基于納米材料的太陽能光伏轉(zhuǎn)換應(yīng)用基礎(chǔ)研究

1、項(xiàng)目名稱：基于納米材料的太陽能光伏轉(zhuǎn)換應(yīng)用基礎(chǔ)研究首席科學(xué)家：戴寧 中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所起止年限：2012.1至2014.8依托部門：上海市科委 中國科學(xué)院一、關(guān)鍵科學(xué)問題及研究內(nèi)容本項(xiàng)目將研究用于提高光電轉(zhuǎn)換效率的納米材料和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制備，納米材料和結(jié)構(gòu)對(duì)光電轉(zhuǎn)換特性、光傳輸特性、光頻譜特性的調(diào)控，以及半導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu)中光電過程的理論建模。在本項(xiàng)目實(shí)施過程中，我們將緊緊圍繞以下關(guān)鍵科學(xué)問題開展研究，通過納米材料和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)獲得提高光電轉(zhuǎn)換效率的方法。關(guān)鍵科學(xué)問題之一納米材料和結(jié)構(gòu)中內(nèi)建電勢分布的建立在納米材料和結(jié)構(gòu)中構(gòu)筑內(nèi)建電勢分布是產(chǎn)生光伏效應(yīng)的必要條件。納米結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的量子限域

2、效應(yīng)，因而能夠以很高的效率俘獲光子而產(chǎn)生電子空穴對(duì)。在納米材料或結(jié)構(gòu)中可控地建立類似于pn結(jié)的內(nèi)建電場分布是個(gè)難題，也是本項(xiàng)目首先要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。傳統(tǒng)的方法是進(jìn)行p型和n型摻雜形成pn結(jié)電勢分布。在我們的體系中擬采用兩種納米材料鍵合或借助于材料的異質(zhì)結(jié)形成界面勢。在納米材料和結(jié)構(gòu)中形成電勢場分布涉及到新機(jī)理和新方法的研究。通過納米材料和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可在量子點(diǎn)復(fù)合材料中建立電子通道，這樣被激發(fā)的電子就可以離開量子點(diǎn)形成光生電流。必須研究量子點(diǎn)的電子態(tài)同周圍環(huán)境電子態(tài)的相互作用和耦合。這類復(fù)合材料中電子的輸運(yùn)過程取決于許多因素，包括一些目前尚不清楚的機(jī)理。關(guān)鍵科學(xué)問題之二納米材料和結(jié)構(gòu)中光生載

3、流子的遷移路徑與壽命一般而言納米薄膜材料的電子和空穴傳輸能力不如半導(dǎo)體材料，主要表現(xiàn)在材料的遷移率低，載流子壽命短，電阻大等問題，這在很大程度影響了光伏電池的性能。納米顆粒的比表面大，因此納米結(jié)構(gòu)的缺陷密度比較高。缺陷會(huì)影響光電子的壽命，電子和光的傳輸?shù)?，從而?duì)光伏器件的工作產(chǎn)生不利的影響。解決這一問題的關(guān)鍵在于弄清納米材料和結(jié)構(gòu)中缺陷對(duì)光電過程影響的機(jī)理，找到抑制這種不良影響的方法。在技術(shù)上，必須找到相關(guān)的納米顆粒表面改性方法，在納米顆粒之間構(gòu)筑電子通道，使電子在納米材料中能夠快速遷移。關(guān)鍵科學(xué)問題之三納米材料對(duì)太陽光全光譜的光電轉(zhuǎn)換通過納米結(jié)構(gòu)大小的變化來改變納米材料對(duì)光的吸收波長，所以全

4、光譜吸收對(duì)納米材料個(gè)體而言不是問題。但是問題出在太陽電池的結(jié)構(gòu)。全光譜太陽電池一般由吸收波長不同的多層納米薄膜構(gòu)成。不同吸收波長的納米薄膜如何實(shí)現(xiàn)疊層，以及多層納米薄膜如何保證電子的傳輸效率是需要解決的關(guān)鍵。關(guān)鍵科學(xué)問題之四 高能光子的利用目前的太陽電池尚無法利用吸收光子的能量大于材料帶隙的部分。一個(gè)高能光子可以產(chǎn)生總能量與之相等的2對(duì)，甚至更多的電子空穴對(duì)，但在一般的半導(dǎo)體材料中這一過程的效率很低。量子點(diǎn)中的俄歇過程對(duì)多電子空穴對(duì)的形成起著重要的作用，而這一過程的效率取決于材料的具體能帶結(jié)構(gòu)。本項(xiàng)目的一個(gè)研究重點(diǎn)是利用納米材料和結(jié)構(gòu)，通過高能光子激發(fā)多激子的過程提高太陽電池的轉(zhuǎn)換效率。關(guān)鍵科

5、學(xué)問題之五低能紅外光子的光電轉(zhuǎn)換太陽光譜總能量的40左右在紅外波段。由于硅材料的能隙為1.12電子伏特，所有低于這一能量的紅外光子都無法被吸收而用于光電轉(zhuǎn)換。有效地利用這部分能量將提高光伏器件的效率。受材料特性限制，一般半導(dǎo)體很難對(duì)低能紅外光子進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。利用窄禁帶材料和紅外上轉(zhuǎn)換效應(yīng)（雙光子和多光子吸收），或在納米材料和結(jié)構(gòu)中形成第II類勢能排列，可對(duì)低能紅外光子進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，這對(duì)提高電池的效率是十分有益的。這五個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題中，第一和第二個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題決定了納米材料和結(jié)構(gòu)中能否產(chǎn)生光伏效應(yīng)，而第三到第五個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題對(duì)提高太陽電池的效率起著至關(guān)重要的作用。通過充分的調(diào)研和分析，我們認(rèn)為目

6、前太陽電池光伏效應(yīng)的產(chǎn)生和效率主要受制于以下幾個(gè)方面，并提出了相應(yīng)的解決途徑：1 納米薄膜材料和結(jié)構(gòu)中如何使光生電子和空穴分別向相反方向遷移解決途徑：1）利用界面異質(zhì)結(jié)；2）用雜質(zhì)擴(kuò)散形成電勢分布。2 保證光生載流子的遷移路徑與高的載流子壽命解決途徑：1）利用表面修飾和分子偶聯(lián)構(gòu)筑納米顆粒間的電子遷移通道；2）通過鈍化方法抑制影響電子壽命的缺陷的密度。3 全光譜光伏轉(zhuǎn)換納米多層膜的構(gòu)筑解決方案：1）制備疊層式納米多層膜結(jié)構(gòu)；2）通過工藝控制提高層間電子傳輸效率。4 高能光子大于半導(dǎo)體能隙這部分能量不能有效用于光電轉(zhuǎn)換解決途徑：1）單個(gè)高能光子產(chǎn)生多個(gè)電子空穴對(duì)；2）太陽光譜裁剪。5 能量小于半

