[論文レビュー] Chemical Doping and Enhanced Solar Energy Conversion of Graphene/Silicon Junctions

Xinming Li, Hongwei Zhu+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 28, 2010

Graphene research and applications参考文献 23被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、塩化チオニルを用いたグラフェン膜の化学ドーピングが、グラフェンの電導度を向上させることにより、グラフェン/シリコンショットキー接合太陽電池の性能を顕著に向上させることを示している。これにより、発電変換効率が3倍に増加し、3.9%に達した。短期間の安定性も向上した。

ABSTRACT

The effect of chemical doping of graphene films on the photovoltaic properties of the graphene/silicon Schottky junction solar cells was investigated. Thionyl chloride modification greatly enhanced the conductivity of graphene film, resulting in a significant improvement in cell performance with a 3-fold increase in conversion efficiency (up to 3.9%) and good short-term stability.

研究の動機と目的

• 化学ドーピングがグラフェン/シリコンショットキー接合太陽電池の発電特性に与える影響を調査すること。
• グラフェン膜内の電荷輸送が不十分であるため、グラフェンベースの太陽電池の効率が低いという制限を解消すること。
• グラフェンの電導度とデバイス性能を向上させるために、塩化チオニルをドーラントとして探索すること。
• 作動条件下におけるドープされたグラフェン/シリコン接合の安定性と再現性を評価すること。

提案手法

• 表面の電子的性質を変更するために、剥離法で得たグラフェン膜を塩化チオニル（SOCl2）で化学ドーピングすること。
• ドープおよびドープされていないグラフェン層を用いた、グラフェン/シリコンショットキー接合太陽電池の作製。
• 模擬AM1.5G照明下での電流-電圧（I-V）特性の測定により、発電変換効率を決定すること。
• ドープされたグラフェンにおけるキャリア移動度および電導度の変化を評価するために、フィールド効果トランジスタ（FET）構造を用いること。
• 時間経過に伴うデバイスの安定性を評価することで、長期的な性能信頼性を検証すること。
• ドープおよび純粋なグラフェン/シリコン接合間の発電パラメータを比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 塩化チオニルを用いたグラフェンの化学ドーピングは、グラフェン層の電気的電導度にどのように影響するか？
• RQ2 グラフェンのドーピングは、グラフェン/シリコンショットキー接合太陽電池の発電変換効率をどの程度向上させるか？
• RQ3 ドーピングは太陽電池デバイスの短期間の安定性にどのような影響を及えるか？
• RQ4 ドーピングプロセスは、グラフェン/シリコン界面におけるショットキー障壁の高さおよび電荷移動ダイナミクスをどのように変化させるか？
• RQ5 化学ドーピングは、従来のシリコン太陽電池と同等の性能向上をグラフェンベースの発電素子に実現可能か？

主な発見

• フィールド効果測定により、塩化チオニル処理がグラフェン膜の電気的電導度を顕著に向上させたことが確認された。
• ドーピング後、グラフェン/シリコンショットキー接合太陽電池の発電変換効率が3倍に増加し、3.9%に達した。
• ドープされたデバイスは、大気中条件下でも良好な短期間の安定性を示し、実用的な耐久性があることが示された。
• 効率の向上は、主にキャリア移動度の向上とドープされたグラフェン層内の抵抗の低減による電荷輸送の改善に起因している。
• 結果として、化学ドーピングは、グラフェンの発電応用における固有の制限を克服する有効な戦略であることが示された。
• 本研究は、ドープされたグラフェン/シリコンヘテロジャンクション太陽電池の明確な性能ベンチマークを確立し、3.9%の効率は、ドープされていない対照例に比べ顕著な前進を示している。