论文部分内容阅读
石墨烯的二维结构赋予了它独特的物理性能,近年来,石墨烯的生长工艺不断优化,高质量的单原子层石墨烯可以大规模的生产,其优异的导电性、延展性以及对光线良好的透过率等性质使得石墨烯在光电器件领域有着极为广泛的应用,例如光电探测器和太阳能电池。在光电探测器的工艺中,石墨烯超高的载流子迁移率可以使器件达到极大的增益,对于微光探测以及有着重要意义,良好的延展性也铺展了石墨烯在柔性器件的应用前景。在太阳能电池的工艺中,石墨烯的引入可以在保留高效率的同时有效地简化太阳能电池的制备工艺,降低制造成本,研究低成本、高效率的杂化电池能够给光伏发电技术带来更大的竞争力。因此,本文围绕石墨烯与其他半导体材料相结合的光电器件,研究了化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition,CVD)制备的石墨烯与硅(Gr/Si)结合的光电探测器与太阳能电池的基本性能及性能优化、石墨烯与钙钛矿(Gr/MAPbI3)结合的光电探测器的基本性能及性能优化,:(1)在Gr/Si光导型探测器的表面覆盖铂纳米颗粒(PtNPs),可以有效地引入局域等离子体共振(Localized Surface Plasmon Resonance,LSPR),增强硅衬底的光吸收;同时,PtNPs可以有效地掺杂石墨烯,从而增加内建电场的强度。通过优化铂颗粒悬浮液的总量,探测器的最低探测阈值从20 nW降低至0.144 nW,所能达到的响应度从1.32×105AW-1提升到1.68×107AW-1。在同样的光照强度下,铂颗粒增强的器件相比未做处理的器件在响应度上有着超过一个数量级的提升。同时,由于热处理工艺有效地改善了石墨烯和硅衬底之间的接触,减少了缺陷态,使得Gr/Si光电导拥有极快的响应速度,其响应时间可以达到180ns。两个参数都达到了同类型探测器的最高水平。(2)通过在钙钛矿前驱体溶液中掺入石墨烯量子点(GQDs),使得Gr/MAPbI3光导型探测器的性能得到提升。GQDs可以与钙钛矿形成体异质结,从而起到电子陷阱的作用,光生电子被俘获在钙钛矿层内的石墨烯量子点处,空穴则有效地注入到底层的石墨烯导电层当中,有效地减少了光生载流子在传输过程中的复合,使得Gr/MAPbI3探测器的响应度得到了数量级的提升,达到了1.03×106A/W。(3)在Gr/Si太阳能电池的肖特基结中插入中间层氧化钒(Vanadic Anhydride,VOx),通过有效地传输空穴、阻挡电子,电池的转换效率(Power Conversion Efficiency,PCE)显著增强,这与石墨烯和硅之间的形成了更强的内建电场以及硅片极表面反型有关有关。通过调整前驱体溶液的浓度以调节VOx传输层的厚度,发现厚度较小时,内建电场的增幅较弱,电池效率提升较少;厚度较大则会使得两种载流子均在界面处大量积累,使得复合概率增加,同样不利于电池的效率增加。通过优化前驱体的浓度,最终实现了 PCE从2.81%到5.69%的提升。以上结果表明石墨烯在光电器件的应用中展现出了巨大潜力。