7、導(dǎo)體能隙的紅外光子不能被利用解決辦法：1）多個(gè)紅外光子產(chǎn)生1個(gè)電子空穴對(duì)；2）采用窄禁帶納米半導(dǎo)體材料；3）利用第II類能帶排列納米結(jié)構(gòu)。 解決上述關(guān)鍵科學(xué)問題的實(shí)質(zhì)是怎樣通過基于納米結(jié)構(gòu)的新型材料和器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)太陽光全光譜的利用。因此，本項(xiàng)目的具體研究內(nèi)容集中在發(fā)展各種方法和手段，通過構(gòu)建一些特殊的人工納米材料和結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高效光電轉(zhuǎn)換。主要研究內(nèi)容分為四個(gè)方面：1）具有高光電轉(zhuǎn)換性能的納米材料和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制備；2）基于納米薄膜材料的光伏太陽電池制備和研究；3）面向提高納米薄膜太陽電池效率的研究；4）納米光伏器件結(jié)構(gòu)的整體優(yōu)化和理論模擬。這四部分的關(guān)系是，第一部分針對(duì)太陽能光伏材料，是第

8、二部分太陽電池制備和研究的基礎(chǔ)。第三、第四部分致力于通過對(duì)納米薄膜材料和器件結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)和理論研究提高太陽電池轉(zhuǎn)換效率。第一部分：具有高光電轉(zhuǎn)換性能的納米材料和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制備光伏納米材料和結(jié)構(gòu)的光電轉(zhuǎn)換效率的提高很大程度上取決于納米結(jié)構(gòu)的制備方法。這部分工作將為整個(gè)重大研究計(jì)劃的實(shí)施提供材料和樣品。1 納米硅薄膜材料的生長硅基太陽電池在光伏領(lǐng)域是不可或缺的。有序高電子遷移率納米硅薄膜材料生長、能帶結(jié)構(gòu)調(diào)控以及光電輸運(yùn)特性方面的探索現(xiàn)在依然是研究熱點(diǎn)，這些研究主要面向進(jìn)一步提高太陽電池的性能和降低成本。通過生長條件調(diào)節(jié)晶粒大小或摻雜濃度，借助于納米尺度效應(yīng)和晶格應(yīng)變技術(shù)可以調(diào)控納米硅薄膜材料的光

9、學(xué)帶隙和電導(dǎo)率，以滿足高效理想太陽能電池的需要。再加上我們所采用的等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法具有成膜溫度低、制膜面積大、薄膜質(zhì)量好、易調(diào)控和適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于大規(guī)模低成本工業(yè)化生產(chǎn)。納米硅薄膜太陽電池與其它硅系列太陽電池相比具有明顯的優(yōu)勢。 首先納米硅薄膜同非晶硅薄膜的制備技術(shù)相容，只需在生產(chǎn)過程中增加反應(yīng)氣體中的氫稀釋比。多晶硅薄膜的生長溫度在650度以上，單晶硅材料的生長需要1000-1500度的高溫，而納米硅薄膜可以在不超過300度的溫度下生長，能耗非常低，可以大大縮短能量回收期，非常有利于降低生產(chǎn)成本。同時(shí)納米硅的低溫生長條件也有利于在柔性襯底（如聚合物等）上制備太陽電池，使

10、應(yīng)用領(lǐng)域大為拓展，而且其耐高溫性能優(yōu)于晶體硅電池。與傳統(tǒng)的單晶硅、多晶硅硅片（即wafer，目前厚度約180-350微米）比較，用納米硅薄膜（厚度小于10微米量級(jí)）來制備太陽能電池可以節(jié)省更多的硅材料。2半導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu)的制備與特性調(diào)控如何從納米光伏材料與器件的特性與原理出發(fā)調(diào)控納米結(jié)構(gòu)中光吸收、光生電子的產(chǎn)生與輸運(yùn)是設(shè)計(jì)與制備材料的首要問題。在此，一方面考慮到半導(dǎo)體量子點(diǎn)能通過其結(jié)構(gòu)和尺寸的調(diào)節(jié)與不同波段的光子產(chǎn)生耦合作用，還能夠產(chǎn)生多重激子效應(yīng)（即吸收一個(gè)高能光子能產(chǎn)生多個(gè)電子空穴對(duì)），有利于調(diào)控光伏器件的光吸收；特別是應(yīng)用于紅外光電轉(zhuǎn)換的薄膜材料與納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制備。太陽光譜總能量的40

11、左右在紅外波段。由于硅材料的能隙為1.12電子伏特，所有低于這一能量的紅外光子都無法被吸收而用于光電轉(zhuǎn)換。立足于熱輻射利用，我們將致力于性能穩(wěn)定的PbS、PbSe、InAs等薄膜材料與納米結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與調(diào)控，以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽光全光譜的光電轉(zhuǎn)換。另一方面著眼于半導(dǎo)體一維納米管/線具有優(yōu)異的電子輸運(yùn)能力。因此，本項(xiàng)目在納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備方面，擬以紅外波段的PbS、PbSe、InAs等薄膜材料與納米結(jié)構(gòu)、可見波段的CdSe量子點(diǎn)作為半導(dǎo)體量子點(diǎn)，以及ZnO納米線和Si微結(jié)構(gòu)陣列等一維半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)制備與調(diào)控的主要研究對(duì)象，開展適用于光電轉(zhuǎn)換體系的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的制備與特性調(diào)控等方面的研究。3 面向?qū)捁庾V光

12、電轉(zhuǎn)換的多帶隙光伏材料將研究兩類納米材料。一類是禁帶中具有中間帶的納米材料，由于中間帶的存在使納米材料可以吸收低能光子并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。納米材料的中間帶可以通過摻雜，特別是摻磁性雜質(zhì)來實(shí)現(xiàn)，也可以通過調(diào)控界面異質(zhì)結(jié)的能帶排列來實(shí)現(xiàn)。第二類是納米多層膜，其中每層膜具有不同的特征光吸收截止波長。采用多帶隙光伏材料是為了克服現(xiàn)有的太陽電池只能對(duì)一定波長范圍的光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的局限性。由于尺寸引起的量子限域效應(yīng)，通過制備不同尺寸納米晶可以保證廣譜吸收，進(jìn)而提高太陽光譜的利用率。將研究多帶隙納米Si、ZnSe、CdTe、CdSe等材料和全光譜多層膜的制備方法。4納米結(jié)構(gòu)的復(fù)合組裝與表面/界面調(diào)控在納米結(jié)構(gòu)的

13、制備和特性調(diào)控的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮把具有不同特性的納米結(jié)構(gòu)有機(jī)地組合起來形成有效的光電轉(zhuǎn)換體系，繼而理解納米光電轉(zhuǎn)換的內(nèi)在規(guī)律。然而，要充分發(fā)揮不同納米結(jié)構(gòu)的各自特色就必須考慮不同納米結(jié)構(gòu)的復(fù)合組裝與表面/界面等關(guān)鍵問題。對(duì)光電轉(zhuǎn)換體系來講需要關(guān)注如何讓光生電子有效地產(chǎn)生與傳輸，也就是如何優(yōu)化表面與界面，讓不同結(jié)構(gòu)有效組合起來優(yōu)化不同材料和結(jié)構(gòu)的能帶關(guān)系。第二部分：基于納米薄膜材料的光伏太陽電池的制備和研究這部分工作主要是設(shè)計(jì)和研究幾種價(jià)格低廉，具有大規(guī)模生產(chǎn)和市場化前景的納米薄膜太陽電池。1 納米薄膜太陽電池納米太陽電池的工作遵循這樣的物理過程：第一步，納米材料俘獲光子形成電子空穴對(duì)，即光電

