柔性石墨烯—硅異質(zhì)結(jié)的制備與物性研究

劉川木

摘 要：采用拉曼散射，光學(xué)電鏡等方法，研究了氣體濃度、退火時(shí)間等條件對(duì)化學(xué)氣相沉淀法（CVD）制備石墨烯的影響。在此基礎(chǔ)上通過(guò)化學(xué)腐蝕法制備了超薄柔性石墨烯-硅異質(zhì)結(jié)，測(cè)試其光伏性能。對(duì)異質(zhì)結(jié)界面處鍍鎳并進(jìn)行退火處理，形成歐姆接觸降低能量勢(shì)壘以改善其光伏性能。

關(guān)鍵詞：石墨烯；超薄硅；異質(zhì)結(jié)；新型太陽(yáng)能電

中圖分類號(hào)：TQ127.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）18-0056-02

近年來(lái)，以太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、地?zé)崮堋⑸镔|(zhì)能和核能為主的新能源正蓬勃發(fā)展。在新能源中，太陽(yáng)能有著儲(chǔ)量巨大、綠色環(huán)保的天然優(yōu)勢(shì)。太陽(yáng)能電池就是一種用來(lái)將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為電能的光電器件裝置，其原理是基于“光生伏特效應(yīng)”。目前，盡管傳統(tǒng)的單晶硅基太陽(yáng)能電池仍占據(jù)著市場(chǎng)的主要份額，但由于其光電性能轉(zhuǎn)化已發(fā)展至瓶頸期，因此對(duì)新型太陽(yáng)能電池的探究引起了人們的廣泛關(guān)注。石墨烯在新型材料領(lǐng)域有著舉足輕重的地位，其優(yōu)異的性能引起了人們的普遍關(guān)注?？煽氐幕瘜W(xué)氣相沉淀法（CVD）使大面積生長(zhǎng)石墨烯透明導(dǎo)電薄膜成為可能[1]。石墨烯的半金屬特性，可以使其與半導(dǎo)體結(jié)合形成肖恩特結(jié)，產(chǎn)生光電效應(yīng)，可用于制備光伏器件，且石墨烯的高導(dǎo)電性、高透光率使其在柔性電子和光電子領(lǐng)域擁有巨大的發(fā)展前景。近來(lái)，輕便、彎曲、柔性和可穿戴的電子設(shè)備越來(lái)越受到青睞，成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。但受限于硅片脆性大、重量重的缺點(diǎn)，傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池在這些領(lǐng)域并不適用，而新興的石墨烯光電器件盡管目前在光電轉(zhuǎn)化率上尚不占優(yōu)勢(shì)，但其優(yōu)良的機(jī)械柔性使其能有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)單晶硅太陽(yáng)能電池的不足。當(dāng)傳統(tǒng)的硅晶圓的厚度不斷減小至幾十個(gè)微米甚至十微米以下時(shí)，薄硅片能慢慢地顯示一定的柔韌性，因此基于單晶純硅的柔性太陽(yáng)能電池的研究正在興起。本文主要研究了柔性石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)器件的光電性能，為未來(lái)新型太陽(yáng)能電池的發(fā)展提供方向。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料如表1所示

1.2 儀器如表2所示

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1）利用化學(xué)氣相沉淀法制備單層石墨烯，通過(guò)控制變量法分別改變甲烷和氫氣的流量比、退火時(shí)間、反應(yīng)時(shí)間、生長(zhǎng)溫度和降溫時(shí)間等生長(zhǎng)參數(shù)，并利用拉曼光譜檢測(cè)石墨烯表征；（2）在氫氧化鉀溶液中以水浴法腐蝕單晶硅，制備超薄柔性硅；（3）事先用銀漿制備好電極，將石墨烯轉(zhuǎn)移至柔性超薄硅上，制備成柔性石墨烯-硅異質(zhì)結(jié)器件，并對(duì)其光伏性能進(jìn)行測(cè)定；（4）制備石墨烯-硅肖特基結(jié)光電器件，并對(duì)器件背面進(jìn)行Ni/Au退火處理，形成歐姆接觸，比較處理前后器件的光伏性能差異。

