利用HW IP–VHF–PECVD技术实现可扩展的低温石墨烯窗口层生长，以提高硅太阳能电池的效率：不同腔室压力对光电性能的影响

《Materials Science and Engineering: B》：Scalable low-temperature growth of graphene window layers using HW IP–VHF–PECVD for efficient silicon solar cells: The influence of different chamber pressures on Optoelectrical performance

本研究采用HW IP–VHF–PECVD技术低温合成多层石墨烯薄膜，并将其作为透明导电电极集成到p-i-n硅太阳能电池中。通过调整腔室压力（50-450 mTorr），优化了石墨烯的导电性（5.22×10^5 S/m）、透光率（78.34%）和电阻率（35.6 Ω/sq），使太阳能电池转换效率从3.89%提升至6.10%，展示了该技术在高效柔性光伏器件中的应用潜力。

　　近年来，随着可再生能源技术的快速发展，对高效、经济且可持续的光伏材料的需求日益增长。在这一背景下，石墨烯作为一种具有卓越电学性能、光学透明度和机械柔韧性的二维碳材料，被广泛视为下一代光伏器件中透明导电电极（TCE）的有力候选者。传统上，透明导电氧化物（TCO）如氧化铟锡（ITO）被用于此类应用，但其高成本、稀有原料以及较差的机械性能限制了其在大规模生产中的适用性。因此，探索替代材料，尤其是具备类似性能的石墨烯，成为当前研究的重点。

本研究聚焦于一种创新的合成方法——热丝等离子体-甚高频等离子体增强化学气相沉积（HW IP–VHF–PECVD）技术，用于在较低温度下制备多层石墨烯薄膜。该技术结合了热丝等离子体和甚高频等离子体的特性，通过优化反应条件，实现了对石墨烯形貌、缺陷密度以及光电性能的精确调控。实验过程中，石墨烯在恒定的285°C基板温度下，于不同的反应室压力（50至450毫托）条件下生长，并进一步整合至p-i-n结构的硅基太阳能电池中，作为窗口层和透明导电电极。

通过一系列全面的表征手段，包括场发射扫描电子显微镜（FESEM）、拉曼光谱、紫外-可见光谱以及电学性能测试，研究团队发现反应室压力对石墨烯薄膜的性能具有显著影响。在350毫托的压力条件下，生长出的石墨烯薄膜表现出最佳的电导率（5.22×10? S/m）、光学透射率（78.34%）以及最低的面电阻（35.6 Ω/sq）。这些结果表明，350毫托的压力能够有效促进石墨烯的均匀生长，减少缺陷密度，从而提升其作为透明导电电极的性能。将这种石墨烯电极应用于太阳能电池后，其光电转换效率从3.89%提升至6.10%，显示出石墨烯在提升太阳能电池性能方面的潜力。

此外，研究还探讨了HW IP–VHF–PECVD技术在低温条件下合成高质量石墨烯的可行性。与传统的化学气相沉积（CVD）方法相比，该技术无需高温和金属催化剂，从而避免了对半导体制造工艺的限制。同时，它还具备更高的沉积效率和更好的薄膜均匀性，这使得其在柔性电子器件和大面积光伏应用中具有独特的优势。该技术通过将加热的钨丝放置在电极下方，提前分解甲烷气体，从而增强了活性物种的形成和分布，进一步优化了石墨烯的生长过程。同时，将射频频率从13.56 MHz提升至70 MHz，显著提高了等离子体密度，确保了在恒定温度下更均匀的沉积。

值得注意的是，石墨烯作为透明导电电极在太阳能电池中的应用仍处于探索阶段。尽管已有研究表明其在提升光电转换效率和增强设备稳定性方面具有潜力，但如何在实际应用中实现高质量、大面积的石墨烯薄膜仍然是一个关键挑战。本研究通过系统地调整反应参数，特别是反应室压力，成功地优化了石墨烯的生长条件，使其在保持良好透明度的同时，实现了优异的导电性。这种优化不仅有助于提高太阳能电池的性能，也为未来的设备设计和制造提供了重要的理论依据和技术支持。

