基于金屬納米粒子改性的石墨烯-硅太陽能電池研究.pdf

1、石墨烯材料是一種二維的碳衍生物，以其優(yōu)秀的光學(xué)（高透光率）、熱學(xué)、電學(xué)（導(dǎo)電率為106 S/m2）以及力學(xué)（抗拉強度為42 N/m2）等方面的性能和廣泛的應(yīng)用，引起了研究熱潮。另外，石墨烯薄膜作太陽能電池的窗口層材料，在幾乎不影響基底光透射率的情況下能提高硅太陽能電池的光伏性能，因此在半導(dǎo)體光伏器件及太陽能電池領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。利用化學(xué)氣相沉積法（ Chemical Vapor Deposition， CVD）制備單層或多層石墨烯

2、，并成功將石墨烯轉(zhuǎn)移到硅片基底上。同時以提高石墨烯太陽能電池的性能為目的，對金屬納米粒子改性石墨烯/硅太陽能電池進行研究，并用等離子共振理論對改性石墨烯，提高電池光伏效應(yīng)的機理進行了模擬和探究。研究者多用小粒徑的金屬納米粒子對石墨烯進行摻雜，對大粒徑金屬納米粒子作用于石墨烯太陽能電池進行了研究。利用模擬和實驗相結(jié)合的方法研究了石墨烯的金屬粒子改性對石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池的影響。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴利用經(jīng)典化學(xué)氣相沉積法

3、（CVD）制備多層石墨烯，在氬氣（Ar）作保護氣體，甲烷（CH4）作為碳源，銅箔作為基底，在1000℃高溫下甲烷被氫氣（H2）還原，碳原子在銅箔上重組成為石墨烯。目前我們實驗室對甲烷通入的時間及氫氣等對石墨烯品質(zhì)的影響進行了研究，得出在通入甲烷時間為5分鐘石墨烯的光電性能較好。電池在測試中，該條件下未改性的石墨烯光電轉(zhuǎn)換效率及電池性能最佳。⑵探究40nm和80 nm金納米粒子在玻璃基底上的光學(xué)行為，得出在電磁場中金納米粒子之間存在等離子

4、體共振效應(yīng)。利用玻璃基底上的金納米粒子的消光系數(shù)（包括金納米粒子的吸收系數(shù)和散射系數(shù)）的改變，研究金納米粒子表面等離子體共振與金納米粒子粒徑和間距之間的關(guān)系，以確定最佳的金納米粒子間間距和粒徑。對于40 nm金粒子，粒子間間距小于100 nm，等離子體共振增強作用較強，對于80 nm金粒子，粒子間間距小于200nm，等離子共振增強作用較強。⑶利用時域有限差分法（finite difference time domain, FDTD）計算

5、機模擬方法模擬太陽光條件下，增加銀納米粒子前后石墨烯/硅基底上光的吸收及反射的等光學(xué)行為的變化。結(jié)果顯示添加銀納米粒子后，進入石墨烯/硅基底的光強度增加了4.5％（波長為520 nm處），對光的反射減少了12.7%（波長為408 nm處）。⑷對石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池進行鉑、金粒子等金屬粒子改性，其中鉑粒子改性前后電池的光電轉(zhuǎn)換效率提高了1.4倍（從4.15%提高至10.02%），開路電壓和短路電流有明顯的提高，電池的填充因子提高了0