纳米线光伏器件，研究了纳米线掺杂浓度与器件光伏性能的关系，纳米线掺杂浓度最高时器件能量转换效率达1.47%。 3）提出采用硅纳米孔阵列以增加石墨烯与硅的有效结区面积，系统的研究了硅表面钝化、石墨烯层数、HNO3掺杂时间等因素对器件光伏性能的影响。通过优化条件，实现能量转换效率分别达6.85%和7.65%的基于硅纳米线阵列和硅纳米孔阵列光伏器件。通过引入有机电子阻挡层，降低了硅端电子扩散至石墨烯端复合的几率，器件效率进一步提升至8.71%和10.30%。构筑了石墨烯/硅微米孔阵列光伏器件，研究了孔阵列深度与其陷光能力以及器件光伏性能之间的关系。利用具有持续掺杂效果的AuCl3对石墨烯进行掺杂，器件能量转换效率提升至10.40%，且具有优异的稳定性。 4）构筑了碳量子点/硅纳米线阵列三维核/壳异质结光电器件，研究了该异质结的整流比、开启电压、理想因子和势垒高度等参数。系统地对碳量子点层数与器件光伏性能的关系进行了研究，最优器件的能量转换效率为9.10%。进一步发现该器件可作为自驱动的高灵敏快速光电探测器并对光电探测的关键参数进行了研究。 5）构建了p型CdTe纳米带/n型硅纳米线阵列异质结光电器件，研究了该异质结的关键参数。由于两种材料较为匹配的能带关系以及纳米线阵列优异的陷光能力，该异质结能充分吸收可见及近红外光，器件能量转换效率为2.3%，远高于基于平面硅的器件。此外，该器件还可以作为稳定的自驱动光电探测器并具有快的响应速度。 本文在基于石墨烯与硅纳米结构高性能光伏器件的构造与光电性能研究中的主要创新之处为：通过调控石墨烯的导电性与功函数、降低硅表面载流子复合速率、增加硅纳米（微米）结构陷光能力、增大石墨烯与硅有效结区面积以及降低硅端载流子扩散至石墨烯端复合几率等手段构筑了高性能石墨烯/硅光伏器件；利用硅纳米线阵列优异的陷光能力、异质结的能带匹配关系和三维核/壳结构独特的电荷传输特性构建了高性能硅纳米线阵列异质结光电器件。 【关键词】：石墨烯 硅纳米结构 肖特基结 异质结 光伏器件 掺杂 钝化
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4;TB383.1
【目录】：

• 致谢9-10
• 摘要10-12
• ABSTRACT12-16
• 插图清单16-21
• 表格清单21-22
• 第一章 绪论22-33
• 1.1 引言22-24
• 1.2 石墨烯与硅纳米结构的简介24-27
• 1.3 基于石墨烯与硅纳米结构光伏器件的研究现状27-30
• 1.4 本文主要研究内容与意义30-33
• 第二章 实验用化学药品与仪器33-40
• 2.1 实验用化学药品33-34
• 2.2 实验所用仪器34-40
• 2.2.1 材料合成与表征设备34-37
• 2.2.2 器件制备与测试设备37-40
• 第三章 单层石墨烯/硅纳米线（阵列）肖特基光伏器件的制备及性能40-55
• 3.1 引言40-41
• 3.2 单层石墨烯/硅纳米线阵列肖特基光伏器件的制备及性能41-48
• 3.2.1 单层石墨烯的制备41-42
• 3.2.2 硅纳米线阵列的制备42-44
• 3.2.3 单层石墨烯/硅纳米线阵列光伏器件的制备44
• 3.2.4 单层石墨烯/硅纳米线阵列光伏器件的性能44-48
• 3.3 单层石墨烯纳米带/多根硅纳米线阵列肖特基光伏器件的制备及性能48-54
• 3.3.1 硅纳米线的制备48-50
• 3.3.2 单层石墨烯纳米带/多根硅纳米线光伏器件的制备50-52
• 3.3.3 单层石墨烯纳米带/多根硅纳米线光伏器件的性能52-54
• 3.4 本章小结54-55
• 第四章 高效石墨烯/硅纳米（微米）阵列肖特基光伏器件的构筑及性能55-83
• 4.1 引言55-56
• 4.2 石墨烯/硅纳米阵列肖特基光伏器件的制备56-59
• 4.2.1 硅纳米阵列的制备与表征56-57
• 4.2.2 石墨烯/硅纳米阵列器件的制备与测试57-59
• 4.3 石墨烯/硅纳米阵列光伏器件的性能59-72
• 4.3.1 硅表面钝化、石墨烯层数与掺杂对硅纳米线阵列光伏器件性能的影响59-64
• 4.3.2 硅表面钝化、石墨烯层数与掺杂对硅纳米孔阵列光伏器件性能的影响64-67
• 4.3.3 石墨烯/硅纳米阵列光伏器件的可重复性67-68
• 3.3.4 电子阻挡层对石墨烯/硅纳米阵列光伏器件性能的影响68-72
• 4.4 石墨烯/硅微米孔阵列光伏器件的性能72-81
• 4.4.1 硅微米孔阵列的制备72-73
• 4.4.2 石墨烯/硅微米孔阵列光伏器件的制备与测试73-75
• 4.4.3 石墨烯/硅微米孔阵列光伏器件的性能75-81
• 4.5 本章小结81-83
• 第五章 硅纳米线阵列/碳量子点核/壳异质结的构筑及其光电性能83-98
• 5.1 引言83
• 5.2 硅纳米线阵列/碳量子点核/壳异质结的制备83-87
• 5.2.1 硅纳米线阵列、碳量子点的制备83-86
• 5.2.2 硅纳米线阵列/碳量子点核/壳异质结的制备与测试86-87
• 5.3 硅纳米线阵列/碳量子点核/壳异质结的性能87-96
• 5.3.1 异质结的电学性能87-88
• 5.3.2 异质结的光伏性能88-93
• 5.3.3 异质结的光电探测性能93-96
• 5.4 本章小结96-98
• 第六章 p 型 CdTe 纳米带/n 型硅纳米线阵列异质结的构筑及其光电性能98-108
• 6.1 引言98-99
• 6.2 p 型 CdTe 纳米带/n 型硅纳米线阵列异质结的制备99-102
• 6.2.1 CdTe 纳米带、硅纳米线阵列的制备99-101
• 6.2.2 p 型 CdTe 纳米带/n 型硅纳米线阵列异质结的制备101-102
• 6.3 p 型 CdTe 纳米带/n 型硅纳米线阵列异质结的性能102-106
• 6.3.1 异质结的电学性能102
• 6.3.2 异质结的光伏性能102-104
• 6.3.3 异质结的光电探测性能104-106
• 6.4 本章小结106-108
• 第七章 结论与展望108-111
• 7.1 全文总结108-110
• 7.2 展望110-111
• 参考文献111-126
• 攻读博士学位期间的学术活动及成果情况126-129

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