无化学掺杂石墨烯-硅异质结太阳电池

摘要

石墨烯是重要的二维材料，其具有优异的光电性能（如高透光率，极高的载流子迁移率）而成国际学术界研究的热点。将石墨烯与晶体硅结合制备石墨烯-硅异质结新型太阳电池，可以省去晶体硅太阳电池制程中的高温扩散工艺，放宽对硅材料的纯度要求，有望在较低的生产成本下实现较高的光电转化效率，从而成为一种具有重要潜力的新型太阳电池。但目前这种电池的效率还很低，稳定性也比较差，需要深入地研究和探讨。
　　本文围绕提高石墨烯-硅太阳电池效率的主要目标，在石墨烯-硅界面优化和石墨烯性能调控两方面做了系统研究，得到了以下主要创新结果:
　　(1)在石墨烯和硅界面处引入化学性质与石墨烯相似，但电学上是绝缘体的氧化石墨烯薄膜作为介质层，优化了石墨烯-硅界面。研究发现氧化石墨烯薄膜的引入可以提高石墨烯-硅太阳电池的开路电压，并且可以有效地抑制少数载流子在硅-石墨烯界面处的复合，提高电池的短路电流密度和填充因子。这两方面的共同作用使石墨烯-硅太阳电池的效率获得近3倍的提升，最高效率达到6.18％，且具有较好的长期稳定性，超过了目前文献报道的无化学掺杂石墨烯-硅太阳电池的效率。
　　(2)在石墨烯和硅之间引入带有固定负电荷的氧化铝薄膜，优化石墨烯-硅界面。研究发现由固定负电荷和石墨烯-硅功函数差引起的表面能带弯曲，可以使较高电阻率的硅基底表面发生强反型，由此产生的场钝化效应可以有效地抑制少数载流子在石墨烯-硅界面处的复合。同时，硅表面发生强反型也使石墨烯-硅太阳电池转变为类似于p-n结电池的MIS IL(metal-insulator-semiconductorinversion layer)电池，有效抑制了多数载流子的热激发电流，降低了电池的反向向饱和电流。两者的共同作用使得石墨烯-硅太阳电池的各项参数（短路电流密度，开路电压，填充因子）均有显著提升，电池最高效率达到8.44％，进一步提高了无化学掺杂石墨烯-硅太阳电池的效率记录。
　　(3)利用电场掺杂调控石墨烯性能。在实验上同时实现了外加电场掺杂和内建电场掺杂，后者是通过将铁电高分子材料（偏二氟乙烯与三氟乙烯的共聚物）引入石墨烯-硅太阳电池结构，利用其极化产生的内建电场实现的。实验结果表明，通过电场掺杂调节石墨烯的费米能级（功函数），可以使石墨烯-硅太阳电池的效率提高1-2倍。
　　(4)通过和银纳米线复合，调控石墨烯性能。研究发现石墨烯的导电性可被有效提升而其功函数保持不变。将方块电阻达9Ω，品质因子达168，具有良好热稳定性和长期稳定性的石墨烯-氧化石墨烯-银纳米线复合薄膜，用于制备工作面积放大1-2倍的石墨烯-硅太阳电池，可以有效提高电池的填充因子，获得最高效率为8.68％的无化学掺杂石墨烯-硅太阳电池。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 太阳电池概述

1．2．1 什么是太阳电池

1．2．2 太阳电池效率损失分析

1．3 石墨烯-硅太阳电池简介

1．3．1 石墨烯的结构、性质和制备方法

1．3．2 石墨烯-硅(Gr／Si)太阳电池

1．4 抑制石墨烯-硅太阳电池效率提升的主要问题

1．5 本文的主要研究内容及结构安排

第二章 研究方法和器件组装初探

2．1 测试设备和研究方法

2．1．1 Raman光谱

2．1．2 霍尔效应测试仪

2．1．3 太阳电池电流-电压特性曲线测试仪

2．1．4 微波光电导少子寿命仪

2．2 石墨烯-硅(Gr／Si)太阳电池的组装

2．2．1 硅基底处理

2．2．2 石墨烯转移

2．2．3 石墨烯-硅太阳电池的组装

2．3 热处理和自然掺杂对石墨烯-硅(Gr／Si)太阳电池性能的影响

2．3．1 热处理对Gr／Si太阳电池性能的影响

2．3．2 自然掺杂效应对Gr／Si太阳电池性能的影响

2．4．本章小结

第三章 氧化石墨烯薄膜优化石墨烯-硅太阳电池界面的研究

3．1 引言

3．2 实验

3．2．1 材料

3．2．2 硅片表面沉积氧化石墨烯薄膜

3．2．3 石墨烯-氧化石墨烯-硅(Gr／GO／Si)太阳电池的组装

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 Gr／GO／Si太阳电池表征

3．3．2 Gr／GO／Si太阳电池性能

3．3．3 Gr／GO／Si太阳电池性能优于Gr／Si太阳电池性能的机理分析

3．3．4 Gr／GO／Si太阳电池的稳定性

3．4 本章小结

第四章 氧化铝薄膜优化石墨烯-硅太阳电池界面的研究

4．1 引言

4．2 实验

4．2．1 原子层沉积氧化铝薄膜

4．2．2 石墨烯-氧化铝-硅(Gr／Al2O3／Si)太阳电池的组装

4．3 实验结果与讨论

4．3．1 氧化铝薄膜对硅表面的钝化效果

4．3．2 Gr／Al2O3／Si太阳电池性能

4．3．3 高效Gr／Al2O3／Si太阳电池的物理机制—场钝化效应及反型电池猜想

4．3．4 高效Gr／Al2O3／Si太阳电池的物理机制—反型电池证据

4．4 本章小结

第五章 电场掺杂调控石墨烯-硅太阳电池性能的研究

5．1 引言

5．2 实验

5．2．1 外加电场掺杂Gr／GO／Si太阳电池的组装

5．2．2 内建电场掺杂Gr／P(VDF-TrFE)／GO／Si太阳电池的组装

5．3 实验结果与讨论

5．3．1 外加电场掺杂调控Gr／GO／Si太阳电池性能的研究

5．3．2 内建电场掺杂调控Gr／P(VDF-TrFE)／GO／Si太阳电池性能的研究

5．4 本章小结

第六章 石墨烯-氧化石墨烯-银纳米线复合薄膜用于石墨烯-硅太阳电池的研究

6．1 引言

6．2 实验

6．2．1 Gr-Go-AgNWs复合薄膜的制备及表征

6．2．2 Gr-GO-AgNWs／Al2O3／Si太阳电池的组装

6．3 实验结果与讨论

6．3．1 Gr-GO-AgNWs复合薄膜的导电性

6．3．2 Gr-GO-AgNWs复合薄膜的透光性和综合性能

6．3．3 Gr-GO-AgNWs复合薄膜的耐高温性

6．3．4 Gr-GO-AgNWs复合薄膜的长期稳定性

6．3．5 Gr-GO-AgNWs复合薄膜用于石墨烯-硅太阳电池

6．4 本章小结

第七章 总结

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

作者简介

攻读学位期间发表的学术论文及专利