石墨烯/硅异质结光伏材料的结构和载流子传输性质的研究

Improving the conversion efficiency and extending cells life of solar cells is the key to the development of photovoltaic materials. As a subject with new interest in solar cells, graphene/silicon heterojunction photovoltaic device has been widely studied due to the high transparency and high electrical conductivity of graphene, the favourable trapping light capacity of silicon, and the advantages of the energy band matching between them. In this project, we will adopt AGA/TB combined with DFT method to study the structures, carrier transport properties and photoconductivity of the various of graphene/silicon heterojunction models consist of p-graphene with B doping, Au adsorbing and n-silicon with P doping. We aim to investigate the mechanism of carrier transport and provide important theoretical information to the experimental design.

提高能量转换效率，延长太阳能电池的寿命是光伏材料发展的关键。石墨烯/硅异质结光伏器件结合了石墨烯的高透明性和高导电性以及硅良好的陷光能力，并充分发挥二者能级匹配优势，已成为新一代太阳能电池的研究热点。本项目中，我们拟从理论上设计硼掺杂、金纳米晶吸附的p型石墨烯(p-G)，与磷掺杂的n型硅表面(n-Si)构成的p-G/n-Si异质结模型，以自适应遗传算法(AGA)/紧束缚(TB)结合第一性原理方法为计算工具，通过研究不同结构模型的载流子在异质结中的传输、光电导等特性，探索不同模型的载流子传输机制，揭示提高p-G/n-Si异质结光伏器件能量转换效率可能的方式，为开发设计性能更优的异质结太阳能电池提供重要的理论信息。

石墨烯/硅异质结构结合了石墨烯的高透明性和高导电性以及硅良好的陷光能力，并充分发挥二者能级匹配优势，成为新一代光伏器件的研究热点。本项目通过设计p-型石墨烯/硅(包括p-B@Gr/Si和p-Au20@Gr/Si)异质结构，采用三中心TB势结合第一性原理计算方法研究其稳定性，并探索其能带和功函数等性质。p-型石墨烯的设计能够扩大Gr/Si异质结构的内建电场，即能够改善异质结收集光生载流子的能力，从而改善Gr/Si异质结光伏器件的性能。鉴于Gr/Si异质结构的优异性质，我们还研究了Li离子在Gr/Si异质结构中的扩散行为。研究表明，石墨烯中缺陷的存在更有利于Li离子的顺利扩散，带有大量DV5-8-5缺陷的石墨烯笼更适合作为锂离子电池阳极中硅微粒的封装材料。此外，我们还拓展研究了半导体Si、Ge纳米团簇的光吸收性质；设计了类石墨炔平面结构，研究其稳定性及掺杂N原子后的磁性性质。