基于碳纳米管的光伏器件的基础研究

【摘要】：单壁碳纳米管具有独特的准一维纳米结构、优异的电学性能和光伏特性,这些优点使其被广泛用于制作高性能电子器件、光伏器件,构造具有纳米尺度的下一代电路结构与光伏系统。与传统硅材料相比,单壁碳纳米管拥有更高的载流子迁移率、更低的电容值和更强的光响应效率(由于其直接带隙结构)。迄今为止,单壁碳纳米管以不同的形式作为光吸收材料、修饰材料以及电极材料,广泛的用于制作无机太阳能电池、有机太阳能电池、染料敏化太阳能电池等各类型光伏器件。本论文研究了一种基于非对称肖特基接触结构的单根碳纳米管光伏器件,对器件的制作工艺、电学性能以及光伏特性进行了深入研究。通过对单壁碳纳米管原料进行拉曼光谱与光吸收谱的测试,分析了其成分,纯度,缺陷以及手性等特征,得出单壁碳纳米管原料的直径分布以及带隙结构。对单根碳纳米管器件的制作工艺进行了深入研究,包括电子束光刻、金属溅射与lift-off等重要工艺流程,确定合适的工艺参数与器件制作流程,制作出单根碳纳米管光伏器件。器件中单根半导体性单壁碳纳米管作为器件的光吸收材料,金属钯与金属铝作为器件的电极材料。研究了金属钯和金属铝与单壁碳纳米管的接触特性。钯与铝分别作为电极材料,制作出具有对称肖特基接触结构的单根碳纳米管器件。测试结果表明,钯/碳纳米管/钯对称结构器件表现出p型场效应晶体管的特性:沟道电流随负性栅压的增加而增大,而铝/碳纳米管/铝对称结构器件表现出n型场效应晶体管的特性:沟道电流随正性栅压的增加而增大。在相同源漏偏压的条件下,钯器件表现出更大的沟道电流,表明其碳纳米管更易形成良好接触。将金属钯与金属铝分别作为源、漏电极制作在单根碳纳米管的两端,构成钯/碳纳米管/铝非对称肖特基接触结构光伏器件。器件表现出了整流特性,整流比为103。在栅压的调控下,器件的正、反偏电流均表现出p型的导通特性,正偏电流的开关比接近103,而反偏电流的开关比仅有几倍。通过对比不同直径碳纳米管器件的电学特性,发现带隙对器件的源漏电流有着很大的影响。在相同源漏偏压条件下,大带隙的碳纳米管器件拥有更大的源漏电流值。通过利用单频光(1550nm)的照射对器件进行了光伏特性的研究。器件的转换效率为0.45%,量子效率为7.4%。通过对比不同器件之间的性能差异,发现碳纳米管的带隙对于器件的转换效率与量子效率很大影响,碳纳米管的带隙越接近激发光子的能量,器件的转换效率与量子效率越高,并且该趋势成近似的指数增长。这一研究结果对于提高同类型光伏器件及相似结构光伏器件的性能,具有积极的意义。 【关键词】：碳纳米管 肖特基势垒 场效应晶体管 二极管 光伏器件
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TB383.1;TM914.4
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-12
• 第一章 绪论12-26
• 1.1 光伏技术简介12-16
• 1.1.1 光伏技术的发展与应用背景12-14
• 1.1.2 光伏器件的基本原理与参数14-16
• 1.2 碳纳米管简介16-18
• 1.3 碳纳米管在光伏领域中的应用18-22
• 1.3.1 CNT在无机光伏器件中的应用18-19
• 1.3.2 CNT在有机光伏器件中的应用19-21
• 1.3.3 CNT在微纳尺度光伏器件中的应用21-22
• 1.4 本文研究的主要内容22
• 1.5 本章小结22-23
• 参考文献23-26
• 第二章 单壁碳纳米管原料的表征26-33
• 2.1 单壁碳纳米管的结构形貌26-27
• 2.2 单壁碳纳米管的拉曼特性27-30
• 2.3 单壁碳纳米管的光吸收特性30-32
• 2.4 本章小结32
• 参考文献32-33
• 第三章 器件的制作与工艺33-47
• 3.1 器件结构设计33-34
• 3.2 器件的制作流程34-35
• 3.3 电子束光刻工艺35-39
• 3.3.1 电子束光刻简介35-36
• 3.3.2 电子束抗蚀剂36-37
• 3.3.3 曝光参数37-38
• 3.3.4 电子束套刻技术38-39
• 3.4 金属溅射39-43
• 3.4.1 金属溅射原理39-40
• 3.4.2 溅射条件的影响40-41
• 3.4.3 剥离工艺41-43
• 3.5 其它工艺43-44
• 3.5.1 单壁碳纳米管的选取与定位43
• 3.5.2 背栅极的制作43-44
• 3.5.3 高温退火处理44
• 3.6 本章小结44-45
• 参考文献45-47
• 第四章 器件的电学特性研究47-60
• 4.1 对称结构单壁碳纳米管场效应晶体管47-52
• 4.1.1 Pd/SWNT/Pd对称结构47-49
• 4.1.1.1 器件形貌47-48
• 4.1.1.2 电学特性测试48
• 4.1.1.3 理论分析48-49
• 4.1.2 Al/SWNT/Al对称结构49-52
• 4.1.2.1 器件形貌49-50
• 4.1.2.2 电学特性测试50-51
• 4.1.2.3 理论分析51-52
• 4.2 非对称结构场效应晶体管52-58
• 4.2.1 Pd/SWNT/Al52-55
• 4.2.1.1 器件形貌52-53
• 4.2.1.2 电学测试结果53-54
• 4.2.1.3 理论分析54-55
• 4.2.2 金属性SWNT的影响55-56
• 4.2.3 SWNT带隙的影响56-58
• 4.3 本章小结58-59
• 参考文献59-60
• 第五章 器件的光伏特性研究60-66
• 5.1 光伏特性测试准备60-61
• 5.2 光伏特性测试结果61-62
• 5.3 理论计算与分析62-64
• 5.4 本章小结64-65
• 参考文献65-66
• 第六章 总结及展望66-68
• 6.1 论文总结66-67
• 6.2 展望67-68
• 致谢68-69
• 攻读硕士期间发表论文69

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