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研究生： 曾紀洋
Chi-Yang Tseng
論文名稱： 以NFSI有機分子摻雜化學氣相沉積法石墨烯並提升石墨烯/矽-蕭基接面太陽能電池轉換效率
NFSI Doped CVD-Graphene for Enhancing the Efficiency of Graphene-Silicon Schottky Photovoltaics
指導教授： 陳家俊
Chen, Chia-Chun
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 化學系
Department of Chemistry
論文出版年： 2012
畢業學年度： 100
語文別： 中文
論文頁數： 110
中文關鍵詞： 石墨烯 、摻雜 、蕭基接面太陽能電池
英文關鍵詞： graphene, doping, Schottky-junction solar cells
論文種類： 學術論文
相關次數： 點閱：147  下載：3 
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    • 石墨烯，為碳碳原子之間以sp2鍵鍵結而成的二維結構材料，因為具有許多特殊的物理性質，像是高載子遷移率、高熱傳導性、優異的機械性質及光學性質，因此可望應用在電晶體、透明導電電極、偵測器以及光電元件上。
    近年來，許多研究致力於改善以及探索石墨烯的電性，並可望開發於光電元件上的應用。在本篇論文中，我們以化學摻雜的方式摻雜NFSI((C6H5SO2)2NF)分子於石墨烯上。NSFI摻雜後的石墨烯，其電阻值明顯大幅的下降並且還維持著良好的穿透度。在拉曼圖譜中確認NFSI對石墨烯摻雜上的變化，摻雜前後比較，發現G band和2D band偏移分別為1581至 1586 cm-1、2631 至2643cm-1。更進一步了解摻雜前後電性上的改變，從石墨烯電晶體以及霍爾效應量測電性的結果，我們發現石墨烯電洞的載子濃度大幅度上升，證明了NFSI摻雜之石墨烯為P型態摻雜，而載子遷移率的下降主要是因為雜質散射所造成。
    此外，我們結合了一層NFSI-石墨烯/n-矽形成蕭基接面太陽能電池做為探討。在這樣的結構元件下，以AM1.5照射所得到的轉換效率可以達到3.56%，與未摻雜前的1.74%提升了2倍左右。接著以電流—電壓、電容—電壓關係量測元件特性，可以發現效率的提升以及開路電壓的增高，主要是因為NFSI提高了石墨烯的載子濃度以及提升了元件系統中的內建電位。

    Graphene, a single layer of sp2-bonded carbon atoms, demonstrates many unique physical properties such as high mobility of charge carriers, high thermal conductivity, excellent mechanical and optical properties, so it is expected to be used in transistors, transparent electrodes, sensors and photovoltaic device.
    Recently, a lot of effort has been focused on improving electric properties of graphene and exploring the new optoelectronic applications. In this study, monolayer graphene was doped with NFSI ((C6H5SO2)2NF) molecular by using chemical doping method. After modified with NFSI, the conductivity of NFSI-graphene has been increased dramatically and high transmittance of monolayer graphene was still preserved. In Raman spectra, the G and 2D band peak position of NFSI-graphene is shift from 1581 to 1586 cm-1、2631 to 2643cm-1, respectively compared to pristine graphene. Furthermore, from the FET and Hall measurement, we found that the hole carrier density of NFSI-graphene was highly increased in consistent with the result of p-type doping. However, the decreases of mobility of NFSI-graphene was could be attributed to impurity scattering.
    Besides, we also demonstrate monolayer NFSI-graphene/n-silicon Schottky-junction solar cells. Under AM1.5 illumination, the NFSI-graphene/n-silicon Schottky device exhibit a higher power conversion efficiency (PCE) of 3.56% than that of pristine-graphene 1.74%. Current-voltage and capacitance-voltage measurement showed that the enhancement of PCE and Voc is due to increases of the device cell’s built-in potential affected by higher carrier density of NFSI-graphene.

    謝誌 I 總目錄 III 圖表目錄 VI Abstract XIII 摘要 XIV 第一章 緒論 1 第二章 文獻回顧 7 2-1化學摻雜石墨烯 7 2-1-1表面吸附摻雜 13 2-1-2取代原子摻雜 20 2-2石墨烯/矽-蕭基接面太陽能電池 23 第三章 實驗背景 34 3-1研究動機與目的 34 3-2以氣相沉積法成長石墨烯 36 3-2-1 化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition, CVD) 36 3-3 石墨烯的摻雜 38 3-3-1摻雜石墨烯拉曼光譜量測 42 3-3-2表面電位顯微鏡量測 46 3-3-3霍爾量測(Hall measurement) 47 3-3-4石墨烯電晶體量測 50 3-4石墨烯/矽-蕭基接面(Schottky-junction)太陽能電池 52 3-4-1石墨烯/矽-蕭基二極體的形成 53 3-4-2電流—電壓(I-V)特性 54 3-4-3 蕭基接面太陽能電池工作原理與量測 58 3-4-4 Mott-Schottky model –能障高度(barrier height)量測 65 第四章 實驗方法與設備 67 4-1 以化學氣相沉積法成長石墨烯 67 4-1-1 化學氣相沉積法實驗設備 67 4-1-2 化學氣相沉積法製備石墨烯流程 69 4-2 石墨烯的轉印 71 4-2-1 PMMA轉印法 71 4-3 NFSI摻雜石墨烯 73 4-3-1 摻雜NFSI 73 4-3-2拉曼光譜量測與設備 74 4-3-3 表面電位顯微鏡 75 4-3-4 四點探針及穿透度量測與設備 76 4-3-5 霍爾效應量測與設備 78 4-3-6 石墨烯電晶體量測與設備 79 4-4 元件製作流程 79 4-4-1 電流-電壓(I-V)特性量測與設備 81 4-4-2 Schottky-barrier height 量測與設備 82 第五章 實驗結果與討論 84 5-1石墨烯的鑑定 84 5-1-1拉曼光譜圖 85 5-1-2表面電位顯微鏡 87 5-1-3電阻值的測量 89 5-1-4 穿透度的測量 90 5-2摻雜NFSI之石墨烯電性討論 92 5-2-1霍爾效應測量 92 5-2-2石墨烯電晶體量測 93 5-3石墨烯/矽太陽能電池量測 95 5-3-1電流—電壓(I-V)特性量測 95 5-3-2 Mott-Schottky Model量測 99 第六章 結論與未來展望 103 未來展望 104 參考文獻 105

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