14、效應(yīng)；第二步，受內(nèi)部勢場的作用電子和空穴向相反方向運(yùn)動(dòng)形成光伏效應(yīng)。根據(jù)這樣的原理，將設(shè)計(jì)和制備以下幾種納米太陽電池。1) 基于nc-Si/導(dǎo)電玻璃和nc-Si/Si結(jié)構(gòu)的納米硅基薄膜太陽電池；2) 基于nc-Si/其它薄膜材料/導(dǎo)電玻璃體系的納米多層膜硅基太陽電池；3) 基于紅外和紫外響應(yīng)納米結(jié)構(gòu)的電池。2 納米薄膜太陽電池的表征 納米薄膜太陽電池的結(jié)構(gòu)比體硅太陽電池復(fù)雜，涉及到薄膜的厚度、結(jié)晶度、缺陷密度、層間電和光的傳播和耦合特性等研究。另外納米薄膜太陽電池器件性能的表征和評(píng)價(jià)技術(shù)并不完備。在本重大研究計(jì)劃的執(zhí)行過程中需要用一系列的實(shí)驗(yàn)手段對(duì)納米材料和光伏器件結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行測量和分析，以

15、獲得器件最佳性能狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的參數(shù)和條件。第三部分：面向提高納米薄膜太陽電池效率的研究這部分的研究面向提高太陽電池的光伏轉(zhuǎn)換效率。根據(jù)不斷探索，總結(jié)了一些有前景的提高光伏器件效率的方法：太陽光全光譜光電轉(zhuǎn)換，充分利用太陽光譜中高能光子的多余能量和低能紅外光子，增強(qiáng)光同納米體系的耦合，以及使太陽光譜同納米薄膜的能帶更加匹配。1 充分利用太陽光譜的多帶隙光電轉(zhuǎn)換材料和結(jié)構(gòu)太陽光全光譜光電轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率的首要途徑是盡可能提高太陽光的利用率，這是光伏科學(xué)技術(shù)發(fā)展幾十年來一直令人特別關(guān)注的問題。半導(dǎo)體同質(zhì)結(jié)單層電池的理論效率上限為31，其主要原因是沒有任何一種材料能夠吸收波長從紅外到紫外，對(duì)應(yīng)的能量范

16、圍為0.44.0eV的全部太陽光譜。能量低于帶隙的光由于不能被半導(dǎo)體吸收而無法轉(zhuǎn)換成電能，能量高于帶隙的光雖然被吸收，但超過帶隙的那部分能量將以熱的形式浪費(fèi)掉。多年來經(jīng)過研究者的不斷努力，使得單一帶隙半導(dǎo)體材料太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率接近了理論極限，達(dá)到25.1%。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，太陽光的轉(zhuǎn)換效率最高限制為92，采用多層結(jié)構(gòu)和多帶隙太陽電池效率實(shí)驗(yàn)上已達(dá)到40以上。我們將研究在紅外光電響應(yīng)的納米結(jié)構(gòu)（InAs，PbS）以及紫外光電響應(yīng)對(duì)全光譜的貢獻(xiàn)。2 納米材料和結(jié)構(gòu)對(duì)光傳播特性的調(diào)控增強(qiáng)光同納米體系的耦合我們將用納米技術(shù)構(gòu)筑類光子晶體結(jié)構(gòu)，通過改變光的傳播途徑和使光在薄膜中多次反射增加吸收，

17、從而提高光伏器件的效率。由于太陽電池是多層薄膜結(jié)構(gòu)，在薄膜界面和器件表面難免會(huì)有反射和散射，造成光能量損失。比如，將Si太陽能電池的表面用激光刻槽的方法可在多晶硅表面制作倒金字塔結(jié)構(gòu)，在500900nm光譜范圍內(nèi)反射率為4 6。在（100）面單晶硅化學(xué)制作絨面的反射率為11，而不加處理的光亮Si表面反射率為35。界面也存在著同樣的問題。納米技術(shù)構(gòu)筑的太陽能光伏器件中界面很多，如不抑制光在界面上的損耗就會(huì)影響光伏器件的性能。這部分的研究將集中在對(duì)光伏材料和器件結(jié)構(gòu)的最佳設(shè)計(jì)，以及利用光學(xué)微腔或納米陣列對(duì)光在光伏器件內(nèi)的傳播進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)諸如多次反射等效果。具有納米或亞波長多維周期微結(jié)構(gòu)的材料已被

18、理論和實(shí)驗(yàn)證明可用來控制光子的運(yùn)動(dòng)，并由此產(chǎn)生諸如負(fù)折射率效應(yīng)等新概念、新材料及新器件，引起了學(xué)術(shù)界的極大重視。比如，利用多層納米光學(xué)薄膜結(jié)構(gòu)可在很大的光頻范圍內(nèi)改變光波的反射、透射和吸收特性。由于在部分光頻段的光吸收很弱，目前多晶硅太陽能光伏器件所用的材料還比較厚，使得器件成本高舉不下。顯然，提高厚度為納米量級(jí)的薄膜中不同頻率光的吸收效率是有實(shí)用意義的課題。3 納米材料和結(jié)構(gòu)對(duì)光譜頻率的裁剪使太陽光譜同納米薄膜的能帶更加匹配硅太陽能光伏器件效率不高的原因之一是硅材料的吸收光譜同太陽光譜吻合得不好?？朔@一障礙的方法之一是改變太陽光的光譜分布。受量子限域效應(yīng)的控制，量子點(diǎn)的光吸收和光致發(fā)光性能

19、可以很容易地通過改變量子點(diǎn)的尺寸來調(diào)控。將探索通過不同尺寸量子點(diǎn)的混合，將單一頻率的激發(fā)光通過光致發(fā)光變成一定頻譜分布的光，或?qū)⒛撤N頻譜分布的光變成另一種頻譜分布的光，使得光譜同光伏器件的能帶匹配達(dá)到最佳。4 納米材料和結(jié)構(gòu)中的多光子吸收和多激子激發(fā)過程充分利用太陽光譜中高能光子的多余能量和低能紅外光子一般在光伏器件中能量大于材料禁帶寬度的一個(gè)光子只能產(chǎn)生一對(duì)過熱電子空穴對(duì)，過熱那部分能量無法被利用；能量小于禁帶寬度的光子則因不能產(chǎn)生電子空穴對(duì)而被浪費(fèi)。由于量子點(diǎn)中光吸收產(chǎn)生電子空穴對(duì)的過程中不需要滿足動(dòng)量守恒原理，利用摻有半導(dǎo)體量子點(diǎn)納米薄膜的多光子吸收和多激子激發(fā)效應(yīng)，有望使原來不能被利用

