柔性石墨烯—硅异质结的制备与物性研究

刘川木

摘 要：采用拉曼散射，光学电镜等方法，研究了气体浓度、退火时间等条件对化学气相沉淀法（CVD）制备石墨烯的影响。在此基础上通过化学腐蚀法制备了超薄柔性石墨烯-硅异质结，测试其光伏性能。对异质结界面处镀镍并进行退火处理，形成欧姆接触降低能量势垒以改善其光伏性能。

关键词：石墨烯；超薄硅；异质结；新型太阳能电

中图分类号：TQ127.1 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）18-0056-02

近年来，以太阳能、风能、水能、地热能、生物质能和核能为主的新能源正蓬勃发展。在新能源中，太阳能有着储量巨大、绿色环保的天然优势。太阳能电池就是一种用来将太阳辐射能转化为电能的光电器件装置，其原理是基于“光生伏特效应”。目前，尽管传统的单晶硅基太阳能电池仍占据着市场的主要份额，但由于其光电性能转化已发展至瓶颈期，因此对新型太阳能电池的探究引起了人们的广泛关注。石墨烯在新型材料领域有着举足轻重的地位，其优异的性能引起了人们的普遍关注。可控的化学气相沉淀法（CVD）使大面积生长石墨烯透明导电薄膜成为可能[1]。石墨烯的半金属特性，可以使其与半导体结合形成肖恩特结，产生光电效应，可用于制备光伏器件，且石墨烯的高导电性、高透光率使其在柔性電子和光电子领域拥有巨大的发展前景。近来，轻便、弯曲、柔性和可穿戴的电子设备越来越受到青睐，成为未来的发展趋势。但受限于硅片脆性大、重量重的缺点，传统太阳能电池在这些领域并不适用，而新兴的石墨烯光电器件尽管目前在光电转化率上尚不占优势，但其优良的机械柔性使其能有效弥补传统单晶硅太阳能电池的不足。当传统的硅晶圆的厚度不断减小至几十个微米甚至十微米以下时，薄硅片能慢慢地显示一定的柔韧性，因此基于单晶纯硅的柔性太阳能电池的研究正在兴起。本文主要研究了柔性石墨烯/硅异质结器件的光电性能，为未来新型太阳能电池的发展提供方向。

1 实验部分

1.1 原料如表1所示

1.2 仪器如表2所示

1.3 实验过程

（1）利用化学气相沉淀法制备单层石墨烯，通过控制变量法分别改变甲烷和氢气的流量比、退火时间、反应时间、生长温度和降温时间等生长参数，并利用拉曼光谱检测石墨烯表征；（2）在氢氧化钾溶液中以水浴法腐蚀单晶硅，制备超薄柔性硅；（3）事先用银浆制备好电极，将石墨烯转移至柔性超薄硅上，制备成柔性石墨烯-硅异质结器件，并对其光伏性能进行测定；（4）制备石墨烯-硅肖特基结光电器件，并对器件背面进行Ni/Au退火处理，形成欧姆接触，比较处理前后器件的光伏性能差异。

2 结果和讨论

2.1不同条件下制备的石墨烯拉曼散射图

如图1所示，图中我们可以观察到两个明显的特征峰：G峰和2D峰。G峰与石墨烯的晶体质量有关，峰位在1580cm-1，而2D峰是来自声子共振，峰位在2700cm-1。相比G峰和2D峰的明显峰强度，反映石墨烯的缺陷和无序度的D峰的强度几乎可以忽略不计，表明我们使用的化学气相沉积所生长的石墨烯质量很好；再者2D峰和G峰的强度比值约为2，这说明生长的石墨烯层数为单层。

从图1中可以看出，对于样品1，虽然从IG/I2D值接近1/2，可以看，作其具有较好的单层特性，但是D峰相对强度比较高，可见浓度比过低会造成石墨烯薄膜的缺陷状态较多。

对于样品2，其D峰都较弱，缺陷状态较少，且IG/I2D比值约为1/2，表示石墨烯具有较好的单层性质。对于样品3，尽管缺陷状态较少，但是从IG/I2D>1/2可以看出，石墨烯更接近双层的性质。样品4的D峰在四个石墨烯样品中最低，IG/I2D值也最接近1/2。

通过分析可得出结论，在甲烷氢气浓度比为10：100，退火60min条件下制备大面积单层石墨烯效果最好。

2.2 柔性石墨烯-硅异质结样品的表征

如图2所示，通过实验制备的柔性石墨烯/硅异质结可随外力发生形变，在形变角达到近90°时样品未发生断裂，显示出优良的柔性。为了防止使用的接触电极Ag胶有可能由于石墨烯内部潜在的微裂纹造成器件不导电，样品表面保留了一层pmma胶层作为保护层支撑石墨烯，防止石墨烯膜出现断裂。图（a）中样品随光照强度变化导电性能起伏明显，当光照强度达到2mw时光伏效应变化趋于饱和，光电性能优异。图（b）中随着光源开关快速切换，I-V曲线随之快速起伏变化，反应时间几乎可忽略不计，表现出优良的光伏敏感性，且光电性能保持稳定。可见，柔性石墨烯-硅器件完全可满足柔性太阳能电池的性能要求。

2.3 欧姆接触对器件光伏性能的影响

为减小电极与半导体硅间形成的肖特基结的势垒，可在电极和半导体硅间渡一层镍并进行退火处理，以形成欧姆接触层来减小能量势垒。将未做欧姆接触的器件和做了欧姆接触的器件作为一组实验对象，对其光伏性能进行对比测试。

如图3所示，比较发现，石墨烯-硅异质结光电器件在做完背电极欧姆接触后整流比大幅提高，光响应大幅增强，说明该器件背电极的欧姆接触对提高器件光电性能有很大帮助。

3 结语

（1）石墨烯生长的最佳条件：温度为1000℃，甲烷与氢气浓度比为10：100，退火时间为60min，冷却时间为30min。（2）柔性石墨烯-硅光电结样品随光照强度变化导电性能起伏明显，光电性能优异，且在外力作用下由于其优良的柔性，光电性能未受大影响。可见，柔性石墨烯-硅器件完全可满足柔性太阳能电池的性能要求。（3）石墨烯-硅肖特基结光电器件，在做完背电极欧姆接触后整流比大幅提高，光响应大幅增强，说明该器件背电极的欧姆接触至关重要。

参考文献

[1]德鑫.中国电力行业新能源发电模式研究[J].中外企业家，2015（9）：19-20.