本文關(guān)鍵詞：基于石墨烯的高性能太陽能電池的探索研究

  更多相關(guān)文章： 石墨烯 硅 界面調(diào)控 肖特基結(jié) 太陽能

【摘要】：石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)及電學(xué)性能,因此在能量存儲與轉(zhuǎn)換領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。本論文針對石墨烯在太陽能電池中的應(yīng)用展開工作,以基于石墨烯高性能太陽能電池的制備為目標(biāo),研究了石墨烯在太陽能電池中作為功能層以及透明導(dǎo)電電極的應(yīng)用。以石墨烯／硅(G/Si)肖特基電池為模型研究了石墨烯作為功能層在太陽能電池中的應(yīng)用,系統(tǒng)的研究了界面對G/Si器件性能的影響,通過界面調(diào)控制備了高性能G/Si電池,此外,研究了溶液法制備低成本G/Si電池：探索了石墨烯／氧化鋅陣列(G/ZnO(NRs)復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備并組裝了以石墨烯為透明導(dǎo)電電極的銅鋅錫硫(CZTSSe)電池。主要研究成果如下：(1)由于氧化石墨烯(GO)具有電學(xué)性質(zhì)可調(diào)的特點,因此選用GO作為界面層。引入GO可有效改善電池效率(100%),通過調(diào)控GO的電學(xué)性質(zhì),系統(tǒng)的研究了GO界面層改善電池性能的機理。研究發(fā)現(xiàn)GO界面層的作用主要有三個：一是抑制載流子的界面復(fù)合；二是提高了肖特基勢壘高度(SBH),進而提高了電池的開路電壓(Voc)；三是降低了電荷轉(zhuǎn)移電阻,提高了填充因子(FF)。此外,GO應(yīng)當(dāng)做空穴摻雜層來處理,而不是傳統(tǒng)的絕緣層。進一步對電池進行硝酸摻雜和減反射層處理可使電池效率達到12.3%,為同面積(有效面積0.09cm2)G/Si電池最高效率。(2)GO需經(jīng)過較高溫度(400℃)煅燒才能有效的改善電池效率,因此進一步優(yōu)化了界面材料。選用硫化鉬(MoS2)作為界面材料并且詳細考察了MoS2薄膜熱處理溫度和厚度對電池效率的影響。研究發(fā)現(xiàn)MoS2界面層經(jīng)過80℃熱處理即可有效改善電池效率,原因是此時硅與MoS2之間形成了Ⅱ型異質(zhì)結(jié),促進了載流子的分離和傳輸,因而提升了電池效率；進一步增加MoS2熱處理溫度(200℃)會導(dǎo)致電池效率大幅下降,原因是由于MoS2功函數(shù)變大,導(dǎo)致硅與MoS2之間產(chǎn)生了價帶不匹配,阻礙了載流子的分離和傳輸。進一步硅表面鈍化處理可使電池效率達到6.56%。(3)以電化學(xué)插層石墨烯為前驅(qū)體,采用噴涂法制備低成本G/Si電池。該方法在常溫空氣中進行,方便快捷,適合大規(guī)模生產(chǎn)。對噴涂條件(噴涂時基底溫度(Tsub)和石墨烯薄膜厚度(6))進行了優(yōu)化,實驗結(jié)果表明最優(yōu)噴涂參數(shù)為Tsub=180℃,δ=26 nm。接著引入對苯二酚/甲醇法對硅表面進行鈍化處理,紫外光電子能譜(UPS)表明鈍化之后硅的電子親和能下降了350 meV,因而有效改善了電池效率(-300%)。在最優(yōu)條件下,噴涂法制備的G/Si電池效率可達4.41%,具有工業(yè)化應(yīng)用前景。(4)系統(tǒng)的研究了利用原子氣相沉積(ALD)在石墨烯上沉積ZnO的過程。實驗結(jié)果表明通過利用石墨烯與金屬基底的相互作用力以及水脈沖預(yù)處理,可以在石墨烯上沉積均一致密的ZnO薄膜。在此基礎(chǔ)上利用水熱法制備了G/ZnO(NRs)復(fù)合結(jié)構(gòu),并組裝了石墨烯為透明導(dǎo)電電極的CZTSSe電池。電池效率可以達到1.01%,接近該類型電池最高效率,表明石墨烯是優(yōu)異的透明導(dǎo)電電極材料。
【關(guān)鍵詞】：石墨烯 硅 界面調(diào)控 肖特基結(jié) 太陽能
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(過程工程研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O613.71;TM914.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 前言12-34