2 結(jié)果和討論

2.1不同條件下制備的石墨烯拉曼散射圖

如圖1所示，圖中我們可以觀察到兩個(gè)明顯的特征峰：G峰和2D峰。G峰與石墨烯的晶體質(zhì)量有關(guān)，峰位在1580cm-1，而2D峰是來(lái)自聲子共振，峰位在2700cm-1。相比G峰和2D峰的明顯峰強(qiáng)度，反映石墨烯的缺陷和無(wú)序度的D峰的強(qiáng)度幾乎可以忽略不計(jì)，表明我們使用的化學(xué)氣相沉積所生長(zhǎng)的石墨烯質(zhì)量很好；再者2D峰和G峰的強(qiáng)度比值約為2，這說(shuō)明生長(zhǎng)的石墨烯層數(shù)為單層。

從圖1中可以看出，對(duì)于樣品1，雖然從IG/I2D值接近1/2，可以看，作其具有較好的單層特性，但是D峰相對(duì)強(qiáng)度比較高，可見(jiàn)濃度比過(guò)低會(huì)造成石墨烯薄膜的缺陷狀態(tài)較多。

對(duì)于樣品2，其D峰都較弱，缺陷狀態(tài)較少，且IG/I2D比值約為1/2，表示石墨烯具有較好的單層性質(zhì)。對(duì)于樣品3，盡管缺陷狀態(tài)較少，但是從IG/I2D>1/2可以看出，石墨烯更接近雙層的性質(zhì)。樣品4的D峰在四個(gè)石墨烯樣品中最低，IG/I2D值也最接近1/2。

通過(guò)分析可得出結(jié)論，在甲烷氫氣濃度比為10：100，退火60min條件下制備大面積單層石墨烯效果最好。

2.2 柔性石墨烯-硅異質(zhì)結(jié)樣品的表征

如圖2所示，通過(guò)實(shí)驗(yàn)制備的柔性石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)可隨外力發(fā)生形變，在形變角達(dá)到近90°時(shí)樣品未發(fā)生斷裂，顯示出優(yōu)良的柔性。為了防止使用的接觸電極Ag膠有可能由于石墨烯內(nèi)部潛在的微裂紋造成器件不導(dǎo)電，樣品表面保留了一層pmma膠層作為保護(hù)層支撐石墨烯，防止石墨烯膜出現(xiàn)斷裂。圖（a）中樣品隨光照強(qiáng)度變化導(dǎo)電性能起伏明顯，當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)到2mw時(shí)光伏效應(yīng)變化趨于飽和，光電性能優(yōu)異。圖（b）中隨著光源開(kāi)關(guān)快速切換，I-V曲線隨之快速起伏變化，反應(yīng)時(shí)間幾乎可忽略不計(jì)，表現(xiàn)出優(yōu)良的光伏敏感性，且光電性能保持穩(wěn)定?？梢?jiàn)，柔性石墨烯-硅器件完全可滿足柔性太陽(yáng)能電池的性能要求。

2.3 歐姆接觸對(duì)器件光伏性能的影響

為減小電極與半導(dǎo)體硅間形成的肖特基結(jié)的勢(shì)壘，可在電極和半導(dǎo)體硅間渡一層鎳并進(jìn)行退火處理，以形成歐姆接觸層來(lái)減小能量勢(shì)壘。將未做歐姆接觸的器件和做了歐姆接觸的器件作為一組實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)其光伏性能進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。

如圖3所示，比較發(fā)現(xiàn)，石墨烯-硅異質(zhì)結(jié)光電器件在做完背電極歐姆接觸后整流比大幅提高，光響應(yīng)大幅增強(qiáng)，說(shuō)明該器件背電極的歐姆接觸對(duì)提高器件光電性能有很大幫助。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）石墨烯生長(zhǎng)的最佳條件：溫度為1000℃，甲烷與氫氣濃度比為10：100，退火時(shí)間為60min，冷卻時(shí)間為30min。（2）柔性石墨烯-硅光電結(jié)樣品隨光照強(qiáng)度變化導(dǎo)電性能起伏明顯，光電性能優(yōu)異，且在外力作用下由于其優(yōu)良的柔性，光電性能未受大影響?？梢?jiàn)，柔性石墨烯-硅器件完全可滿足柔性太陽(yáng)能電池的性能要求。（3）石墨烯-硅肖特基結(jié)光電器件，在做完背電極歐姆接觸后整流比大幅提高，光響應(yīng)大幅增強(qiáng)，說(shuō)明該器件背電極的歐姆接觸至關(guān)重要。

參考文獻(xiàn)

[1]德鑫.中國(guó)電力行業(yè)新能源發(fā)電模式研究[J].中外企業(yè)家，2015（9）：19-20.