本文選題：二維碳材料 + PECVD　； 參考：《上海大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：石墨烯薄膜憑借其優(yōu)異的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)(透過率可達(dá)98%,載流子遷移率可達(dá)2×105 cm2/(V.S),電導(dǎo)率可達(dá)106 S/m),以及穩(wěn)定的化學(xué)性能,使其在太陽能電池效率的提高和成本的降低上顯示了很大的誘惑力。本論文從當(dāng)前石墨烯薄膜的制備與改性,及其在光電-光伏應(yīng)用中存在的問題(生長工藝復(fù)雜、沉積條件苛刻、薄膜質(zhì)量差、薄膜導(dǎo)電性有待提高等)出發(fā),以生長光電性能優(yōu)異的二維碳基功能材料和改善SIS結(jié)構(gòu)光伏器件的性能為目標(biāo),展開了以下幾點(diǎn)研究。首先,利用射頻等離子體化學(xué)氣相沉積(RF-PECVD)技術(shù)制備了二維碳基薄膜材料,并系統(tǒng)地討論了其生長過程中的熱力學(xué)和動力學(xué)機(jī)理。同時進(jìn)行了碳硅異質(zhì)結(jié)器件的制備與光電性能的研究;然后,采用CVD技術(shù)制備了高質(zhì)量的單層石墨烯薄膜,并將其轉(zhuǎn)移到單晶硅上組裝了不同結(jié)構(gòu)的器件,研究了石墨烯薄膜對SIS結(jié)構(gòu)器件光電性能的影響。最后,對石墨烯薄膜進(jìn)行了氮元素?fù)诫s改性,分析了其電子結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能以及其對器件性能的影響;主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:(1)在不同沉積條件下,采用PECVD方法分別在不同襯底上沉積得到了不同結(jié)構(gòu)和形貌的碳納米材料。實驗結(jié)果表明,采用PECVD方法,在無氫氣無催化劑條件下沉積碳材料的過程中,當(dāng)襯底溫度保持在300~1000℃區(qū)間段時,對于碳材料的沉積都是可行的,且降低襯底溫度會使得所生成的碳材料更易于出現(xiàn)缺陷;低溫低壓(500℃,100Pa)條件不利于石墨烯薄膜的生長;高溫高壓(900℃,100Pa)條件比較易于生成高質(zhì)量的單層石墨烯薄膜;而在中等溫度、中等壓強(qiáng)條件下,更容易生成島狀、孤立不連續(xù)的碳材料。(2)系統(tǒng)的研究了影響PECVD方法生長碳薄膜材料的各種因素。結(jié)果表明:適宜的溫度不但可以促進(jìn)甲烷的分解,提供足夠的能量形成成核位點(diǎn),還能很好的控制碳薄膜材料的生長速率,有助于薄膜的低維生長;沉積時間增加雖然能使薄膜層數(shù)增加,有助于薄膜的連續(xù)性和均勻性生長,但時間過長薄膜的結(jié)構(gòu)就會從量變到質(zhì)變,從石墨烯轉(zhuǎn)換為石墨材料;表面粗糙度適中的襯底既能幫助碳薄膜迅速形成成核中心,同時又能抑制它的過度成核和往垂直方向的堆疊生長,有利于低維碳薄膜—石墨烯的生長。(3)從熱力學(xué)和動力學(xué)角度探討了PECVD沉積碳薄膜的機(jī)理。結(jié)果表明,碳材料的化學(xué)氣相沉積是復(fù)雜的氣相化學(xué)反應(yīng)和表面化學(xué)反應(yīng)同時進(jìn)行的過程。PECVD法生長碳材料的沉積條件和參數(shù)決定了其反應(yīng)途徑(實現(xiàn)性)和機(jī)理的不同,但總的熱力學(xué)現(xiàn)實性是一定的。本研究中,甲烷的分解主要由熱力學(xué)因素決定;隨后碳?xì)渥杂苫臍庀喾磻?yīng)則主要取決于反應(yīng)動力學(xué)因素;最后,石墨烯的成核與生長則由襯底形貌、沉積溫度等熱力學(xué)和動力學(xué)因素共同決定。所以,可以通過調(diào)節(jié)諸如溫度、壓強(qiáng)和氣體濃度等動力學(xué)因素來控制反應(yīng)的路徑與速率,進(jìn)而可控的獲得不同結(jié)構(gòu)、形貌和功能需求的碳材料。(4)以甲烷為碳源使用CVD方法在銅箔襯底上制備出了大面積高質(zhì)量的單層石墨烯薄膜,所制備的薄膜具有透過率高、遷移率高和導(dǎo)電性較好等特點(diǎn)。同時,為了結(jié)合晶硅太陽能電池器件結(jié)構(gòu)和碳基太陽能電池的優(yōu)勢,將擁有特殊二維柔性結(jié)構(gòu)和優(yōu)異光電性能的石墨烯很好的耦合到SIS結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)器件中,解決了界面態(tài)與費(fèi)米能級釘扎的問題,大大改善了短路電流與開路電壓,進(jìn)一步提高了電池的光電轉(zhuǎn)換效率。結(jié)果表明,將石墨烯薄膜加入到ITO和晶硅中間作為緩沖層材料,不僅可以減少界面態(tài),提高載流子的傳輸與收集;還可以改變其荷電狀態(tài),調(diào)節(jié)內(nèi)部場,在SIS結(jié)構(gòu)器件中起到很好的改性作用。(5)進(jìn)行了石墨烯薄膜的摻雜改性方面的研究與探討,采用原子替換的方式,實現(xiàn)了石墨烯的晶格摻雜,進(jìn)一步改善了石墨烯薄膜的光電特性,提升了基于摻雜石墨烯薄膜的太陽能電池的光電性能。通過兩步法成功的制備了以氮原子為異質(zhì)原子的氮摻雜石墨烯薄膜,該薄膜表現(xiàn)出明顯的n型半導(dǎo)體性能,載流子遷移率為521.8 cm2/V.s,成功的將石墨烯的電阻率降到了7.26×10-6Ω·cm。實驗結(jié)果表明,在摻氮石墨烯薄膜中異質(zhì)元素的進(jìn)入對其導(dǎo)電性的影響是雙重的。同時,摻氮石墨烯薄膜能很好地改善SIS結(jié)構(gòu)太陽能電池的光電性能,使其轉(zhuǎn)換效率達(dá)到6.24%。
[Abstract]:Graphene film, with its excellent electrical and optical properties (transmittance of up to 98%, carrier mobility up to 2 x 105 cm2/ (V.S), electrical conductivity up to 106 S/m), and stable chemical properties, makes it very tempting to improve the efficiency of solar cells and reduce cost. This paper has been prepared from the present preparation of graphene film. With the modification, the problems existing in the optoelectronic and photovoltaic applications (complex growth process, harsh deposition conditions, poor film quality, and film conductivity need to be improved, etc.), the following studies have been carried out for the growth of two dimensional carbon based functional materials with excellent photoelectric properties and the improvement of the properties of SIS structure photovoltaic devices. The two dimensional carbon based film materials were prepared by plasma chemical vapor deposition (RF-PECVD). The thermodynamic and kinetic mechanism in the growth process were systematically discussed. The preparation and photoelectric properties of the carbon and silicon heterojunction devices were also studied. Then, the high quality monolayer graphene film was prepared by CVD technology. The effects of graphene film on the photoelectric properties of SIS structural devices were studied by moving to the monocrystalline silicon. Finally, the nitrogen doping was used to modify the graphene film, and the electronic structure and electrical properties and its effect on the performance of the device were analyzed. The main contents and results are as follows: (1) different deposition strips. Carbon nanomaterials with different structures and morphologies were deposited on different substrates by PECVD method. The experimental results showed that the deposition of carbon materials was feasible and decreased when the substrate temperature remained at the interval of 300~1000 C in the process of depositing carbon