• 1.1 引言12
• 1.2 石墨烯簡介12-22
• 1.2.1 石墨烯的結(jié)構(gòu)12-15
• 1.2.2 石墨烯的性能15-17
• 1.2.3 石墨烯的制備17-22
• 1.3 石墨烯在太陽能電池中的應(yīng)用22-31
• 1.3.1 透明導(dǎo)電電極22-24
• 1.3.2 催化對電極24-25
• 1.3.3 活性添加組分25
• 1.3.4 功能層25-31
• 1.4 問題的提出與主要工作內(nèi)容31-34
• 2 化學(xué)氣相沉積制備不同層數(shù)石墨烯薄膜34-44
• 2.1 引言34
• 2.2 化學(xué)氣相沉積制備石墨烯及轉(zhuǎn)移34-38
• 2.2.1 石墨烯的制備34-36
• 2.2.2 石墨烯的轉(zhuǎn)移36-38
• 2.3 石墨烯的表征38-41
• 2.3.1 光學(xué)表征38
• 2.3.2 拉曼表征38-40
• 2.3.3 紫外-可見光光譜40-41
• 2.4 太陽能電池性能檢測41-42
• 2.4.1 伏安特性曲線41-42
• 2.4.2 量子效率譜42
• 2.4.3 電化學(xué)阻抗譜42
• 2.5 本章小結(jié)42-44
• 3 氧化石墨烯作為石墨烯/硅電池界面層的研究44-68
• 3.1 引言44
• 3.2 實驗儀器及方法44-47
• 3.2.1 實驗原料44-45
• 3.2.2 主要儀器和檢測設(shè)備45-46
• 3.2.3 材料制備方法46
• 3.2.4 表征方法及儀器46-47
• 3.3 結(jié)果與討論47-66
• 3.3.1 化學(xué)氣相方法制備石墨烯的表征以及G/Si參比電池效率47-48
• 3.3.2 引入GO界面層以后電池效率變化48-52
• 3.3.3 GO界面層對電池效率影響的研究52-62
• 3.3.4 高效石墨烯/硅電池的制備62-65
• 3.3.5 電池穩(wěn)定性測試65-66
• 3.4 本章小結(jié)66-68
• 4 硫化鉬作為石墨烯/硅電池界面層的研究68-84
• 4.1 引言68-69
• 4.2 實驗儀器及方法69-71
• 4.2.1 實驗原料69
• 4.2.2 主要儀器和檢測設(shè)備69-70
• 4.2.3 實驗方法70
• 4.2.4 材料表征及儀器70-71
• 4.3 結(jié)果與討論71-82
• 4.3.1 MoS_2界面層熱處理溫度對電池效率的影響71-78
• 4.3.2 G/MoS_2/Si電池的能帶結(jié)構(gòu)圖78-80
• 4.3.3 MoS_2界面層厚度對電池效率的影響80-81
• 4.3.4 進一步提高G/MoS_2/Si電池效率81-82
• 4.4 本章小結(jié)82-84
• 5 溶液法制備低成本石墨烯/硅電池84-100
• 5.1 引言84-85
• 5.2 實驗儀器及方法85-87
• 5.2.1 實驗原料85
• 5.2.2 主要儀器和檢測設(shè)備85-86
• 5.2.3 實驗方法86-87
• 5.2.4 材料表征及儀器87
• 5.3 結(jié)果與討論87-98
• 5.3.1 電化學(xué)插層制備的石墨烯的表征87-88
• 5.3.2 噴涂法制備G/Si電池88-98
• 5.4 本章小結(jié)98-100
• 6 石墨烯/氧化鋅陣列復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備及其在銅鋅錫硫電池中的應(yīng)用100-116
• 6.1 引言100-101
• 6.2 實驗儀器及方法101-104
• 6.2.1 實驗原料101
• 6.2.2 主要儀器和檢測設(shè)備101-102
• 6.2.3 實驗方法102-104
• 6.2.4 材料表征及儀器104
• 6.3 結(jié)果與討論104-115
• 6.3.1 利用ALD在石墨烯上沉積ZnO的研究104-108
• 6.3.2 拉曼光譜研究108-110
• 6.3.3 器件制備及表征110-114
• 6.3.4 器件性能測試114-115
• 6.4 本章小結(jié)115-116
• 7 結(jié)論與展望116-118
• 7.1 結(jié)論116-117
• 7.2 展望117-118
• 符號表118-120
• 參考文獻120-134
• 個人簡歷及發(fā)表文章目錄134-136
• 致謝136-137

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本文編號：856099