【摘 要】
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石墨烯作为二维材料的代表,同时兼顾了导电率和透光率,使得石墨烯广泛用于研究新型光电器件,其中采用石墨烯作为透明电极的石墨烯/硅肖特基结太阳能电池具有工艺简单、节约硅材料等优点,有望开发新一代环境友好,高效的太阳能电池,具有广阔的应用前景。但是,这种新型太阳能电池转换效率低,限制了其大规模运用,因此,如何提高器件的性能成为主要的研究方向。本文从石墨烯薄膜制备出发,首先采用化学气相沉积制备了相应薄膜,
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石墨烯作为二维材料的代表,同时兼顾了导电率和透光率,使得石墨烯广泛用于研究新型光电器件,其中采用石墨烯作为透明电极的石墨烯/硅肖特基结太阳能电池具有工艺简单、节约硅材料等优点,有望开发新一代环境友好,高效的太阳能电池,具有广阔的应用前景。但是,这种新型太阳能电池转换效率低,限制了其大规模运用,因此,如何提高器件的性能成为主要的研究方向。本文从石墨烯薄膜制备出发,首先采用化学气相沉积制备了相应薄膜,并通过环十二烷辅助转移,组装相应的石墨烯/硅太阳能电池,接着引入硅金字塔阵列以及采用掺氮碳量子点作为界面层,制备了高性能低成本的太阳能电池。并利用太阳能电池I-V测试系统、反射率、TEM、SEM、XPS和PL等测试手段对器件和薄膜进行了分析。主要研究工作如下:一、铜箔作为生长基底,甲烷和氢气作为反应气体,采用射频-等离子增强化学气相沉积（RF-PECVD）进行了石墨烯的可控制备,并研究了反应时间（1 min-4min）,射频功率（50 W-150 W）和生长温度（700℃-900℃）对石墨烯薄膜质量的影响。采用了Raman光谱分析了石墨烯的缺陷与结晶度,通过SEM观察了石墨烯的连续性。通过优化参数获得了最佳的实验条件:反应时间为2 min,射频功率为50W,生长温度为900℃。采用石墨烯组装了相应的太阳能电池,表现出明显的光电效应。二、通过KOH各向异性刻蚀在硅表面制备了金字塔阵列,研究了硅表面反射率对电池性能的影响,在KOH浓度为0.05 g/m L,腐蚀时间为30 min,异丙醇（IPA）含量为20%时达到最优的陷光效果,反射率从43%下降到11%,提高了电池对太阳光的利用。接着,在该制绒基底上组装了Gr/Si Pa太阳能电池,制绒后,由于优异的减反效果,短路电流密度提升了67%,串联电阻降低了55%,使得电池效率从1.46%提升至2.62%,经过硝酸掺杂后效率提升至4.64%。三、石墨烯和硅接触的界面存在较为严重的界面复合问题,通过水热合成掺氮碳量子点（N-CQDs）进行界面修饰和钝化。采用TEM,PL和XPS分析了碳量子点的相关性能,通过旋涂的方法组装相应的Gr/N-CQDs/n-Si太阳能电池,分别探讨了量子点尺寸和旋涂次数对器件性能的影响。N-CQDs的加入能有效的钝化界面,降低器件的串联电阻,使得填充因子从22.3%提升到31.7%,效率从1.46%提升到4.33%,经过硝酸掺杂后,效率提升到8.3%。
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