基于石墨烯/超薄硅异质结高性能柔性光伏器件的研究

【摘要】：石墨烯因其优异的性能引起科学家和工程师们的广泛关注。高导电性、高透过率、优异的机械柔性和可控的化学气相沉积法(CVD)法大面积生长使得石墨烯在透明导电薄膜、柔性电子和光电子领域具有巨大的应用前景。在光伏电池领域,轻便、高效、可穿戴和低成本的柔性太阳能电池是未来光伏电池的发展趋势。而传统的单晶硅基太阳能电池虽然由于性能稳定、丰裕的原材料和成熟的工艺等优势仍占据着市场的主要份额,但是其脆性大、重量重的缺点使得它很难适用在一些对重量和柔韧性有要求的环境中。因此基于单晶硅基的柔性太阳能电池的研究正在兴起。鉴于此,本论文主要研究了基于石墨烯与超薄硅片所构筑的异质结在柔性光伏器件中的应用,可以分为三部分——绪论、材料的可控制备和器件构筑与表征。1.绪论:主要回顾了基于石墨烯/硅异质结太阳能电池以及基于柔性单晶硅光伏器件的研究进展。2.材料的可控制备方面:石墨烯是用CVD法在铜箔基底上催化裂解甲烷而合成;通过调节生长参数,如甲烷和氢气的流量比、退火时间、生长温度和降温速度,找到稳定的生长单层石墨烯的条件,并对生长样品进行了相关表征。超薄单晶硅是采用化学刻蚀法制备;在温度为90℃的氢氧化钾溶液中刻蚀双面抛光的单晶硅片。在制备过程中,反应产生大量的气体会使薄硅片样品上下浮动,不利于均匀刻蚀。为了制备厚薄均匀的样品,加入支撑支架保持刻蚀的均匀。通过控制刻蚀时间,得到不同厚度的超薄硅片。同时,我们对制备好的超薄硅片进行了柔性的探究。3.器件构筑与表征方面:我们将石墨烯转移至超薄硅片上构筑器件。为了减少短路电流,一层中间带有直径为4 mm圆形窗口的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜作为绝缘层用在器件结构中。另外,一层薄的聚3-己基噻吩(P3HT)有机层作为电子阻挡层旋涂在结区里,用来提高器件性能。为了优化器件性能,我们分别研究了超薄硅片的不同厚度和石墨烯的不同层数对器件性能的影响。最终基于40μm薄硅片和3层石墨烯构筑的器件得到优化的能量转换效率为8.42%。此外,我们在弯曲条件下进一步对器件进行了测试,研究了弯曲次数对器件性能的影响,结果表明我们的器件有着良好的抗弯曲性能和弯曲稳定性。我们期待该研究能为未来研究低成本、高效的柔性石墨烯/硅异质结太阳能电池提供参考。 【关键词】：石墨烯 超薄硅 异质结 柔性太阳电池
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-32
• 1.1 引言10-12
• 1.2 太阳能电池概述12-16
• 1.2.1 太阳能电池的发展和分类12-13
• 1.2.2 太阳能电池的主要参数13-16
• 1.3 基于石墨烯/硅肖特基结太阳能电池的研究现状16-22
• 1.4 基于单晶硅基的柔性太阳能电池的研究概述22-26
• 1.5 本文研究的主要内容和意义26-27
• 参考文献27-32
• 第二章 石墨烯的可控生长与超薄硅的可控制备32-57
• 2.1 引言32-33
• 2.2 石墨烯的可控生长33-43
• 2.2.1 石墨烯的化学气相沉积制备33-35
• 2.2.2 生长石墨烯所需的材料和设备35-37
• 2.2.3 可控生长石墨烯的实验过程37-38
• 2.2.4 石墨烯的表征38-43
• 2.3 柔性超薄单晶硅的可控制备43-49
• 2.3.1 制备超薄硅的实验材料和仪器44
• 2.3.2 可控制备超薄硅的实验过程44-45
• 2.3.3 柔性超薄单晶硅片的表征45-49
• 2.4 本章小结49-50
• 参考文献50-57
• 第三章 基于石墨烯/超薄硅异质结的柔性太阳能电池57-74
• 3.1 引言57-58
• 3.2 实验部分58-62
• 3.2.1 实验材料和设备58-60
• 3.2.2 实验步骤60-62
• 3.3 结果与讨论62-69
• 3.3.1 器件的结构与器件的能带分析62-64
• 3.3.2 薄硅片的不同厚度对器件性能的影响64-65
• 3.3.3 石墨烯的不同层数对器件性能的影响65-66
• 3.3.4 器件的最优性能的分析66-67
• 3.3.5 弯曲对器件性能的影响67-69
• 3.4 本章小结69-70
• 参考文献70-74
• 第四章 总结与展望74-76
• 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文76-77
• 致谢77-78

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