20、的能量用來產(chǎn)生光伏效應(yīng)，從而提高光伏器件的光電轉(zhuǎn)換效率。我們將研究CdTe、PbSe、PbS與 Si等納米結(jié)構(gòu)中的多光子吸收和多激子激發(fā)過程。第四部分：納米光伏器件結(jié)構(gòu)的整體優(yōu)化和理論模擬對(duì)納米薄膜太陽電池的工作過程進(jìn)行理論建模，發(fā)展計(jì)算方法是光伏研究不可替代的重要部分。這部分研究的目的是配合實(shí)驗(yàn)，為優(yōu)化器件性能提供指導(dǎo)。納米光伏太陽電池中的光電轉(zhuǎn)換、光伏轉(zhuǎn)換涉及復(fù)雜的物理過程，這些過程往往因器件而異。特別是納米薄膜太陽電池，由于器件中涉及的界面很多，光和電子的傳輸過程更加復(fù)雜，有些重要的過程無法通過實(shí)驗(yàn)直接測量。通過理論建模和實(shí)驗(yàn)，將揭示光和光電子在光伏器件中的動(dòng)力學(xué)行為和新奇量子現(xiàn)象，包括

21、光同納米體系的耦合，光電轉(zhuǎn)換和光伏效應(yīng)的產(chǎn)生等，通過動(dòng)態(tài)模擬光伏器件的工作過程提取重要的特征參數(shù)。二、預(yù)期目標(biāo)本項(xiàng)目的總體目標(biāo)為：面向國家對(duì)潔凈、可再生能源的需求，通過對(duì)納米材料和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以及對(duì)光電轉(zhuǎn)換特性、光的傳輸特性、光的頻譜特性調(diào)控的基礎(chǔ)研究，取得一系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的提高光電轉(zhuǎn)換效率的方法，并將一部分核心技術(shù)用于提高目前正在研究，具有產(chǎn)業(yè)化前景的光伏器件的轉(zhuǎn)換效率。通過降低太陽電池的價(jià)格和提高轉(zhuǎn)換效率，使我國在新型光伏納米材料、器件的制備和研究方面走在世界前列。預(yù)期目標(biāo)：將重點(diǎn)研究面向太陽能光電轉(zhuǎn)換效率提高的低成本納米材料、新器件結(jié)構(gòu)和新技術(shù)。研究基于納米材料和結(jié)構(gòu)的光電轉(zhuǎn)換機(jī)理

22、，納米結(jié)構(gòu)中的光電子輸運(yùn)性質(zhì)。研究充分利用太陽光譜和對(duì)太陽光譜進(jìn)行裁剪的方法等重大基礎(chǔ)科學(xué)問題，揭示新型納米結(jié)構(gòu)和材料對(duì)提高光電轉(zhuǎn)化效率的作用及其規(guī)律。探索和發(fā)現(xiàn)新材料的合成和制備方法并取得一批具有國際先進(jìn)水平、獨(dú)創(chuàng)性強(qiáng)、應(yīng)用前景明確的基礎(chǔ)研究成果和具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)，為國家進(jìn)一步加大對(duì)太陽能的利用和開發(fā)提供科學(xué)和技術(shù)支撐。同時(shí)，培養(yǎng)一支學(xué)風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)、團(tuán)結(jié)合作、敢于創(chuàng)新，潛心從事太陽能應(yīng)用和開發(fā)研究的學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)。建立相關(guān)材料研究的多學(xué)科融合、交叉研究基地和技術(shù)平臺(tái)，在國際相關(guān)領(lǐng)域的重要學(xué)術(shù)刊物系統(tǒng)發(fā)表高水平研究論文并產(chǎn)生重要影響。本項(xiàng)目預(yù)期取得的進(jìn)展、突破及其科學(xué)價(jià)值：以降低太陽電池價(jià)格和提

23、高光電轉(zhuǎn)換效率為主線，進(jìn)行納米光伏材料制備和器件研究。課題的內(nèi)容包括了對(duì)新型納米材料和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，材料中光電轉(zhuǎn)換過程和光在材料中的傳輸特性和頻譜特性的調(diào)控研究。通過對(duì)納米材料和結(jié)構(gòu)薄膜的設(shè)計(jì)、制備、特性和功能調(diào)控的綜合研究，在理論上弄清納米材料和結(jié)構(gòu)薄膜中光電轉(zhuǎn)換的機(jī)理，通過對(duì)關(guān)鍵科學(xué)問題的解決和關(guān)鍵性原理的認(rèn)識(shí)，實(shí)現(xiàn)納米材料和結(jié)構(gòu)薄膜在設(shè)計(jì)、制備、方法和光電轉(zhuǎn)換性能等方面的創(chuàng)新和突破。實(shí)施本項(xiàng)目將使我國在光電轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)研究的源頭掌握核心知識(shí)和關(guān)鍵技術(shù)，明顯提高我國的光伏研究水平，使我國在面向新一代光伏器件的納米材料和結(jié)構(gòu)制備、設(shè)計(jì)，及核心原理和技術(shù)的掌握上顯著縮小與工業(yè)發(fā)達(dá)國家的差距。在面臨復(fù)

24、雜和競爭日趨激烈的形勢下，通過研究取得新一代光伏領(lǐng)域的持續(xù)創(chuàng)新能力，并通過所形成的研究平臺(tái)和團(tuán)隊(duì)不斷產(chǎn)生原創(chuàng)性，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的研究成果，以滿足包括產(chǎn)業(yè)在內(nèi)的國家在光伏領(lǐng)域不斷增大的需求。因?yàn)橐恍┗驹砗头椒◣в邢喈?dāng)?shù)钠毡樾?，研究中產(chǎn)生的對(duì)納米材料和結(jié)構(gòu)薄膜中光電過程原理的新認(rèn)識(shí)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備的新方法，將能夠被有效地用于第三代光伏器件和其他納米技術(shù)領(lǐng)域，尤其在光電子器件研究領(lǐng)域。具體的考核指標(biāo)和人才培養(yǎng)計(jì)劃通過本項(xiàng)目的實(shí)施將產(chǎn)生一系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的原創(chuàng)性成果，其主要形式是方法、材料、原型器件、論文和專利。同時(shí)形成一支活躍在光伏領(lǐng)域的優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)和未來更深層次上承擔(dān)國家光伏研究任務(wù)的平臺(tái)。

25、通過人才隊(duì)伍的培養(yǎng)為國家光伏領(lǐng)域的研究和產(chǎn)業(yè)輸送本領(lǐng)域的碩士和博士。具體形式和指標(biāo)如下。1 獲得5種以上可靠的有利于光電轉(zhuǎn)換的納米材料與結(jié)構(gòu)2 提高光伏效率的器件和方法具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，基于納米結(jié)構(gòu)對(duì)光電轉(zhuǎn)換特性調(diào)控的方法；具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，基于納米結(jié)構(gòu)對(duì)光傳輸和頻譜特性調(diào)控的方法；獲得轉(zhuǎn)換效率在20%以上的光伏器件。3 論文和專利在國內(nèi)外雜志發(fā)表學(xué)術(shù)論文30篇以上；申請(qǐng)專利20項(xiàng)以上。4 人才隊(duì)伍建設(shè)形成由20位教授、研究員和副教授、副研究員構(gòu)成的光伏領(lǐng)域光電子研究人才隊(duì)伍，并培養(yǎng)約50余名優(yōu)秀青年科研人才（博士、碩士研究生）。5 研究平臺(tái)建設(shè) 通過本重大專項(xiàng)的支持和對(duì)現(xiàn)有分散的實(shí)驗(yàn)條件的整

