基于石墨烯/超薄硅異質(zhì)結(jié)高性能柔性光伏器件的研究

【摘要】：石墨烯因其優(yōu)異的性能引起科學(xué)家和工程師們的廣泛關(guān)注。高導(dǎo)電性、高透過(guò)率、優(yōu)異的機(jī)械柔性和可控的化學(xué)氣相沉積法(CVD)法大面積生長(zhǎng)使得石墨烯在透明導(dǎo)電薄膜、柔性電子和光電子領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。在光伏電池領(lǐng)域,輕便、高效、可穿戴和低成本的柔性太陽(yáng)能電池是未來(lái)光伏電池的發(fā)展趨勢(shì)。而傳統(tǒng)的單晶硅基太陽(yáng)能電池雖然由于性能穩(wěn)定、豐裕的原材料和成熟的工藝等優(yōu)勢(shì)仍占據(jù)著市場(chǎng)的主要份額,但是其脆性大、重量重的缺點(diǎn)使得它很難適用在一些對(duì)重量和柔韌性有要求的環(huán)境中。因此基于單晶硅基的柔性太陽(yáng)能電池的研究正在興起。鑒于此,本論文主要研究了基于石墨烯與超薄硅片所構(gòu)筑的異質(zhì)結(jié)在柔性光伏器件中的應(yīng)用,可以分為三部分——緒論、材料的可控制備和器件構(gòu)筑與表征。1.緒論:主要回顧了基于石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池以及基于柔性單晶硅光伏器件的研究進(jìn)展。2.材料的可控制備方面:石墨烯是用CVD法在銅箔基底上催化裂解甲烷而合成;通過(guò)調(diào)節(jié)生長(zhǎng)參數(shù),如甲烷和氫氣的流量比、退火時(shí)間、生長(zhǎng)溫度和降溫速度,找到穩(wěn)定的生長(zhǎng)單層石墨烯的條件,并對(duì)生長(zhǎng)樣品進(jìn)行了相關(guān)表征。超薄單晶硅是采用化學(xué)刻蝕法制備;在溫度為90℃的氫氧化鉀溶液中刻蝕雙面拋光的單晶硅片。在制備過(guò)程中,反應(yīng)產(chǎn)生大量的氣體會(huì)使薄硅片樣品上下浮動(dòng),不利于均勻刻蝕。為了制備厚薄均勻的樣品,加入支撐支架保持刻蝕的均勻。通過(guò)控制刻蝕時(shí)間,得到不同厚度的超薄硅片。同時(shí),我們對(duì)制備好的超薄硅片進(jìn)行了柔性的探究。3.器件構(gòu)筑與表征方面:我們將石墨烯轉(zhuǎn)移至超薄硅片上構(gòu)筑器件。為了減少短路電流,一層中間帶有直徑為4 mm圓形窗口的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜作為絕緣層用在器件結(jié)構(gòu)中。另外,一層薄的聚3-己基噻吩(P3HT)有機(jī)層作為電子阻擋層旋涂在結(jié)區(qū)里,用來(lái)提高器件性能。為了優(yōu)化器件性能,我們分別研究了超薄硅片的不同厚度和石墨烯的不同層數(shù)對(duì)器件性能的影響。最終基于40μm薄硅片和3層石墨烯構(gòu)筑的器件得到優(yōu)化的能量轉(zhuǎn)換效率為8.42%。此外,我們?cè)趶澢鷹l件下進(jìn)一步對(duì)器件進(jìn)行了測(cè)試,研究了彎曲次數(shù)對(duì)器件性能的影響,結(jié)果表明我們的器件有著良好的抗彎曲性能和彎曲穩(wěn)定性。我們期待該研究能為未來(lái)研究低成本、高效的柔性石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池提供參考。 【關(guān)鍵詞】：石墨烯 超薄硅 異質(zhì)結(jié) 柔性太陽(yáng)電池
【學(xué)位授予單位】：蘇州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 緒論10-32
• 1.1 引言10-12
• 1.2 太陽(yáng)能電池概述12-16
• 1.2.1 太陽(yáng)能電池的發(fā)展和分類12-13
• 1.2.2 太陽(yáng)能電池的主要參數(shù)13-16
• 1.3 基于石墨烯/硅肖特基結(jié)太陽(yáng)能電池的研究現(xiàn)狀16-22
• 1.4 基于單晶硅基的柔性太陽(yáng)能電池的研究概述22-26
• 1.5 本文研究的主要內(nèi)容和意義26-27
• 參考文獻(xiàn)27-32
• 第二章 石墨烯的可控生長(zhǎng)與超薄硅的可控制備32-57
• 2.1 引言32-33
• 2.2 石墨烯的可控生長(zhǎng)33-43
• 2.2.1 石墨烯的化學(xué)氣相沉積制備33-35
• 2.2.2 生長(zhǎng)石墨烯所需的材料和設(shè)備35-37
• 2.2.3 可控生長(zhǎng)石墨烯的實(shí)驗(yàn)過(guò)程37-38
• 2.2.4 石墨烯的表征38-43
• 2.3 柔性超薄單晶硅的可控制備43-49
• 2.3.1 制備超薄硅的實(shí)驗(yàn)材料和儀器44
• 2.3.2 可控制備超薄硅的實(shí)驗(yàn)過(guò)程44-45
• 2.3.3 柔性超薄單晶硅片的表征45-49
• 2.4 本章小結(jié)49-50
• 參考文獻(xiàn)50-57
• 第三章 基于石墨烯/超薄硅異質(zhì)結(jié)的柔性太陽(yáng)能電池57-74
• 3.1 引言57-58
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分58-62
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備58-60
• 3.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟60-62
• 3.3 結(jié)果與討論62-69
• 3.3.1 器件的結(jié)構(gòu)與器件的能帶分析62-64
• 3.3.2 薄硅片的不同厚度對(duì)器件性能的影響64-65
• 3.3.3 石墨烯的不同層數(shù)對(duì)器件性能的影響65-66
• 3.3.4 器件的最優(yōu)性能的分析66-67
• 3.3.5 彎曲對(duì)器件性能的影響67-69
• 3.4 本章小結(jié)69-70
• 參考文獻(xiàn)70-74
• 第四章 總結(jié)與展望74-76
• 攻讀學(xué)位期間本人出版或公開發(fā)表的論著、論文76-77
• 致謝77-78

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