石墨烯以及石墨烯量子点在硅基太阳能电池中的应用

摘要

作为一种二维层状材料，石墨烯拥有高载流子迁移率和高电导率、高透光性以及稳定的物理化学特性等各种优异的性质，自2004年被发现以来，受到了世界各地的瞩目。石墨烯在各个领域尤其是光电领域有着广泛的应用，例如透明电极、超级电容、超快器件等，但其零带隙的特点限制了石墨烯的进一步应用。石墨烯量子点(GQDs),作为石墨烯的衍生物，其带隙可调,拥有显著的量子限域和边缘效应以及独特的光电传输特性,能够有效地补充石墨烯的不足。本文主要探讨了石墨烯和石墨烯量子点在硅基异质结太阳能电池中的一些应用，主要研究内容和结论如下:
　　一、石墨烯拥有高透光率、便宜的原材料、杰出的载流子迁移率和导电率等诸多优点，基于此，我们采用CVD法石墨烯作为透明电极并将其应用在单晶Si/PEDOT:PSS有机无机杂化太阳能电池中，该器件表现出了优异的光伏性能。相比于常用的金属银栅网电极，石墨烯电极有着更为优异的载流子收集能力。为了进一步增强器件的光吸收，我们构筑了新型的基于“PMMA-PEDOT:PSS”双层减反结构模型。通过优化PEDOT:PSS和PMMA的厚度以及石墨烯层数，并结合实验测试和理论模拟，我们最终获得了效率高达13.01％的光伏器件。此外，器件显示出了卓越的稳定性，这主要来源于石墨烯的高物理化学稳定性以及石墨烯电极对有机物有效的保护，器件在长时间的存放下依旧保持着良好的性能。
　　二、相比于平面硅来说，采用金属辅助化学刻蚀法(MACE)制备的硅纳米线阵列拥有杰出的陷光能力，能够显著提升器件的光吸收，实验中，我们采用水热法合成出了粒径均匀、带隙可调的石墨烯量子点(GQDs),通过滴涂的方式构筑了石墨烯量子点/硅纳米线阵列核-壳异质结太阳能电池，并采用高透光率高导电率的石墨烯作为透明电极。GQDs起着电子阻挡层和空穴传输层的作用，能够有效抑制电子在阳极处的复合，通过少子寿命表征，我们进一步验证了GQDs能够显著提升硅线的少子寿命，这主要来源于量子点与硅之间强的内建电场，保证了光生载流子的有效分离和收集，最后，通过优化GQDs薄膜层数以及结合硝酸掺杂石墨烯，我们获得了效率为12.01%的高效率异质结光伏器件。
　　能源危机和环境污染带来的社会问题引发了人们的关注，清洁能源尤其是光伏的发展显得尤为重要，我们的研究成果表明了石墨烯以及石墨烯量子点在能源领域有着巨大的应用潜能和研究价值，也为未来高效低能耗的硅基太阳能电池的研究提供了新的方向。

目录

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2石墨烯和石墨烯量子点(GQDs)

1.2.1石墨烯和石墨烯量子点的制备

1.2.2 石墨烯和石墨烯量子点的应用

1.3太阳能电池概述

1.3.1太阳能电池原理

1.3.2太阳能电池电学性能分析

1.4新型硅异质结太阳能电池

1.4.1表界面的改善和钝化

1.4.2硅陷光结构的构筑

1.4.3PEDOT:PSS的修饰改性

1.5本文研究的主要内容和意义

参考文献

第二章 基于石墨烯透明电极的高效率高稳定性硅-有机杂化太阳能电池

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验材料和设备

2.2.2 石墨烯/PEDOT:PSS/平面硅光伏器件的制备

2.3 结果与分析

2.3.1 器件结构和能带分析

2.3.2 PEDOT:PSS厚度对器件性能的影响

2.3.3 FDTD模拟

2.3.4 改变PMMA厚度调控器件光吸收

2.3.5 石墨烯层数对器件性能的影响

2.3.6 表面光电流mapping

2.3.7 器件的稳定性测试

2.4 本章小结

2.5 本章文献引用

第三章 基于石墨烯量子点/硅纳米线异质结太阳能电池

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验材料和设备

3.2.2 光伏器件的制备

3.3 结果与分析

3.3.1 石墨烯量子点(GQDs)的表征

3.3.2 硅纳米阵列钝化前后的反射率

3.3.3 器件结构示意图以及电镜表征

3.3.4 有无GQDs器件性能差异

3.3.5 器件的能带图

3.3.6 少子寿命分析测试

3.3.7 不同层数GQDs器件性能对比

3.4 本章小结

3.5 本章参考文献

第四章 总结与展望

攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文

致谢