基于石墨烯材料的光电子器件应用研究

摘要

石墨烯作为一种新型的光电材料在光探测、光伏器件应用方面具有超越传统半导体的显著优势，由于其独特的零带隙能带结构，使其具有极高的载流子迁移率和极宽的吸收光谱。然而，受制于石墨烯本身缺乏增益机制和吸光弱等不利因素，基于单一石墨烯材料的光电转换器件难以获得高的光电转换效率。针对这一瓶颈，本文将石墨烯与其他半导体材料复合成异质结构以解决上述问题。
　　本研究主要内容包括：⑴提出并研究了一种基于石墨烯/单晶硅肖特基结的顶栅结构太阳能电池，系统研究了石墨烯化学掺杂对器件性能的影响。实验制作的器件可以达到5.9％的转换效率（无减反层）。该顶栅结构太阳能电池与传统的单晶硅技术具有良好的兼容性，具有低成本、大面积和高效率的优势。⑵系统研究了一种基于钙钛矿纳米颗粒与石墨烯复合异质结的光电探测器件。通过实验研究发现，钙钛矿纳米颗粒具有捕获并局域限制光生载流子的作用，并通过减少体复合来提高器件效率。通过控制钙钛矿纳米颗粒的大小和分布可以实现对器件效率的调控与提高。所制备的器件具有极高的光电响应率（6x105A/W）和光电导增益（109）。⑶运用液相法成功制备了基于单根钙钛矿纳米线的光电探测器。实验制备的光电探测器具有到达130安培每瓦探测效率。同时，测试所得的该种探测器的电流光开关比和探测率可达到4800和2.9*1012Jones。本轮文实验制备的探测器还具有很快的响应速度和较宽的探测范围。⑷运用近场光学显微镜系统（Scanning type near-field optical microscopy，SNOM）和光电流成像系统研究了钙钛矿纳米颗粒与石墨烯之间的电荷转移过程以及单根钙钛矿纳米线的传输特性，为无接触、图像化研究光电流的产生机制提供了切实、可行的解决方案。

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第一章 绪论

1.1 光与半导体物质的相互作用概论

1.2 石墨烯材料性质概述

1.3 基于石墨烯材料的光电子器件研究进展概述

1.4 有机-无机杂化钙钛矿材料简介

1.5 选题的意义和研究内容

第二章 顶栅结构石墨烯/单晶硅太阳能电池研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第三章 纳米钙钛矿颗粒/石墨烯光电探测器件研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 单根钙钛矿纳米线光电探测器件应用研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文

致谢