無化學(xué)摻雜石墨烯-硅異質(zhì)結(jié)太陽電池.pdf

1、石墨烯是重要的二維材料，其具有優(yōu)異的光電性能（如高透光率，極高的載流子遷移率）而成國際學(xué)術(shù)界研究的熱點。將石墨烯與晶體硅結(jié)合制備石墨烯-硅異質(zhì)結(jié)新型太陽電池，可以省去晶體硅太陽電池制程中的高溫擴散工藝，放寬對硅材料的純度要求，有望在較低的生產(chǎn)成本下實現(xiàn)較高的光電轉(zhuǎn)化效率，從而成為一種具有重要潛力的新型太陽電池。但目前這種電池的效率還很低，穩(wěn)定性也比較差，需要深入地研究和探討。
　　本文圍繞提高石墨烯-硅太陽電池效率的主要目標(biāo)，在石

2、墨烯-硅界面優(yōu)化和石墨烯性能調(diào)控兩方面做了系統(tǒng)研究，得到了以下主要創(chuàng)新結(jié)果:
　　(1)在石墨烯和硅界面處引入化學(xué)性質(zhì)與石墨烯相似，但電學(xué)上是絕緣體的氧化石墨烯薄膜作為介質(zhì)層，優(yōu)化了石墨烯-硅界面。研究發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯薄膜的引入可以提高石墨烯-硅太陽電池的開路電壓，并且可以有效地抑制少數(shù)載流子在硅-石墨烯界面處的復(fù)合，提高電池的短路電流密度和填充因子。這兩方面的共同作用使石墨烯-硅太陽電池的效率獲得近3倍的提升，最高效率達到6.18

3、％，且具有較好的長期穩(wěn)定性，超過了目前文獻報道的無化學(xué)摻雜石墨烯-硅太陽電池的效率。
　　(2)在石墨烯和硅之間引入帶有固定負電荷的氧化鋁薄膜，優(yōu)化石墨烯-硅界面。研究發(fā)現(xiàn)由固定負電荷和石墨烯-硅功函數(shù)差引起的表面能帶彎曲，可以使較高電阻率的硅基底表面發(fā)生強反型，由此產(chǎn)生的場鈍化效應(yīng)可以有效地抑制少數(shù)載流子在石墨烯-硅界面處的復(fù)合。同時，硅表面發(fā)生強反型也使石墨烯-硅太陽電池轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃朴趐-n結(jié)電池的MIS IL(metal-in

4、sulator-semiconductorinversion layer)電池，有效抑制了多數(shù)載流子的熱激發(fā)電流，降低了電池的反向向飽和電流。兩者的共同作用使得石墨烯-硅太陽電池的各項參數(shù)（短路電流密度，開路電壓，填充因子）均有顯著提升，電池最高效率達到8.44％，進一步提高了無化學(xué)摻雜石墨烯-硅太陽電池的效率記錄。
　　(3)利用電場摻雜調(diào)控石墨烯性能。在實驗上同時實現(xiàn)了外加電場摻雜和內(nèi)建電場摻雜，后者是通過將鐵電高分子材料（偏

5、二氟乙烯與三氟乙烯的共聚物）引入石墨烯-硅太陽電池結(jié)構(gòu)，利用其極化產(chǎn)生的內(nèi)建電場實現(xiàn)的。實驗結(jié)果表明，通過電場摻雜調(diào)節(jié)石墨烯的費米能級（功函數(shù)），可以使石墨烯-硅太陽電池的效率提高1-2倍。
　　(4)通過和銀納米線復(fù)合，調(diào)控石墨烯性能。研究發(fā)現(xiàn)石墨烯的導(dǎo)電性可被有效提升而其功函數(shù)保持不變。將方塊電阻達9Ω，品質(zhì)因子達168，具有良好熱穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性的石墨烯-氧化石墨烯-銀納米線復(fù)合薄膜，用于制備工作面積放大1-2倍的石墨烯-