materials without hydrogen without hydrogen catalyst without hydrogen. The substrate temperature can make the carbon materials more prone to defects; low temperature and low pressure (500 degrees, 100Pa) conditions are not conducive to the growth of graphene films; high temperature and high pressure (900 C, 100Pa) conditions are easier to produce high quality monolayer graphene thin film; and under medium temperature and medium pressure conditions, it is easier to produce Island, isolated discontinuous carbon. Materials. (2) a variety of factors that affect the growth of carbon films by PECVD method are systematically studied. The results show that the suitable temperature can not only promote the decomposition of methane, provide enough energy to form nucleating sites, but also can control the growth rate of carbon film material well, help the low dimensional growth of the film, and increase the deposition time, although it can make the deposition time increase The increase of the number of film layers contributes to the continuity and uniformity of the film, but the structure of the thin film will change from quantitative to qualitative and from graphene to graphite material, and the medium surface roughness can help the carbon film to form a nuclear center quickly, and also inhibit its excessive nucleation and vertical stacking growth. It is beneficial to the growth of low dimensional carbon film - graphene. (3) the mechanism of PECVD deposition of carbon films was discussed from the thermodynamic and kinetic point of view. The results show that the chemical vapor deposition of carbon materials is a complex gas-phase chemical reaction and a surface chemical reaction. The deposition conditions and parameters of the.PECVD long carbon materials determine their reaction. In this study, the decomposition of methane is mainly determined by thermodynamic factors in this study, and then the gas phase reaction of the free radical is mainly dependent on the kinetic factors; finally, the nucleation and growth of graphene is thermodynamically and dynamically based on the substrate morphology, deposition temperature and so on. Mechanical factors are decided together. So, we can control the path and rate of the reaction by adjusting the dynamic factors such as temperature, pressure and gas concentration, and then control the carbon materials with different structure, morphology and functional requirements. (4) a large area of high quality monolayer is prepared on copper foil substrate by CVD method with methane as carbon source. Graphene films have high transmittance, high mobility and good conductivity. At the same time, in order to combine the structure of silicon solar cells and the advantages of carbon based solar cells, the special two-dimensional flexible structures and excellent photoelectric properties are well coupled to the SIS structure heterojunction devices. The problem of interface state and Fermi energy level pinning has greatly improved the short circuit current and open circuit voltage, and further improved the photoelectric conversion efficiency of the battery. The results show that the addition of graphene film to ITO and crystalline silicon as a buffer layer can not only reduce the interface state, raise the transmission and collection of high carrier, but also change the charge of the charge. The state, adjusting the internal field, plays a very good modification role in the SIS structure. (5) the doping modification of the Shi Moxi film is studied and discussed. The lattice doping of graphene is realized by atomic substitution. The photoelectrical properties of the graphene film are further improved, and the solar energy based on the doped graphene film is enhanced. The photoelectric properties of the battery were successfully prepared by two step method. The nitrogen doped graphene film with nitrogen atoms as the heteroatom was prepared. The film showed obvious n type semiconductor properties and the carrier mobility was 521.8 cm2/V.s. The resistivity of the graphene was reduced to 7.26 * 10-6 Omega cm.. The results showed that the nitrogen doped graphene film was in the film. The influence of the entry of the heterogeneous elements on its conductivity is double. At the same time, the nitrogen doped graphene film can improve the photoelectric properties of the SIS structure solar cells and make the conversion efficiency to 6.24%.
【學(xué)位授予單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TB383.2;O613.71;TM914.4

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本文編號：1996758