新型石墨烯/氮化硼/砷化鎵范德華異質(zhì)結(jié)太陽能電池

石墨烯的費米能級可調(diào)為石墨烯/半導體異質(zhì)結(jié)太陽能電池的設計帶來了獨特優(yōu)勢，已有的實驗結(jié)果通過化學摻雜和電場調(diào)節(jié)證明了石墨烯費米能級調(diào)節(jié)對電池性能的巨大影響。但由于石墨烯與半導體襯底之間的電荷轉(zhuǎn)移，石墨烯費米能級調(diào)節(jié)范圍受到嚴重限制。本項目選擇性能優(yōu)異的砷化鎵作為襯底，在石墨烯/砷化鎵異質(zhì)結(jié)界面上增加原子層厚度的二維六方氮化硼抑制電荷轉(zhuǎn)移以獲得勢壘高度更高的范德華異質(zhì)結(jié)，利用電學測試以及拉曼測試、瞬態(tài)PL測試研究二維氮化硼厚度對結(jié)勢壘高度的影響以及對界面載流子傳輸與復合的影響，研究二維氮化硼厚度對石墨烯費米能級調(diào)節(jié)范圍的影響，并在這些研究的基礎上獲得高效率的石墨烯基太陽能電池器件。本項目針對石墨烯/半導體異質(zhì)結(jié)中的特殊物理，在石墨烯/氮化硼/砷化鎵全新材料體系中研究范德華二維材料異質(zhì)結(jié)的界面電學特性，對高性能二維材料異質(zhì)結(jié)器件的設計具有重要意義。

石墨烯材料的能帶結(jié)構(gòu)決定了石墨烯的電學性能可調(diào)制性，已有的報道已經(jīng)說明化學摻雜或者電場摻雜均可以改變石墨烯材料以及器件的電學性能。在石墨烯/半導體異質(zhì)結(jié)器件中，由于石墨烯與半導體襯底之間的電荷轉(zhuǎn)移，石墨烯費米能級調(diào)節(jié)范圍受到嚴重限制。本項目在石墨烯/砷化鎵異質(zhì)結(jié)界面上增加原子層厚度的二維六方氮化硼抑制電荷轉(zhuǎn)移以獲得勢壘高度更高的范德華異質(zhì)結(jié)，結(jié)合石墨烯摻雜、表面等離子增強等手段最終獲得高性能的石墨烯/砷化鎵范德華異質(zhì)結(jié)器件。 本項目利用電學測試以及拉曼測試、瞬態(tài)PL測試等手段研究二維氮化硼厚度對結(jié)勢壘高度的影響以及對界面載流子傳輸與收集的影響，研究二維氮化硼厚度對石墨烯費米能級調(diào)節(jié)范圍的影響，并根據(jù)所得到的實驗規(guī)律設計高性能的石墨烯/半導體異質(zhì)結(jié)器件。本項目主要結(jié)果包括：通過界面二維氮化硼介電層的加入，得到了電性能更好的石墨烯/半導體異質(zhì)結(jié)太陽能電池以及光電探測器；首次獲得了石墨烯/薄膜碲化鎘異質(zhì)結(jié)太陽能電池，并通過光摻雜提高了石墨烯/碲化鎘太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率，提升比例約50%；設計并獲得了高探測度的自驅(qū)動型二硫化鉬/氮化硼/砷化鎵光電探測器，通過在二硫化鉬/砷化鎵異質(zhì)結(jié)器件的界面上插入二維氮化硼層，提高了二硫化鉬/砷化鎵異質(zhì)結(jié)器件的勢壘高度并降低暗態(tài)電流，進一步結(jié)合硅量子點引入的光摻雜效應，我們獲得了探測度最高的二硫化鉬相關光電探測器；通過將表面等離激元應用在石墨烯/半導體異質(zhì)結(jié)中，將8.83%轉(zhuǎn)化效率的石墨烯/砷化鎵異質(zhì)結(jié)提升到11.8%，再結(jié)合化學摻雜以及表面減反射共同作用，獲得了性能穩(wěn)定的轉(zhuǎn)化效率16.2%的石墨烯/砷化鎵異質(zhì)結(jié)太陽能電池。 本項目工作探索了界面電性能調(diào)制在石墨烯相關二維異質(zhì)結(jié)器件中的應用，并通過一系列測試闡明了界面介質(zhì)層的作用機制，為未來更高性能的石墨烯相關二維材料器件的設計提供了理論基礎和實驗基礎。本項目相關工作工發(fā)表SCI論文7篇，總影響因子大于40，其中影響因子大于10的論文2篇。 [1]