以石墨烯为首的二维材料自被发现以来引起了广泛的关注,因其独特的层状结构而具有优异的光学、电学、磁学、力学等性质,在光电、信息、能源、催化等诸多领域展现了巨大的应用潜力。比如,具有高迁移率、高透光性特点的石墨烯,可以在太阳能电池中作为透明电极或用来构筑高质量的异质结;二硫化钼这一类过渡金属硫族化合物具有层数依赖的光学带隙,可以通过对其电学性质的调控来实现定制化高性能器件的应用。当前基于二维层状材料的光电探测器很难同时具备优异的响应度和探测率。一般而言光导型器件的响应度虽高但是探测率不理想,而异质结型器件的探测率很高而响应度仍处在较低的值;另一方面,硅基有机-无机杂化太阳能电池很难同时具备理想的光电转换效率和性能稳定性,最高转换效率常常在一段时间之后出现明显的衰减。此外,在制备光电器件过程中,昂贵的材料成本、复杂的加工工艺也很大程度上制约了其商业化应用。因此,本论文以提高性能、降低成本和简化工艺为目标,围绕应用于光电器件的二维材料/硅异质结的设计和制备进行研究,取得如下四个进展:(1)设计了基于溶液法制备的还原氧化石墨烯-二硫化钼/硅金字塔(RGO-Mo S2/pyramid Si)三维异质结光电探测器。由于结构化的异质结对光吸收的增强以及RGO对载流子分离和输运的促进作用,器件的探测率最高达到了3.8×1015 Jones(Jones=cm Hz1/2 W-1),为目前所有基于二维金属硫族化合物材料光电探测器的最高值,器件的响应度和响应速度分别为21.8 A W-1和2.8μs。此外,利用二硫化钼中缺陷态对红外吸收增强的作用,器件具有从紫外到中红外的超宽光谱响应范围,其中在1310和1550 nm两个通讯波段的探测率比已报道同类型器件高出三个数量级。(2)基于溶液法设计并制备了二硫化钨/硅纳米柱(WS2/Si nanopillars)三维异质结。通过改变所使用硅纳米柱的直径对异质结的形貌进行调控,使二硫化钨能同时在硅柱的侧面和顶面较均匀地分布。其中,沿着侧面生长的二硫化钨与硅形成更多的异质结界面,而顶面的二硫化钨形成的平整薄膜可以作为载流子输运的通道。所组装成的探测器具有优异的近红外探测性能,在808 nm波长下器件的探测率达到了2.55×1013 Jones,为当前已报道二硫化钨探测器的最高值;同时,610 m A W-1的响应度和25.5μs的响应速度在同类型器件中也具有一定的竞争力。此外,通过将二硫化钨/硅纳米柱三维异质结探测器与一个标准的OLED器件串联,成功构筑了“上转换”光电探测系统,实现对人眼不可见的红外信号直接以人眼可见的绿光信号进行反馈。(3)基于传统的聚苯乙烯(PS)小球辅助RIE刻蚀硅纳米柱的工艺,通过在刻蚀过程中将氧化硅片倾斜一定的角度,制备出了带有倾斜角度的硅纳米柱阵列。由于RIE为各向同性刻蚀,所以该倾斜角可以为0°-90°范围的任意值。吸收测试和FDTD(时域有限差分法)模拟都证实带有一定倾斜角的硅柱比普通垂直的硅柱在可见光波段具有更好的光吸收性能。将带有倾斜角的硅纳米柱与石墨烯构筑成肖特基异质结器件,其光伏转换效率和光电探测响应度与普通垂直硅柱的器件相比都有明显的提升。此外,还可以通过在PS小球之间蒸镀金属膜的方法,制备出带有任意倾斜角度的硅纳米孔阵列。这类带有倾斜角的一维硅结构可以广泛应用于硅基光电器件中。(4)设计了石墨烯/PEDOT:PSS/硅有机-无机杂化太阳能电池,用石墨烯替代传统的金属栅网作为透明电极,一方面避免了金属栅网的挡光影响,一方面也可以将下方的有机层与空气隔离从而保证器件性能的稳定。此外,将在湿法转移石墨烯过程中所用的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)层保留,并与PEDOT:PSS构筑成双层减反膜,再分别调控PEDOT:PSS层的厚度、PMMA层的厚度以及石墨烯电极的层数,石墨烯/PEDOT:PSS/硅电池的转换效率最高可以达到13.01%,而且得益于石墨烯稳定的理化性质,电池也展现出很好的性能稳定性。