26、合，形成跨研究所和大學(xué)的研究網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，完善上海太陽能研究與發(fā)展中心的建設(shè)。三、研究方案學(xué)術(shù)思路：利用納米材料和結(jié)構(gòu)的優(yōu)良光子俘獲性能俘獲光子能量，再利用異質(zhì)結(jié)電場突變的整流效應(yīng)或pn結(jié)的內(nèi)建電場將電子和空穴分開而形成光伏效應(yīng)。攻關(guān)目標(biāo)：通過對(duì)五個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題的深入研究，取得具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)降低光伏器件成本和提高光電轉(zhuǎn)換效率的方法，取得一系列具實(shí)用價(jià)值和前景的納米光伏太陽能轉(zhuǎn)換技術(shù)，為太陽電池的應(yīng)用提供技術(shù)積累。創(chuàng)新點(diǎn)：主要體現(xiàn)在關(guān)鍵科學(xué)問題的提煉、學(xué)術(shù)思路、技術(shù)途徑和子課題間合作模式四個(gè)方面。1 學(xué)術(shù)思路方面我們的學(xué)術(shù)思路是將納米結(jié)構(gòu)同異質(zhì)結(jié)或薄膜pn結(jié)組合起來，利用各自的優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)高效率的光伏

27、轉(zhuǎn)換。納米材料和結(jié)構(gòu)具有非常強(qiáng)的光子俘獲能力，因此量子點(diǎn)常被稱為“光子天線”。但俘獲光子產(chǎn)生電子空穴對(duì)還不夠，還需要將電子和空穴在空間上分開才能實(shí)現(xiàn)光伏效應(yīng)。傳統(tǒng)的太陽電池是借助pn結(jié)內(nèi)建電場實(shí)現(xiàn)這一過程的，但這對(duì)納米結(jié)構(gòu)來說有一定難度。我們將通過納米復(fù)合結(jié)構(gòu)材料體系和器件結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)構(gòu)筑界面電勢和內(nèi)建電勢場。同時(shí)，充分利用納米材料的帶隙可變特性進(jìn)行全光譜光電轉(zhuǎn)換，以及利用納米材料對(duì)雜散光的高俘獲性能實(shí)現(xiàn)陰天條件下光伏轉(zhuǎn)換。2 技術(shù)途徑方面實(shí)現(xiàn)上述學(xué)術(shù)思路需要考慮具體材料和方法。根據(jù)我們前期工作的積累和經(jīng)驗(yàn)，我們選擇半導(dǎo)體量子點(diǎn)作為光子俘獲材料，利用薄膜硅pn結(jié)的內(nèi)建電場，納米硅/多晶硅界面

28、勢壘，CdSe/ TiO2、CdSe/ZnO等異質(zhì)結(jié)勢壘突變驅(qū)動(dòng)電子和孔穴的擴(kuò)散。具體的材料涉及到納米Si、CdSe、CdTe量子點(diǎn)，TiO2、ZnO等導(dǎo)電透明材料以及廉價(jià)的多晶硅等作為電子和空穴的通道。這在實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)光伏器件的技術(shù)途徑上是創(chuàng)新。3 關(guān)鍵科學(xué)問題的提煉為實(shí)現(xiàn)上述學(xué)術(shù)思路和技術(shù)途徑，本項(xiàng)目組成員經(jīng)過反復(fù)討論和爭論，在前期工作的基礎(chǔ)上提出了實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)光伏器件應(yīng)用必須解決的5個(gè)關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題，并提出了相應(yīng)的解決思路。這5個(gè)關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題也是制約納米結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用于光伏轉(zhuǎn)換的主要障礙。通過本項(xiàng)目的實(shí)施將能形成克服這些障礙的解決方案。實(shí)用光伏器件目前依然是體硅材料和少量薄膜材料的天

29、下。納米材料用于光伏器件無疑有許多新的問題，利用納米材料和技術(shù)獲得高效光伏轉(zhuǎn)換首先必須解決這些問題。4 各子課題合作模式經(jīng)多次討論和爭論提出了實(shí)施本課題時(shí)子課題間的合作模式：圍繞同一個(gè)總目標(biāo)，采取同一個(gè)學(xué)術(shù)思路，不同的技術(shù)途徑尋找提高光電轉(zhuǎn)換效率的方法和手段。圍繞各子課題的特色，本課題所涉及的三類材料：納米材料，電子/空穴傳輸材料、異質(zhì)結(jié)和pn結(jié)薄膜都將在子課題之間共享。針對(duì)各課題組的研究目標(biāo)和內(nèi)容設(shè)立研究方案，將采用以下技術(shù)路線和可行性方案開展研究：第一部分：具有高光電轉(zhuǎn)換性能的納米材料和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制備主要思路是：利用量子點(diǎn)薄膜的優(yōu)越“光子天線”性能俘獲光子，再利用異質(zhì)結(jié)的勢壘突變和pn結(jié)

30、的內(nèi)建電場將電子和空穴分開而行成光伏效應(yīng)。第一部分工作旨在為實(shí)現(xiàn)這一思路設(shè)計(jì)和制備納米材料和結(jié)構(gòu)，是本項(xiàng)目的基礎(chǔ)。1 納米硅薄膜材料等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)是一種廉價(jià)、高效的薄膜生長方法，現(xiàn)廣泛用于制備非晶硅薄膜。通過一定的生長條件控制，如濺射功率、生長溫度、氫稀釋比、反應(yīng)氣壓、沉積時(shí)間，以及后退火等，可以調(diào)控生長過程中氫原子與硅原子的相互作用，從而控制等離子體密度及成膜細(xì)微過程，生長均勻有序納米硅薄膜材料，使室溫電子遷移率超過100 cm2/Vs。這部分的工作主要面向提高納米晶薄膜的性能，包括低成本，大面積、快速生長（生長速率2nm/s）的納米薄膜的厚度和晶粒大小的控制，缺陷和

31、漏電流的抑制。這些均可以通過提高等離子體激發(fā)頻率改變電子能量分布，加快氣體源分解，改善有效摻雜來實(shí)現(xiàn)。生長大面積納米硅薄膜材料的襯底大都采用導(dǎo)電玻璃，根據(jù)本課題的需要還將在多晶硅襯底上制備可控的納米硅薄膜。導(dǎo)電玻璃的表面是比較穩(wěn)定的，但多晶硅的表面有一層SiO2薄膜，這里需要特別關(guān)注的是納米硅薄膜同多晶硅襯底之間的界面。前期研究已完成了廉價(jià)多晶硅的生長，可利用這一技術(shù)將納米硅生長在多晶硅材料上形成突變結(jié)。2半導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu)制備與特性調(diào)控本項(xiàng)目在納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備方面，擬以紅外波段材料作為半導(dǎo)體量子點(diǎn)制備與調(diào)控的主要研究對(duì)象；以一維半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)制備與調(diào)控的主要研究對(duì)象，開展適用于光電轉(zhuǎn)換體系的半

