石墨烯量子点的可控制备及其光伏器件应用的研究

【摘要】：作为一种新型零维碳纳米材料，石墨烯量子点由于量子限域和尺寸、边缘效应所带来的独特的热载流子注入能力和上转换发光能力，使其在光电子领域具有广阔的应用前景。而且，使用石墨烯量子点的太阳能电池的效率在理论上具有超过Shockley-Queisser限制的可能。然而由于石墨烯量子点的大规模可控制备尚没有得到很好的解决，而且关于其带隙与发光机理的研究仍处于激烈的讨论当中，所以目前石墨烯量子点在光伏能源应用领域的研究并不多。 本论文主要研究了石墨烯量子点的水热法制备及其在硅基太阳能电池领域里面的应用。 一、石墨烯量子点的水热法制备及表征 水热法是制备石墨烯量子点比较常用的一种方法，它以微米级的氧化石墨烯碎片为原料，经过酸氧化超声及水热还原自上而下得到尺寸较小的石墨烯量子点。这种方法制备的石墨烯量子点，尺寸分布相对集中而且可以通过不同的超声时间调整产物的尺寸分布，而它的带隙与发光特性都存在很强的尺寸依赖性。另外，水热法制备的石墨烯量子点因其表面含有较多含氧官能团而具有较高的反应活性，从而为下一步的表面功能化提供了可能。 二、石墨烯量子点硅基异质结太阳能电池的研究 通过简单地溶液法形成的石墨烯量子点硅异质结器件，由于石墨烯量子点较宽的带隙及其与硅导带相比较大的EC-LUMO差值，有效的抑制了界面处载流子的复合。在Au电极和n-Si之间插入一层GQDs，避免了由于电极与Si直接接触而形成的硅金属化合物，而且石墨烯量子点作为电子阻挡层减小了载流子在阳极的复合，提高了器件的开路电压和短路电流，因而获得了一个相对较高的效率。同时我们研究了晶体硅不同表面修饰及其不同厚度与不同尺寸分布石墨烯量子点对器件性能的影响，分析了器件的能带结构并对器件的机理有了初步的认识，这种简单有效的构建异质结器件的方法为今后石墨烯量子点异质结器件的研究提供了可能。 三、掺杂石墨烯量子点的有机无机杂化光伏器件的研究 基于高透明导电聚合物PEDOT:PSS的硅基杂化异质结器件的研究已经取得了很大的进展，目前这种杂化器件的效率普遍能达到10%以上。然而PEDOT:PSS只能作为空穴传输层在器件中发挥作用，当掺入石墨烯量子点以后，就形成了一种将两者优异特性结合在一起的高导电复合物薄膜，这种薄膜既可以充当空穴传输层，又能够作为电子阻挡层，而且薄膜的电导率很高，载流子的分离与传输也十分的快速有效。基于这种结构的杂化异质结器件的开路电压和短路电流都相对比较高，其转换效率可达12.55%。这为未来低成本、高效率太阳能电池的研发提供了新的机遇。 【关键词】：石墨烯量子点 异质结 太阳能电池
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O613.71;TM914.4
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-38
• 1.1 引言10-12
• 1.2 石墨烯量子点概述12-30
• 1.2.1 石墨烯量子点的制备和表征13-20
• 1.2.2 石墨烯量子点的性能及应用研究20-30
• 1.3 太阳能电池概述30-33
• 1.3.1 太阳能电池的原理及分类30-31
• 1.3.2 太阳能电池的主要性能参数31-33
• 1.4 本论文的研究内容及意义33-34
• 参考文献34-38
• 第二章 石墨烯量子点的制备和表征38-47
• 2.1 引言38-39
• 2.2 石墨烯量子点的制备39-42
• 2.2.1 氧化石墨烯的制备39-40
• 2.2.2 石墨烯量子点的水热法制备40-42
• 2.3 石墨烯量子点的表征42-45
• 2.3.1 GQDs 的 TEM 表征42-43
• 2.3.2 GQDs 的紫外可见吸收表征43
• 2.3.3 GQDs 的红外及拉曼表征43-44
• 2.3.4 GQDs 的 PL 及 PLE 表征44
• 2.3.5 GQDs 的表征所用仪器设备44-45
• 2.5 本章小结45
• 参考文献45-47
• 第三章 基于石墨烯量子点/平面硅的异质结太阳能电池47-61
• 3.1 引言47-48
• 3.2 实验部分48-50
• 3.2.1 实验材料和设备48
• 3.2.2 器件制备与表征48-50
• 3.3 结果与讨论50-58
• 3.3.1 不同表面修饰对器件性能的影响50-52
• 3.3.2 不同结构器件性能的对比52-56
• 3.3.3 不同厚度与不同尺寸分布 GQDs 对器件性能的影响56-58
• 3.4 本章小结58-59
• 参考文献59-61
• 第四章 掺杂石墨烯量子点 PEDOT:PSS 有机/无机杂化太阳能电池性能的研究61-71
• 4.1 引言61-63
• 4.2 实验部分63-64
• 4.2.1 实验材料和设备63
• 4.2.2 器件制备与表征63-64
• 4.3 结果与讨论64-69
• 4.3.1 不同 GQDs 掺杂含量对器件性能的影响64-66
• 4.3.2 经过工艺优化后的器件性能研究66-69
• 4.4 本章小结69
• 参考文献69-71
• 第五章 结论71-73
• 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文73-74
• 致谢74-75

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