基于碳納米管的光伏器件的基礎(chǔ)研究

【摘要】：單壁碳納米管具有獨特的準(zhǔn)一維納米結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的電學(xué)性能和光伏特性,這些優(yōu)點使其被廣泛用于制作高性能電子器件、光伏器件,構(gòu)造具有納米尺度的下一代電路結(jié)構(gòu)與光伏系統(tǒng)。與傳統(tǒng)硅材料相比,單壁碳納米管擁有更高的載流子遷移率、更低的電容值和更強的光響應(yīng)效率(由于其直接帶隙結(jié)構(gòu))。迄今為止,單壁碳納米管以不同的形式作為光吸收材料、修飾材料以及電極材料,廣泛的用于制作無機太陽能電池、有機太陽能電池、染料敏化太陽能電池等各類型光伏器件。本論文研究了一種基于非對稱肖特基接觸結(jié)構(gòu)的單根碳納米管光伏器件,對器件的制作工藝、電學(xué)性能以及光伏特性進(jìn)行了深入研究。通過對單壁碳納米管原料進(jìn)行拉曼光譜與光吸收譜的測試,分析了其成分,純度,缺陷以及手性等特征,得出單壁碳納米管原料的直徑分布以及帶隙結(jié)構(gòu)。對單根碳納米管器件的制作工藝進(jìn)行了深入研究,包括電子束光刻、金屬濺射與lift-off等重要工藝流程,確定合適的工藝參數(shù)與器件制作流程,制作出單根碳納米管光伏器件。器件中單根半導(dǎo)體性單壁碳納米管作為器件的光吸收材料,金屬鈀與金屬鋁作為器件的電極材料。研究了金屬鈀和金屬鋁與單壁碳納米管的接觸特性。鈀與鋁分別作為電極材料,制作出具有對稱肖特基接觸結(jié)構(gòu)的單根碳納米管器件。測試結(jié)果表明,鈀/碳納米管/鈀對稱結(jié)構(gòu)器件表現(xiàn)出p型場效應(yīng)晶體管的特性:溝道電流隨負(fù)性柵壓的增加而增大,而鋁/碳納米管/鋁對稱結(jié)構(gòu)器件表現(xiàn)出n型場效應(yīng)晶體管的特性:溝道電流隨正性柵壓的增加而增大。在相同源漏偏壓的條件下,鈀器件表現(xiàn)出更大的溝道電流,表明其碳納米管更易形成良好接觸。將金屬鈀與金屬鋁分別作為源、漏電極制作在單根碳納米管的兩端,構(gòu)成鈀/碳納米管/鋁非對稱肖特基接觸結(jié)構(gòu)光伏器件。器件表現(xiàn)出了整流特性,整流比為103。在柵壓的調(diào)控下,器件的正、反偏電流均表現(xiàn)出p型的導(dǎo)通特性,正偏電流的開關(guān)比接近103,而反偏電流的開關(guān)比僅有幾倍。通過對比不同直徑碳納米管器件的電學(xué)特性,發(fā)現(xiàn)帶隙對器件的源漏電流有著很大的影響。在相同源漏偏壓條件下,大帶隙的碳納米管器件擁有更大的源漏電流值。通過利用單頻光(1550nm)的照射對器件進(jìn)行了光伏特性的研究。器件的轉(zhuǎn)換效率為0.45%,量子效率為7.4%。通過對比不同器件之間的性能差異,發(fā)現(xiàn)碳納米管的帶隙對于器件的轉(zhuǎn)換效率與量子效率很大影響,碳納米管的帶隙越接近激發(fā)光子的能量,器件的轉(zhuǎn)換效率與量子效率越高,并且該趨勢成近似的指數(shù)增長。這一研究結(jié)果對于提高同類型光伏器件及相似結(jié)構(gòu)光伏器件的性能,具有積極的意義。 【關(guān)鍵詞】：碳納米管 肖特基勢壘 場效應(yīng)晶體管 二極管 光伏器件
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TB383.1;TM914.4
【目錄】：

• 摘要6-8
• Abstract8-12
• 第一章 緒論12-26
• 1.1 光伏技術(shù)簡介12-16
• 1.1.1 光伏技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用背景12-14
• 1.1.2 光伏器件的基本原理與參數(shù)14-16
• 1.2 碳納米管簡介16-18
• 1.3 碳納米管在光伏領(lǐng)域中的應(yīng)用18-22
• 1.3.1 CNT在無機光伏器件中的應(yīng)用18-19
• 1.3.2 CNT在有機光伏器件中的應(yīng)用19-21
• 1.3.3 CNT在微納尺度光伏器件中的應(yīng)用21-22
• 1.4 本文研究的主要內(nèi)容22
• 1.5 本章小結(jié)22-23
• 參考文獻(xiàn)23-26
• 第二章 單壁碳納米管原料的表征26-33
• 2.1 單壁碳納米管的結(jié)構(gòu)形貌26-27
• 2.2 單壁碳納米管的拉曼特性27-30
• 2.3 單壁碳納米管的光吸收特性30-32
• 2.4 本章小結(jié)32
• 參考文獻(xiàn)32-33
• 第三章 器件的制作與工藝33-47
• 3.1 器件結(jié)構(gòu)設(shè)計33-34
• 3.2 器件的制作流程34-35
• 3.3 電子束光刻工藝35-39
• 3.3.1 電子束光刻簡介35-36
• 3.3.2 電子束抗蝕劑36-37
• 3.3.3 曝光參數(shù)37-38
• 3.3.4 電子束套刻技術(shù)38-39
• 3.4 金屬濺射39-43
• 3.4.1 金屬濺射原理39-40
• 3.4.2 濺射條件的影響40-41
• 3.4.3 剝離工藝41-43
• 3.5 其它工藝43-44
• 3.5.1 單壁碳納米管的選取與定位43
• 3.5.2 背柵極的制作43-44
• 3.5.3 高溫退火處理44
• 3.6 本章小結(jié)44-45
• 參考文獻(xiàn)45-47
• 第四章 器件的電學(xué)特性研究47-60
• 4.1 對稱結(jié)構(gòu)單壁碳納米管場效應(yīng)晶體管47-52
• 4.1.1 Pd/SWNT/Pd對稱結(jié)構(gòu)47-49
• 4.1.1.1 器件形貌47-48
• 4.1.1.2 電學(xué)特性測試48
• 4.1.1.3 理論分析48-49
• 4.1.2 Al/SWNT/Al對稱結(jié)構(gòu)49-52
• 4.1.2.1 器件形貌49-50
• 4.1.2.2 電學(xué)特性測試50-51
• 4.1.2.3 理論分析51-52
• 4.2 非對稱結(jié)構(gòu)場效應(yīng)晶體管52-58
• 4.2.1 Pd/SWNT/Al52-55
• 4.2.1.1 器件形貌52-53
• 4.2.1.2 電學(xué)測試結(jié)果53-54
• 4.2.1.3 理論分析54-55
• 4.2.2 金屬性SWNT的影響55-56
• 4.2.3 SWNT帶隙的影響56-58
• 4.3 本章小結(jié)58-59
• 參考文獻(xiàn)59-60
• 第五章 器件的光伏特性研究60-66
• 5.1 光伏特性測試準(zhǔn)備60-61
• 5.2 光伏特性測試結(jié)果61-62
• 5.3 理論計算與分析62-64
• 5.4 本章小結(jié)64-65
• 參考文獻(xiàn)65-66
• 第六章 總結(jié)及展望66-68
• 6.1 論文總結(jié)66-67
• 6.2 展望67-68
• 致謝68-69
• 攻讀碩士期間發(fā)表論文69

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