MoS2/c-Si异质结太阳能电池的模拟与制备

摘要

二硫化钼（MoS2）作为一种新型类石墨烯二维半导体材料，因其优异的机械、光学、电学和热稳定等性能成为研究热点。与零带隙石墨烯不同的是，体状MoS2是值为1.2eV的间接带隙，而单层MoS2的直接带隙更是高达1.8eV，加之其所具有的高载流子迁移率，使得单层MoS2在光电子器件领域有很广阔的应用前景。 根据MoS2所属的空间结构群、晶格常数以及原子所在的位置利用Material Studios（MS）进行了建模。对MoS2结构进行了截面波能量和K网格点的收敛性测试来优化原子坐标及MoS2结构。利用MS的CASTEP软件计算了MoS2的能带结构和态密度分布。计算结果表明单层MoS2是带隙为1.74eV，布里渊区高对称点为K点的直接带隙半导体。 通过AFORS-HET软件对MoS2/c-Si异质结太阳能电池进行了模拟。研究了不同本征层、MoS2/c-Si界面态密度对电池性能的影响；优化本征层的带隙及MoS2层的厚度，同时引入BSF层来进一步提高电池性能，得到的电池性能最优为27.22%。 以MoO3粉和S粉作为前驱体在SiO2/Si衬底上通过化学气相沉积法(CVD)制备了MoS2薄膜。利用SEM、AFM、PL以及Raman等常用的材料分析方法测试表明MoS2为高结晶度的单层连续薄膜。采用了转移方法将SiO2/Si衬底上的MoS2薄膜转移到Si衬底上，在MoS2薄膜上采用热蒸镀工艺制备了电极铝得到MoS2/c-Si异质结太阳能电池，验证了制备异质结太阳能电池工艺的可行性。

目录

第一个书签之前

摘 要

Abstract

目 录

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 单层MoS2概述

1.2.1 单层MoS2的结构性质

1.2.2 MoS2的制备方法

1.2.3 MoS2的应用

1.3 太阳能电池

1.3.1 太阳能电池基本原理

1.3.2 太阳能电池参数

1.4 本文主要研究内容

2 模拟计算理论与方法

2.1 材料计算发展

2.2 第一性原理计算方法

2.3 密度泛函理论

2.3.1 Born-Oppenheimer绝热近似

2.3.2 Kohn-Sham 方程

2.3.3 交换关联泛函

2.4 计算软件 Materials Studio 介绍

2.5 AFORS-HET软件

2.6 本章小结

3 MoS2第一性原理计算

3.1 理论模型建立

图3-1 MoS2结构模型，其中S原子为黄色，蓝色为Mo原子（a）3×3×1的MoS2超胞图（b）M

3.2 结构优化

3.3 计算方法

3.4 MoS2计算结果

3.5 本章小结

4 MoS2/c-Si异质结太阳能电池模拟

4.1 引言

4.2 电池结构

4.3 结果讨论

4.3.1 不同材料的本征层对TCO / n-type MoS2 / i-layer / p-typ

4.3.2 MoS2/c-Si 界面的界面态及能带补偿对TCO /n-type MoS2 / i-

4.3.3．BSF对TCO / n-type MoS2 / i-layer nc-Si: H / p

4.3.4 本征层nc-Si:H带隙对电池性能的影响

4.3.5 优化本征层nc-Si:H厚度

4.3.6 MoS2厚度对电池性能的影响

4.4 优化得到性能最优的太阳能电池

4.5 本章小结

5 MoS2薄膜的制备

5.1 引言

5.2 实验材料与设备

5.3 MoS2薄膜表征技术

5.3.1 光学显微镜

5.3.2 扫描电子显微镜

5.3.3 原子力显微镜

5.3.4 拉曼光谱

5.3.5 光致发光（PL）光谱

5.4 MoS2薄膜的制备

5.5 MoS2薄膜表征

5.5.1 MoS2薄膜的AFM

5.5.2 MoS2薄膜扫描电子显微镜表征

5.5.3 MoS2薄膜的Raman和PL表征

5.5.4 MoS2薄膜的光显表征

5.5 本章小结

6 MoS2/Si 太阳能电池的制备

6.1 太阳能电池测试系统

6.2 MoS2/Si异质结太阳能电池的设计

6.3 MoS2薄膜转移

6.4 电极的制备

6.5 MoS2/c-Si异质结太阳能电池性能测试

6.6 本章小结

7 总结与展望

7.1 工作总结

7.2 展望

致 谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表的论文

附录2 攻读硕士学位期间申请的专利