【摘要】：石墨烯具有優(yōu)異的光學及電學特性，在未來光電子器件透明電極領域有廣闊的應用前景。硅納米結構尤其是垂直排列的硅納米陣列結構具有優(yōu)異的陷光能力和電荷傳輸能力，在新一代高性能太陽能電池領域吸引了人們廣泛的研究興趣。制備穩(wěn)定低成本高轉換效率的石墨烯/硅光伏器件是當前的研究熱點與前沿方向。 本文主要對基于石墨烯與硅納米結構的高性能光伏器件的構造與光電性能展開系統(tǒng)研究。通過制備高質量石墨烯與多種具有優(yōu)異陷光能力的硅納米（微米）陣列結構，對硅納米（微米）陣列結構進行表面鈍化、對石墨烯進行修飾摻雜、以及引入電子阻擋層等手段構筑了高性能石墨烯/硅光伏器件。此外，還構筑了基于硅納米線陣列的異質結器件并對其光伏和光電響應特性進行了研究。主要的研究結果如下： 1）采用化學氣相沉積法（CVD）合成出高質量的石墨烯，利用HNO3、AuCl3等對石墨烯進行摻雜，結合對石墨烯層數(shù)的控制，實現(xiàn)其導電性和功函數(shù)的調控；利用CVD、金屬輔助化學刻蝕法及反應離子刻蝕等方法成功制備硅納米線和多種具有優(yōu)異陷光能力的硅納米（微米）陣列結構。采用甲基和Pt納米顆粒修飾對硅表面進行鈍化，，有效的降低其表面載流子復合速率。 2）制備了單層石墨烯/硅納米線陣列光伏器件，研究了器件結構與器件性能的關系，采用石墨烯分散液填充硅納米線間隙將器件能量轉換效率提升至2.15%；構建了單層石墨烯納米帶/多根硅納米線光伏器件，研究了納米線摻雜濃度與器件光伏性能的關系，納米線摻雜濃度最高時器件能量轉換效率達1.47%。 3）提出采用硅納米孔陣列以增加石墨烯與硅的有效結區(qū)面積，系統(tǒng)的研究了硅表面鈍化、石墨烯層數(shù)、HNO3摻雜時間等因素對器件光伏性能的影響。通過優(yōu)化條件，實現(xiàn)能量轉換效率分別達6.85%和7.65%的基于硅納米線陣列和硅納米孔陣列光伏器件。通過引入有機電子阻擋層，降低了硅端電子擴散至石墨烯端復合的幾率，器件效率進一步提升至8.71%和10.30%。構筑了石墨烯/硅微米孔陣列光伏器件，研究了孔陣列深度與其陷光能力以及器件光伏性能之間的關系。利用具有持續(xù)摻雜效果的AuCl3對石墨烯進行摻雜，器件能量轉換效率提升至10.40%，且具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。 4）構筑了碳量子點/硅納米線陣列三維核/殼異質結光電器件，研究了該異質結的整流比、開啟電壓、理想因子和勢壘高度等參數(shù)。系統(tǒng)地對碳量子點層數(shù)與器件光伏性能的關系進行了研究，最優(yōu)器件的能量轉換效率為9.10%。進一步發(fā)現(xiàn)該器件可作為自驅動的高靈敏快速光電探測器并對光電探測的關鍵參數(shù)進行了研究。 5）構建了p型CdTe納米帶/n型硅納米線陣列異質結光電器件，研究了該異質結的關鍵參數(shù)。由于兩種材料較為匹配的能帶關系以及納米線陣列優(yōu)異的陷光能力，該異質結能充分吸收可見及近紅外光，器件能量轉換效率為2.3%，遠高于基于平面硅的器件。此外，該器件還可以作為穩(wěn)定的自驅動光電探測器并具有快的響應速度。 本文在基于石墨烯與硅納米結構高性能光伏器件的構造與光電性能研究中的主要創(chuàng)新之處為：通過調控石墨烯的導電性與功函數(shù)、降低硅表面載流子復合速率、增加硅納米（微米）結構陷光能力、增大石墨烯與硅有效結區(qū)面積以及降低硅端載流子擴散至石墨烯端復合幾率等手段構筑了高性能石墨烯/硅光伏器件；利用硅納米線陣列優(yōu)異的陷光能力、異質結的能帶匹配關系和三維核/殼結構獨特的電荷傳輸特性構建了高性能硅納米線陣列異質結光電器件。
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【學位授予單位】：合肥工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TM914.4;TB383.1

【參考文獻】

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本文編號：2417624