32、導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的制備與特性調(diào)控等方面的研究。一維納米結(jié)構(gòu)和量子點(diǎn)的獲得主要擬利用溶液化學(xué)或氣相方法，而ALD作為表面與界面的優(yōu)化和控制重要手段，拓展量子點(diǎn)的吸收波段（可見波段的CdSe，CdTe和紅外波段的PbS，PbSe等）以期在不同波段匹配太陽光譜，特別是應(yīng)用于紅外光電轉(zhuǎn)換的薄膜材料與納米結(jié)構(gòu)；再通過原子層沉積技術(shù)（ALD）與化學(xué)修飾等手段調(diào)控一維半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)（ZnO和Si材料等）與量子點(diǎn)的復(fù)合與組裝結(jié)構(gòu)，繼而在優(yōu)化納米結(jié)構(gòu)各自性能的前提下，探索復(fù)合結(jié)構(gòu)光電特性的影響因素與內(nèi)在規(guī)律。3 面向?qū)捁庾V光電轉(zhuǎn)換的多帶隙光伏材料現(xiàn)有的太陽電池只局限對(duì)一定波長范圍的光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，光譜利用率不高，影

33、響了轉(zhuǎn)換效率。用不同尺寸納米晶（不同帶隙）可以進(jìn)行廣譜吸收，進(jìn)而提高太陽光譜的利用率。將研究納米硒化鋅、納米砷化鎵、納米鎵銦砷等材料，通過不同尺寸分布的納米晶化合物半導(dǎo)體光譜響應(yīng)的拓展，用多帶隙納米晶半導(dǎo)體薄膜（包括尺寸大小混合分布和分層分布的納米晶薄膜）進(jìn)行全光譜光吸收材料，以提高光電轉(zhuǎn)換效率。此外，對(duì)納米材料進(jìn)行摻雜形成帶隙中的中間帶，將能使納米材料的吸收波長向長波拓展，比如摻入非磁元素或磁性金屬元素的GaAs、GaP、ZnTe、CdSe、CdTe、TiO2、ZnO薄膜。4納米結(jié)構(gòu)的復(fù)合組裝與表面/界面調(diào)控?cái)M利用原子層沉積（ALD）和化學(xué)修飾等技術(shù)手段，對(duì)不同納米材料與結(jié)構(gòu)的表面修飾、復(fù)合

34、組裝以及相應(yīng)特性進(jìn)行深入研究，特別關(guān)注半導(dǎo)體量子點(diǎn)（PbS、PbSe量子點(diǎn)等）的表面修飾及其與一維納米結(jié)構(gòu)（ZnO納米線和Si納米陣列等）復(fù)合組裝、以及利用ALD技術(shù)對(duì)復(fù)合組裝中表面與界面進(jìn)行優(yōu)化，繼而探索復(fù)合組裝、表面/界面對(duì)納米光電轉(zhuǎn)換特性的影響規(guī)律。擬開展適用于光電轉(zhuǎn)換體系的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的制備與特性調(diào)控等方面的研究，解決半導(dǎo)體量子點(diǎn)、一維半導(dǎo)體納米管/線的設(shè)計(jì)、制備與特性調(diào)控等方面的問題。主要研究紅外波段的PbS與PbSe等薄膜材料與納米結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)和特性的調(diào)控；同時(shí)，研究ZnO納米線和Si微結(jié)構(gòu)陣列等一維半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)制備與調(diào)控。在納米結(jié)構(gòu)的制備與特性調(diào)控的基礎(chǔ)上，對(duì)具有不

35、同特性的納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行有機(jī)的復(fù)合與組裝，結(jié)合納米結(jié)構(gòu)的表面/界面調(diào)控來理解納米光電轉(zhuǎn)換的內(nèi)在規(guī)律。主要關(guān)注薄膜材料與納米結(jié)構(gòu)的表面修飾及其與一維納米結(jié)構(gòu)（ZnO納米線和Si納米陣列等）復(fù)合組裝，并利用化學(xué)修飾和原子層沉積（ALD）等技術(shù)手段，對(duì)不同納米材料與結(jié)構(gòu)的表面修飾、復(fù)合組裝以及相應(yīng)特性進(jìn)行研究，繼而探索復(fù)合組裝、表面/界面對(duì)納米光電轉(zhuǎn)換特性的影響規(guī)律。第二部分：基于納米薄膜材料的光伏太陽電池的制備和研究1、納米薄膜材料太陽電池把物理基礎(chǔ)研究與器件研制需求有機(jī)結(jié)合起來，對(duì)于光伏器件與納米薄膜材料科學(xué)的發(fā)展有重要意義。通過結(jié)構(gòu)分析和光電輸運(yùn)特性實(shí)驗(yàn)有助于深入了解納米硅體系的微觀結(jié)構(gòu)、光生載流

36、子激發(fā)和光電子躍遷過程，反饋給納米硅太陽電池性能研究和材料生長參數(shù)優(yōu)化，彼此互動(dòng)。針對(duì)硅薄膜太陽電池金屬/介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)納米光子晶體結(jié)構(gòu)，提出了將金屬表面等離子體共振理論和Drude 模型引入光子晶體能帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。深入分析載流子在納米硅薄膜內(nèi)與界面處的產(chǎn)生和輸運(yùn)機(jī)制，建立新的物理模型，集中從理論上研究體系中光子的吸收，光生載流子激發(fā)和復(fù)合，光電子躍遷，載流子的輸運(yùn)和收集等行為過程，為提高納米硅薄膜太陽電池性能提供指導(dǎo)。我們的研究將集中在設(shè)計(jì)、構(gòu)筑幾種基于納米薄膜材料的太陽電池。1) 納米硅薄膜太陽電池：nc-Si/導(dǎo)電玻璃體系、nc-Si/Si(多晶)體系；2) 納米多層膜太陽電池：nc-Si/

37、多種其它薄膜材料/導(dǎo)電玻璃體系；3) 紅外納米薄膜材料納米結(jié)構(gòu)俘獲光子產(chǎn)生電子空穴對(duì)之后必須使電子和空穴向相反方向擴(kuò)散才能出現(xiàn)光伏現(xiàn)象。這在傳統(tǒng)的太陽電池中是通過pn結(jié)的內(nèi)建電場來實(shí)現(xiàn)的。我們設(shè)計(jì)了幾種器件構(gòu)型，目的在于利用納米光伏電池中異質(zhì)結(jié)的勢壘突變和摻雜分布實(shí)現(xiàn)電子空穴反方向擴(kuò)散。比如PbS/ TiO2界面ncSi/Si界面。通過改變磷烷（硼烷）/硅烷百分比也可以獲得一系列摻雜濃度不同和有序程度較高的n型（p型）硅量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)。另外，同樣的材料有序度不同也能誘發(fā)電場分布。改變氫稀釋比和射頻功率可獲得一系列晶粒尺寸、有序和晶格應(yīng)變程度都不同的有序納米硅結(jié)構(gòu)。2 納米薄膜太陽電池的表征納米薄膜