为了进一步验证石墨烯的性能，研究团队还进行了详细的材料表征。FESEM图像显示，石墨烯薄膜呈现出一种簇状、片状的结构，表面具有一定的纹理特征。这表明石墨烯并非完全平坦的连续薄膜，而是通过局部成核并横向扩展的方式生长。这种结构可能影响其导电性和光学性能，因此需要通过进一步的分析来评估其对太阳能电池整体性能的影响。拉曼光谱分析则揭示了石墨烯的层数和结晶度，为理解其电学行为提供了重要信息。紫外-可见光谱测试则表明，石墨烯的光吸收率较低，仅为每层2.3%，因此具有良好的光学透明性，能够有效促进光的传输，提高太阳能电池的光电转换效率。

在实验过程中，研究团队还对材料的合成条件进行了深入分析。他们使用了高纯度的镍丝作为催化剂，甲烷气体作为碳源，硅烷气体与氢气的混合物作为硅源，同时使用了二硼烷和磷化氢气体来调控硅的掺杂和结构。这些化学试剂的选择和配比对最终石墨烯薄膜的性能至关重要。通过系统地调整这些参数，研究团队能够精确控制石墨烯的生长过程，从而获得具有特定性能的材料。

研究还特别关注了石墨烯在不同压力条件下的生长行为。通过对比不同压力下的样品，研究团队发现350毫托的条件最有利于石墨烯的高质量生长。这一结果不仅验证了压力对石墨烯性能的调控作用，也为未来的工业化生产提供了重要的参考。在实际应用中，选择合适的反应条件对于实现低成本、高效率的石墨烯合成至关重要。因此，本研究的成果具有重要的工程应用价值，特别是在需要低温处理的柔性基底上。

在对太阳能电池性能的评估中，研究团队采用了多种测试手段，包括电流-电压（I-V）特性分析和光学透射率测量。I-V曲线显示，使用石墨烯作为透明导电电极的太阳能电池表现出更高的电流密度和更低的电阻，这直接提升了其光电转换效率。同时，光学透射率的测量结果也证实了石墨烯在可见光范围内的高透光性，使其成为理想的窗口层材料。这些实验结果表明，石墨烯不仅能够替代传统的ITO材料，还能在保持良好透明度的同时，显著提升太阳能电池的性能。

本研究的创新之处在于，它不仅探索了石墨烯的合成方法，还将其成功应用于太阳能电池的结构中，作为透明导电电极和窗口层。这种集成式的生长方式，即在同一个反应室中同时沉积石墨烯和硅层，为未来开发新型光伏器件提供了新的思路。传统的光伏器件通常需要多个步骤来构建不同的层，而这种一体化的沉积方法能够显著简化制造流程，降低成本，并提高设备的整体性能。

此外，研究团队还强调了该技术在环境和经济方面的优势。由于石墨烯的合成可以在较低温度下进行，因此能够兼容更多种类的基底材料，包括温度敏感的柔性材料。这种特性使得石墨烯在可穿戴电子、柔性太阳能电池等新兴领域具有广阔的应用前景。同时，该技术的可扩展性也为其在大规模生产中的应用提供了可能，为未来开发低成本、高性能的光伏器件奠定了基础。

综上所述，本研究通过HW IP–VHF–PECVD技术成功合成了高质量的多层石墨烯薄膜，并将其应用于太阳能电池中，显著提升了其光电转换效率。这一成果不仅为石墨烯在光伏领域的应用提供了新的可能性，也为未来开发更加环保、经济和高效的光伏技术提供了重要的理论支持和技术路径。随着研究的深入和技术的不断优化，石墨烯有望成为下一代光伏器件中的关键材料，推动太阳能技术向更高效、更可持续的方向发展。