金纳米颗粒增强石墨烯-硅异质结光伏电池的性能研究

Graphene-silicon heterojunction photovoltaic cells have been attracting increasing interests due to their simple structure and unique photoelectric properties. The overall goal of this proposed project is to develop gold nanoparticles decorate graphene-silicon heterojunction. We hypothesis surface plasmon resonance effects of gold nanoparticles can enhance the photovoltaic performance of the photovoltaic cells by increasing light adsorption efficiency. Further, the doping effects of graphene by gold nanoparticles can tune band structure at graphene-silicon interfaces, which can further improve the energy conversion efficiency of the cells. With an improved understanding of spectral response and junction formation at the heterojunction，the energy conversion efficiency of this photovoltaic cells are expected to be optimized. Furthermore, the relationship between photovoltaic performances of the cells and environmental factors will be examined. It is expected that after the completion of this proposed project, graphene-silicon heterojunction photovoltaic cells may become more practicable in the future.

石墨烯-硅异质结因其简单的结构与优异的光电转换性能，近年来受到广泛的研究和关注。本项目以石墨烯-硅异质结光伏电池为研究对象，利用具有表面等离子体共振效应的金纳米颗粒对石墨烯进行掺杂改性，建立一种调节石墨烯-硅异质结光电转换性能的新方法。探讨石墨烯-硅异质结光谱响应与能带结构共同调节其光电转换的规律，旨在提高光电转换效率。在此基础上，研究在不同环境条件下石墨烯-硅异质结光电转换性能的变化。通过项目的实施，为石墨烯-硅异质结光伏电池的实际应用提供理论依据及实验基础。

具有单原子层结构的二维石墨烯因其优异独特的电学与光学性质，在光电器件与能源领域具有潜在的应用。石墨烯与成熟的硅材料结合所构建的电子与光电器件的研究，有利于更深入的理解石墨烯的基本性质并推动其与成熟的半导体工艺的融合与应用。项目申请人于2010年首次提出石墨烯-硅异质结并研究了其基本的光电转换性能，但其相关的性能仍然较低，内部的光电转换行为也需要更为深入的分析。在已有工作基础上，本项目研究了石墨烯-硅异质结的界面调控行为，界面氧化层的存在可以有效的提高太阳能电池的开路电压；结合金纳米颗粒的掺杂作用可以改进石墨烯-硅太阳能电池的短路电流与填充因子，经过工艺优化，其光电转换效率可以提升到15.6%，为报道时最高值；研究了石墨烯-硅异质结在不同测试条件下的光谱响应行为，由于硅在该体系中主要起到光吸收的作用，因此该结构在890nm波长的入射光照射下，光电流响应最大，同时本项目也深入分析了暗电流的噪音现象与影响因素；基于该结构的主要特征，利用其异质结的内建电场作用，结合金颗粒的表面等离子体增强作用，可以实现石墨烯光电导在红外波段（1550nm）的优异光电响应性能；为了进一步的推动石墨烯作为电极材料的应用，本项目改进与开发了几种具有特别结构特性的电极材料合成技术，为后续的柔性光电器件研究提供了必要的支持与基础。通过本项目的实施，优化提升了石墨烯-硅异质结的光电转换性能，深入的理解了其内部的结构特征、影响因素及其相关机制，为石墨烯异质结构的性能拓展与实际应用奠定了必要的基础。