38、太陽電池的結(jié)構(gòu)比體硅太陽電池復(fù)雜，涉及到薄膜的厚度、結(jié)晶度、缺陷密度、層間電和光的傳播和耦合性能等研究。另外納米薄膜太陽電池器件性能的表征和評(píng)價(jià)技術(shù)并不完備。在本項(xiàng)目執(zhí)行過程中需要用一系列的實(shí)驗(yàn)手段對(duì)納米材料和光伏器件結(jié)構(gòu)的各種參數(shù)進(jìn)行測量和分析，以獲得器件最佳性能狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的參數(shù)和條件。特別應(yīng)指出的是光伏器件轉(zhuǎn)換效率的精確測量和分析是非常重要的。將用高精度臺(tái)階儀和干涉光譜等手段精確測量納米薄膜的厚度，用XRD和小角X射線衍射測量和分析納米顆粒的結(jié)晶度和納米薄膜的有序性，用原子力顯微鏡和掃描隧道顯微鏡等分析納米薄膜的微結(jié)構(gòu)和分布，用拉曼光譜、熒光光譜、吸收反射光譜測量和分析納米材料的成分、電子

39、態(tài)，通過輸運(yùn)測量電子、空穴的遷移率，用時(shí)間分辨光譜測量載流子的壽命，用SEM分析納米膜的結(jié)構(gòu)信息等。此外，鑒于太陽電池的器件性能，特別是光伏轉(zhuǎn)換效率的測量和研究非常重要，將用商用儀器進(jìn)行測量，同時(shí)考慮研制設(shè)備的方案。第三部分：面向提高納米薄膜太陽電池效率的研究提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率等于降低成本。這部分的工作主要探討利用納米材料和結(jié)構(gòu)對(duì)器件中電子運(yùn)動(dòng)和光轉(zhuǎn)播的調(diào)控來提高太陽電池的效率。1、充分利用太陽光譜的多帶隙光電轉(zhuǎn)換材料和結(jié)構(gòu)擬采用兩種技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能寬光譜的利用。首先，利用納米材料的尺寸效應(yīng)構(gòu)筑不同特征吸收波長的納米薄膜復(fù)合材料，并采用疊層的方法達(dá)到全光譜吸收和光電轉(zhuǎn)換的目的。另外，充

40、分利用太陽光譜的新方法涉及納米硅、納米晶化合物半導(dǎo)體以及摻雜中間帶半導(dǎo)體量子點(diǎn)薄膜材料的制備，全光譜光吸收多帶隙材料的設(shè)計(jì)和光電轉(zhuǎn)換特性研究，以及納米硅、納米晶化合物薄莫中的光電轉(zhuǎn)換機(jī)理等關(guān)鍵技術(shù)。2、納米材料和結(jié)構(gòu)對(duì)光傳播特性的調(diào)控通過巧妙的設(shè)計(jì)，采用類似于“光子晶體”的方法對(duì)紅外和可見光傳播進(jìn)行調(diào)控，以實(shí)現(xiàn)對(duì)光反射和輻射特征的有效控制。這部分的研究涉及到解決復(fù)雜多層光學(xué)薄膜與光場相互作用的關(guān)鍵科學(xué)問題和材料制備、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)問題。因表面和界面的反射、散射和透射，太陽光在光伏器件中的能量損失約占到入射光能量的20左右，非?？捎^。如不采取措施，這種損失對(duì)新型的納米結(jié)構(gòu)光伏器件將更為嚴(yán)重

41、。通過合理的設(shè)計(jì)，不同介電常數(shù)的多層結(jié)構(gòu)可以形成對(duì)光的限制作用，從而經(jīng)多次反射，光束限域等過程增強(qiáng)光電耦合。為了增加入射光在光伏器件中的滯留時(shí)間，增強(qiáng)光電耦合效率，將采取的技術(shù)路線是針對(duì)納米材料設(shè)計(jì)有規(guī)則的結(jié)構(gòu)，用類“光子晶體”的原理實(shí)現(xiàn)對(duì)光束在器件中傳播過程的調(diào)控。首先將在理論上建模型，通過結(jié)構(gòu)和材料的設(shè)計(jì)使光在器件內(nèi)多次反射。根據(jù)一些紅外探測器的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通過光學(xué)微腔或光子晶體調(diào)控光在光伏器件內(nèi)的傳播可以明顯提高光電耦合效率。減少光伏器件表面的光反射能能有效利用太陽光。目前許多產(chǎn)業(yè)化的多晶硅太陽電池具有增強(qiáng)表面光透射（抑制光反射）的措施。對(duì)新型納米光伏器件而言，量子點(diǎn)薄膜往往處于電極的上方

42、，量子點(diǎn)薄膜表面的光反射將使器件對(duì)光能的有效利用率下降，因此要設(shè)計(jì)好量子點(diǎn)薄膜表面的幾何構(gòu)造來抑制光反射。3納米材料和結(jié)構(gòu)對(duì)光譜頻率的裁剪通過摻有量子點(diǎn)的納米薄膜和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)可以將太陽的輻射光譜轉(zhuǎn)變成同硅材料的吸收較為吻合的譜線。事實(shí)上，摻有量子點(diǎn)的多層納米材料和結(jié)構(gòu)正被用來制備各種各樣功能豐富多彩的高性能光電子元器件。量子點(diǎn)有著很高的光熒光效率，可利用量子點(diǎn)對(duì)光的吸收和熒光過程改變?nèi)肷涔獾念l率。PbS和PbSe的熒光涵蓋了絕大部分的太陽光譜，利用量子點(diǎn)納米薄膜可以實(shí)施光譜變換。提高光伏轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵在于太陽光全光譜的利用，我們的思路是通過新型光伏材料和器件結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。當(dāng)前光伏太陽能電池效

43、率不高的主要受制因素：1. 高能光子大于半導(dǎo)體能隙這部分能量不能有效用于光電轉(zhuǎn)換；2能量小于半導(dǎo)體能隙的紅外光子不能被利用；3光伏器件結(jié)構(gòu)中表面/界面對(duì)光的反射、散射造成較大的光能量損失。4納米材料和結(jié)構(gòu)中的多光子吸收和多激子激發(fā)過程初步研究表明，半導(dǎo)體量子點(diǎn)可以有大于100的光電轉(zhuǎn)換量子效率。即在滿足能量守恒的條件下一個(gè)高能光子可以產(chǎn)生2個(gè)或2個(gè)以上電子空穴對(duì)。比如當(dāng)半導(dǎo)體的禁帶寬度為1eV時(shí)，一個(gè)3eV的光子可以激發(fā)3個(gè)電子空穴對(duì)，而這些電子空穴對(duì)復(fù)合可以產(chǎn)生多個(gè)光子。在體材料中，由于光電子激發(fā)過程需同時(shí)滿足能量和動(dòng)量守恒條件，一個(gè)光子激發(fā)多個(gè)電子空穴對(duì)的幾率很小。在零維的量子點(diǎn)中，動(dòng)量已

