界面氧化层调节以提升石墨烯-硅太阳能电池能量转换效率

石墨烯/硅异质结模型自2010年提出后,受到了科研人员的广泛关注。石墨烯是一种性能优异的二维纳米材料,其与传统半导体材料硅的结合,为其性质的理解与实际的应用提供了广阔的研究空间。石墨烯/硅异质结这一基本模型,在太阳能电池、传感探测等领域具有潜在的应用前景。大量的研究工作表明,通过结构设计与石墨烯性质的优化,可以提升该模型作为太阳能电池的光电转换效率。尽管如此,石墨烯/硅异质结的界面状态,以及其在光电转换过程的作用机制仍需要进一步深入的讨论与理解。

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美国麻省理工学院Kong Jing研究组与清华大学、国家纳米科学中心合作者的最新研究表明,石墨烯/硅异质结的界面状态对于其光电转换性能至关重要。在异质结界面处引入氧化层(SiO2),通过对其厚度的调节与控制,作者探讨了其对太阳能电池的性能影响,最终实现其光电转换效率15.6%,该结果也是石墨烯/硅太阳能电池光电转换效率已有报道的最高纪录。

作者研究发现,当石墨烯与硅异质结界面处的氧化层厚度增加时,在光照条件下,其电流/电压曲线往往会呈现S-形,填充因子降低。而通过化学改性处理(金掺杂)等方法可以抑制S形的出现。这是由于在光照条件下的电流取决于界面氧化层附近载流子的隧穿电流与载流子复合电流的动态平衡,氧化层厚度增加往往会导致载流子复合电流升高,从而使电流/电压曲线S-形更为明显,而化学改性可以调节石墨烯的功函数,抑制了载流子的复合。与此同时,界面氧化层厚度的增加,会提升太阳能电池的开路电压。在此基础上,调节界面氧化层厚度达到15埃时,石墨烯/硅异质结的光电转换效率可以优化到12.4%。通过表面减反层的添加,石墨烯/硅太阳能电池的光电转换效率可以提升到15.6%。该现象的研究与讨论不仅可以优化提升石墨烯/硅太阳能电池的光电转换效率,也有助于理解其他类似的二维平面异质结。相关工作已发表于Nano Lettershttp://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl505011f)。