基于石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)高性能光伏器件的研究

【摘要】：由于石墨烯具有高透過率、高電導性、柔韌性好、質(zhì)輕、機械強度和化學穩(wěn)定性高等特點，使其在光伏電池中具有極大的應用潛力。與傳統(tǒng)硅基光伏電池相比，基于石墨烯和硅的復合異質(zhì)結(jié)光伏電池工藝簡單，適合室溫溶液法制備，有效降低了電池成本，有望應用于高效、低成本的光伏電池。但是目前基于石墨烯與硅的復合光伏電池的轉(zhuǎn)換效率仍然不高，部分是由于肖特基型電池本身性能的制約，因此如何進一步提高石墨烯/硅光伏電池的性能是其能否應用的關(guān)鍵，也是目前國際上的研究熱點。 本論文主要對基于石墨烯與硅異質(zhì)結(jié)的高效太陽能電池展開系統(tǒng)研究。通過控制合成石墨烯與硅納米陣列，并進行適當?shù)男揎椻g化，以及引入電子阻擋層等手段，減少表面復合，進而通過石墨烯的溶液法轉(zhuǎn)移，構(gòu)筑高性能光伏電池。具體研究內(nèi)容如下： 一、利用化學氣相沉積(CVD)法在銅箔上制備了大面積單層石墨烯，通過PMMA輔助方法，實現(xiàn)了大面積石墨烯的完整轉(zhuǎn)移，并進一步利用HNO_3摻雜等方式對石墨烯的電學性質(zhì)進行調(diào)控。此外，利用金屬輔助化學刻蝕法和電化學刻蝕法制得了高度規(guī)整的硅納米線和硅納米孔陣列，并對納米陣列的陷光性能進行了細致研究。 二、對硅納米陣列的表面修飾技術(shù)進行了研究，證明通過硅表面甲基化修飾，可以有效降低硅納米結(jié)構(gòu)表面載流子復合速率，在調(diào)節(jié)硅表面的能勢的同時，提高了表面的抗氧化能力。硅納米陣列表面修飾鈍化是制備高效光伏電池的關(guān)鍵。 三、構(gòu)筑了基于石墨烯/平面硅異質(zhì)結(jié)的高性能光伏電池。通過引入聚3-己基噻吩(P3HT)作為電子阻擋層，并結(jié)合平面硅的表面甲基化修飾，以及優(yōu)化石墨烯的層數(shù)與摻雜，在石墨烯層數(shù)為5層及P3HT厚度為10nm時，發(fā)現(xiàn)器件性能最優(yōu)，轉(zhuǎn)換效率可以達到10.56%。 四、在平面硅的研究基礎(chǔ)上，進一步構(gòu)筑了基于石墨烯與硅納米陣列結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)太陽能電池。除通常使用的硅納米線陣列外，我們還在研究中首次引入納米孔陣列。通過利用硅納米陣列良好的吸光性能，以及與P3HT形成核殼結(jié)構(gòu)，有利于載流子的分離傳輸?shù)奶匦裕趯ζ骷Y(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化的基礎(chǔ)上，制備了轉(zhuǎn)換效率分別為9.94%和10.34%的石墨烯/硅納米線以及石墨烯/硅納米孔光伏電池。 通過上述研究，我們制備了基于石墨烯與硅的高效異質(zhì)結(jié)光伏電池，器件效率為現(xiàn)有報道最高值之一。在進一步研究工作中，有望通過提高石墨烯電學性質(zhì)、完善硅表面鈍化技術(shù)，以及優(yōu)化器件的結(jié)構(gòu)等手段提高器件性能，從而促進石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)光伏的實用化?？傊覀兊难芯匡@示了石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)光伏電池在未來高效、低成本太陽能電池中具有重要的應用潛力。 【關(guān)鍵詞】：石墨烯 透明電極 硅納米結(jié)構(gòu) P3HT 表面修飾 異質(zhì)結(jié)光伏電池
【學位授予單位】：蘇州大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 緒論11-31
• 1.1 引言11-12
• 1.2 太陽能電池概述12-17
• 1.2.1 太陽能電池的原理及分類12-15
• 1.2.1.1 硅基太陽能電池12-13
• 1.2.1.2 多元化合物薄膜太陽能電池13-14
• 1.2.1.3 有機太陽能電池14
• 1.2.1.4 其他太陽能電池14-15
• 1.2.2 太陽能電池的主要性能參數(shù)15-17
• 1.3 石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池簡介17-24
• 1.4 本文主要的研究工作24
• 1.5 參考文獻24-31
• 第二章 石墨烯和硅納米結(jié)構(gòu)的制備、表征和修飾31-64
• 2.1 研究背景31-32
• 2.2 石墨烯的制備、表征和修飾32-42
• 2.2.1 石墨烯的制備32-34
• 2.2.2 石墨烯的表征34-36
• 2.2.3 石墨烯的修飾36-38
• 2.2.4 實驗材料和設備38-40
• 2.2.5 本論文采用的制備、表征和修飾方法40-42
• 2.3 硅納米結(jié)構(gòu)的制備、表征和修飾42-56
• 2.3.1 硅納米結(jié)構(gòu)的制備和表征42-47
• 2.3.1.1 硅納米線的制備和表征42-45
• 2.3.1.2 硅納米孔的制備和表征45-47
• 2.3.2 硅納米結(jié)構(gòu)的修飾47-49
• 2.3.3 實驗材料和設備49-51
• 2.3.4 本文采用的制備、表征和修飾方法51-56
• 2.3.4.1 硅納米線陣列的制備和表征51-52
• 2.3.4.2 硅納米孔陣列的制備和表征52-54
• 2.3.4.3 硅納米陣列的修飾54-56
• 2.4 本章小結(jié)56-57
• 2.5 參考文獻57-64
• 第三章 基于石墨烯/聚3-己基噻吩(P3HT)/平面硅的有機-無機雜化異質(zhì)結(jié)太陽能電池64-81
• 3.1 研究背景64-65
• 3.2 實驗材料和設備65-66
• 3.3 電池的制備66
• 3.4 電池的結(jié)構(gòu)和原理66-68
• 3.5 平面硅和 P3HT 的雜化異質(zhì)結(jié)太陽能電池性能分析68-76
• 3.5.1 不同表面鈍化的影響68-71
• 3.5.2 不同 P3HT 層厚度的影響71-73
• 3.5.3 不同石墨烯摻雜時間和層數(shù)的影響73-75
• 3.5.4 不同器件面積的影響75-76
• 3.6 本章小結(jié)76-77
• 3.7 參考文獻77-81
• 第四章 基于石墨烯/聚3-己基噻吩(P3HT)/硅納米結(jié)構(gòu)的有機-無機雜化異質(zhì)結(jié)太陽能電池81-96
• 4.1 研究背景81-82
• 4.2 電池的制備82-83
• 4.3 電池的結(jié)構(gòu)和原理83-84
• 4.4 硅納米結(jié)構(gòu)和 P3HT 的雜化異質(zhì)結(jié)太陽能電池性能分析84-92
• 4.4.1 不同表面修飾的影響84-86
• 4.4.2 不同 P3HT 厚度的影響86-88
• 4.4.3 不同石墨烯層數(shù)的影響88-90
• 4.4.4 不同電極的影響90-91
• 4.4.5 不同硅納米結(jié)構(gòu)的影響91-92
• 4.5 本章小結(jié)92-93
• 4.6 參考文獻93-96
• 第五章 總結(jié)與展望96-98
• 攻讀學位期間本人出版或公開發(fā)表的論著、論文98-99
• 致謝99-100

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