基于石墨烯/硅异质结高性能光伏器件的研究

【摘要】：由于石墨烯具有高透过率、高电导性、柔韧性好、质轻、机械强度和化学稳定性高等特点，使其在光伏电池中具有极大的应用潜力。与传统硅基光伏电池相比，基于石墨烯和硅的复合异质结光伏电池工艺简单，适合室温溶液法制备，有效降低了电池成本，有望应用于高效、低成本的光伏电池。但是目前基于石墨烯与硅的复合光伏电池的转换效率仍然不高，部分是由于肖特基型电池本身性能的制约，因此如何进一步提高石墨烯/硅光伏电池的性能是其能否应用的关键，也是目前国际上的研究热点。 本论文主要对基于石墨烯与硅异质结的高效太阳能电池展开系统研究。通过控制合成石墨烯与硅纳米阵列，并进行适当的修饰钝化，以及引入电子阻挡层等手段，减少表面复合，进而通过石墨烯的溶液法转移，构筑高性能光伏电池。具体研究内容如下： 一、利用化学气相沉积(CVD)法在铜箔上制备了大面积单层石墨烯，通过PMMA辅助方法，实现了大面积石墨烯的完整转移，并进一步利用HNO_3掺杂等方式对石墨烯的电学性质进行调控。此外，利用金属辅助化学刻蚀法和电化学刻蚀法制得了高度规整的硅纳米线和硅纳米孔阵列，并对纳米阵列的陷光性能进行了细致研究。 二、对硅纳米阵列的表面修饰技术进行了研究，证明通过硅表面甲基化修饰，可以有效降低硅纳米结构表面载流子复合速率，在调节硅表面的能势的同时，提高了表面的抗氧化能力。硅纳米阵列表面修饰钝化是制备高效光伏电池的关键。 三、构筑了基于石墨烯/平面硅异质结的高性能光伏电池。通过引入聚3-己基噻吩(P3HT)作为电子阻挡层，并结合平面硅的表面甲基化修饰，以及优化石墨烯的层数与掺杂，在石墨烯层数为5层及P3HT厚度为10nm时，发现器件性能最优，转换效率可以达到10.56%。 四、在平面硅的研究基础上，进一步构筑了基于石墨烯与硅纳米阵列结构的异质结太阳能电池。除通常使用的硅纳米线阵列外，我们还在研究中首次引入纳米孔阵列。通过利用硅纳米阵列良好的吸光性能，以及与P3HT形成核壳结构，有利于载流子的分离传输的特性，在对器件结构进一步优化的基础上，制备了转换效率分别为9.94%和10.34%的石墨烯/硅纳米线以及石墨烯/硅纳米孔光伏电池。 通过上述研究，我们制备了基于石墨烯与硅的高效异质结光伏电池，器件效率为现有报道最高值之一。在进一步研究工作中，有望通过提高石墨烯电学性质、完善硅表面钝化技术，以及优化器件的结构等手段提高器件性能，从而促进石墨烯/硅异质结光伏的实用化。总之，我们的研究显示了石墨烯/硅异质结光伏电池在未来高效、低成本太阳能电池中具有重要的应用潜力。 【关键词】：石墨烯 透明电极 硅纳米结构 P3HT 表面修饰 异质结光伏电池
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-31
• 1.1 引言11-12
• 1.2 太阳能电池概述12-17
• 1.2.1 太阳能电池的原理及分类12-15
• 1.2.1.1 硅基太阳能电池12-13
• 1.2.1.2 多元化合物薄膜太阳能电池13-14
• 1.2.1.3 有机太阳能电池14
• 1.2.1.4 其他太阳能电池14-15
• 1.2.2 太阳能电池的主要性能参数15-17
• 1.3 石墨烯/硅异质结太阳能电池简介17-24
• 1.4 本文主要的研究工作24
• 1.5 参考文献24-31
• 第二章 石墨烯和硅纳米结构的制备、表征和修饰31-64
• 2.1 研究背景31-32
• 2.2 石墨烯的制备、表征和修饰32-42
• 2.2.1 石墨烯的制备32-34
• 2.2.2 石墨烯的表征34-36
• 2.2.3 石墨烯的修饰36-38
• 2.2.4 实验材料和设备38-40
• 2.2.5 本论文采用的制备、表征和修饰方法40-42
• 2.3 硅纳米结构的制备、表征和修饰42-56
• 2.3.1 硅纳米结构的制备和表征42-47
• 2.3.1.1 硅纳米线的制备和表征42-45
• 2.3.1.2 硅纳米孔的制备和表征45-47
• 2.3.2 硅纳米结构的修饰47-49
• 2.3.3 实验材料和设备49-51
• 2.3.4 本文采用的制备、表征和修饰方法51-56
• 2.3.4.1 硅纳米线阵列的制备和表征51-52
• 2.3.4.2 硅纳米孔阵列的制备和表征52-54
• 2.3.4.3 硅纳米阵列的修饰54-56
• 2.4 本章小结56-57
• 2.5 参考文献57-64
• 第三章 基于石墨烯/聚3-己基噻吩(P3HT)/平面硅的有机-无机杂化异质结太阳能电池64-81
• 3.1 研究背景64-65
• 3.2 实验材料和设备65-66
• 3.3 电池的制备66
• 3.4 电池的结构和原理66-68
• 3.5 平面硅和 P3HT 的杂化异质结太阳能电池性能分析68-76
• 3.5.1 不同表面钝化的影响68-71
• 3.5.2 不同 P3HT 层厚度的影响71-73
• 3.5.3 不同石墨烯掺杂时间和层数的影响73-75
• 3.5.4 不同器件面积的影响75-76
• 3.6 本章小结76-77
• 3.7 参考文献77-81
• 第四章 基于石墨烯/聚3-己基噻吩(P3HT)/硅纳米结构的有机-无机杂化异质结太阳能电池81-96
• 4.1 研究背景81-82
• 4.2 电池的制备82-83
• 4.3 电池的结构和原理83-84
• 4.4 硅纳米结构和 P3HT 的杂化异质结太阳能电池性能分析84-92
• 4.4.1 不同表面修饰的影响84-86
• 4.4.2 不同 P3HT 厚度的影响86-88
• 4.4.3 不同石墨烯层数的影响88-90
• 4.4.4 不同电极的影响90-91
• 4.4.5 不同硅纳米结构的影响91-92
• 4.5 本章小结92-93
• 4.6 参考文献93-96
• 第五章 总结与展望96-98
• 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文98-99
• 致谢99-100

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