【摘要】：石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)及電學(xué)特性，在未來光電子器件透明電極領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。硅納米結(jié)構(gòu)尤其是垂直排列的硅納米陣列結(jié)構(gòu)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(lǐng)域吸引了人們廣泛的研究興趣。制備穩(wěn)定低成本高轉(zhuǎn)換效率的石墨烯/硅光伏器件是當(dāng)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(jié)構(gòu)的高性能光伏器件的構(gòu)造與光電性能展開系統(tǒng)研究。通過制備高質(zhì)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(jié)構(gòu)，對硅納米（微米）陣列結(jié)構(gòu)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(gòu)筑了高性能石墨烯/硅光伏器件。此外，還構(gòu)筑了基于硅納米線陣列的異質(zhì)結(jié)器件并對其光伏和光電響應(yīng)特性進行了研究。主要的研究結(jié)果如下： 1）采用化學(xué)氣相沉積法（CVD）合成出高質(zhì)量的石墨烯，利用HNO3、AuCl3等對石墨烯進行摻雜，結(jié)合對石墨烯層數(shù)的控制，實現(xiàn)其導(dǎo)電性和功函數(shù)的調(diào)控；利用CVD、金屬輔助化學(xué)刻蝕法及反應(yīng)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(jié)構(gòu)。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(fù)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(jié)構(gòu)與器件性能的關(guān)系，采用石墨烯分散液填充硅納米線間隙將器件能量轉(zhuǎn)換效率提升至2.15%；構(gòu)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(guān)系，納米線摻雜濃度最高時器件能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)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(jié)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(zhuǎn)換效率分別達(dá)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(fù)合的幾率，器件效率進一步提升至8.71%和10.30%。構(gòu)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(guān)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(zhuǎn)換效率提升至10.40%，且具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。 4）構(gòu)筑了碳量子點/硅納米線陣列三維核/殼異質(zhì)結(jié)光電器件，研究了該異質(zhì)結(jié)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(guān)系進行了研究，最優(yōu)器件的能量轉(zhuǎn)換效率為9.10%。進一步發(fā)現(xiàn)該器件可作為自驅(qū)動的高靈敏快速光電探測器并對光電探測的關(guān)鍵參數(shù)進行了研究。 5）構(gòu)建了p型CdTe納米帶/n型硅納米線陣列異質(zhì)結(jié)光電器件，研究了該異質(zhì)結(jié)的關(guān)鍵參數(shù)。由于兩種材料較為匹配的能帶關(guān)系以及納米線陣列優(yōu)異的陷光能力，該異質(zhì)結(jié)能充分吸收可見及近紅外光，器件能量轉(zhuǎn)換效率為2.3%，遠(yuǎn)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(qū)動光電探測器并具有快的響應(yīng)速度。 本文在基于石墨烯與硅納米結(jié)構(gòu)高性能光伏器件的構(gòu)造與光電性能研究中的主要創(chuàng)新之處為：通過調(diào)控石墨烯的導(dǎo)電性與功函數(shù)、降低硅表面載流子復(fù)合速率、增加硅納米（微米）結(jié)構(gòu)陷光能力、增大石墨烯與硅有效結(jié)區(qū)面積以及降低硅端載流子擴散至石墨烯端復(fù)合幾率等手段構(gòu)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(zhì)結(jié)的能帶匹配關(guān)系和三維核/殼結(jié)構(gòu)獨特的電荷傳輸特性構(gòu)建了高性能硅納米線陣列異質(zhì)結(jié)光電器件。
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【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TM914.4;TB383.1

【參考文獻】

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