44、不再是好量子數(shù)，因而不存在動(dòng)量守恒條件的限制。根據(jù)這一物理機(jī)理可以實(shí)現(xiàn)將一個(gè)高能光子轉(zhuǎn)變成多個(gè)低能光子，或多個(gè)電子空穴對(duì)。另外，由于晶體的平移對(duì)稱性被破壞，半導(dǎo)體量子點(diǎn)中較容易發(fā)生雙光子吸收，甚至多光子吸收現(xiàn)象。這使能量小于禁帶寬度的光子也能被材料吸收產(chǎn)生光生載流子。把高能光子的多余能量以及低能光子都利用起來，光伏的效率就能夠得到提高。在本研究計(jì)劃將制備的納米硅和ZnTe、CdSe、CdTe、TiO2、ZnO，PbSe、PbTe量子點(diǎn)中，單光子激發(fā)多激子的效應(yīng)都很強(qiáng)。在紅外波段的PbSe、PbTe量子點(diǎn)中已觀察到這一效應(yīng)。對(duì)雙光子和多光子吸收現(xiàn)象的研究也取得了進(jìn)展，預(yù)期這些納米材料由于平移對(duì)稱

45、性的破壞，將使雙光子和多光子吸收變得容易，從而在用于光伏電池后低能量的紅外光子可充分利用起來。對(duì)于低能紅外光子利用方面，目前紅外波段的量子點(diǎn)制備技術(shù)已經(jīng)日益成熟（如PbSe、PbS量子點(diǎn)）。在制備過程中有效地控制量子點(diǎn)的大小就可以實(shí)現(xiàn)吸收波長從中紅外波段（大約3微米）至近紅外（1微米左右）調(diào)節(jié)。利用這類量子點(diǎn)的紅外光子天線作用，以及適當(dāng)?shù)钠骷Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就能夠?qū)崿F(xiàn)紅外光子的光伏轉(zhuǎn)換。事實(shí)上，PbS量子點(diǎn)已經(jīng)被用于制備性能優(yōu)良的紅外探測器。另外一種方法是直接利用窄禁帶半導(dǎo)體薄膜（一般為納米量級(jí)）制備光伏器件。第四部分：納米光伏器件結(jié)構(gòu)的整體優(yōu)化和理論模擬對(duì)納米薄膜太陽電池的工作過程進(jìn)行理論建模，發(fā)展

46、計(jì)算方法。配合實(shí)驗(yàn)研究，為優(yōu)化器件性能提供指導(dǎo)。目前市場上有商用的硅太陽電池器件模擬程序。但納米光伏太陽電池中的光電轉(zhuǎn)換、光伏轉(zhuǎn)換涉及復(fù)雜的物理過程，這些過程往往因器件而異。在本研究計(jì)劃執(zhí)行過程中將開發(fā)出針對(duì)我們所研究的納米薄膜太陽電池的器件模擬程序。我們將針對(duì)特定的器件材料和結(jié)構(gòu)，將以下因素概括在建模中：1) 納米材料中的內(nèi)建電勢的分布，及其對(duì)載流子光吸收的影響;2) 光俘獲和光生載流子的電子傳輸機(jī)制和整流過程;3) 光在光伏器件中的傳輸，包括在界面上的反射、吸收、散射、透射過程；4) 光伏器件工作過程中特征參數(shù)的提取和器件性能評(píng)價(jià)因素的設(shè)定。采用多帶有效質(zhì)量理論和經(jīng)驗(yàn)贗勢方法，結(jié)合從頭計(jì)算

47、方法研究納米結(jié)構(gòu)的能帶，并考慮帶隙、摻雜，應(yīng)力、組分、載流子密度、阱寬和外場的影響，采用量子Boltzmann方程研究半導(dǎo)體量子結(jié)構(gòu)中的載流子輸運(yùn)，及其各種因素對(duì)輸運(yùn)過程的影響。光學(xué)性質(zhì)的研究將考慮各種因素和它們之間的依賴關(guān)系，著重研究外場，應(yīng)變、微腔、界面對(duì)光學(xué)性質(zhì)的影響。通過對(duì)器件工作過程的分析和上述因素的歸納建立模型。同時(shí)采用轉(zhuǎn)移矩陣、差分（FDTD）方法數(shù)值求解麥克斯韋方程，研究光場在納米器件中的分布及其對(duì)光吸收的影響。納米材料光伏器件的成本不高，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。局部的優(yōu)化對(duì)整體的影響需要有客觀的評(píng)價(jià)，有時(shí)局部和整體可能產(chǎn)生矛盾。從整體器件結(jié)構(gòu)來考慮是為了實(shí)現(xiàn)最終器件性能的優(yōu)化。理論建

48、模配合實(shí)驗(yàn)研究將揭示光和光電子在光伏器件中的動(dòng)力學(xué)行為和新奇量子現(xiàn)象（如多光子過程等），包括光同納米體系的耦合，光電轉(zhuǎn)換過程和光伏效應(yīng)的產(chǎn)生等。面向關(guān)鍵科學(xué)問題的解決和研究目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，本重大研究計(jì)劃分四個(gè)課題：課題1 基于納米材料和結(jié)構(gòu)的光電轉(zhuǎn)換過程和太陽能光伏應(yīng)用研究目標(biāo)：用納米材料構(gòu)筑復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜，通過對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)中異質(zhì)結(jié)勢壘和內(nèi)建電場的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽光全光譜的光電轉(zhuǎn)換。采用有大規(guī)模推廣前景的材料和結(jié)構(gòu)制備方法，圍繞降低價(jià)格和提高效率兩個(gè)主題。利用納米結(jié)構(gòu)的優(yōu)良光子俘獲性能和所選薄膜材料的優(yōu)良電子、空穴傳輸性能，以及復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜中的異質(zhì)結(jié)勢壘或pn結(jié)內(nèi)建電場實(shí)現(xiàn)高效率的光伏轉(zhuǎn)換和光伏器件主

49、要研究內(nèi)容： 主要研究兩類器件結(jié)構(gòu)：一是基于II-VI族半導(dǎo)體量子點(diǎn)同TiO2、ZnO納米結(jié)構(gòu)組裝構(gòu)筑的光伏材料和與之相應(yīng)的光伏電池；二是基于納米硅薄膜和物理法生長多晶硅材料的光伏電池。圍繞提高光電轉(zhuǎn)換效率和不斷降低器件成本，對(duì)這兩類光伏器件進(jìn)行系統(tǒng)研究。主要承擔(dān)單位：中科院上海技術(shù)物理所課題負(fù)責(zé)人：戴寧經(jīng)費(fèi)比例：34課題2 納米硅結(jié)構(gòu)在高效太陽能電池上的應(yīng)用研究目標(biāo)：本課題利用有序納米硅薄膜的高室溫電子遷移率，能帶結(jié)構(gòu)可調(diào)，低溫生長和無Staebler-Wronski效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，提出進(jìn)行基于疊層多結(jié)的高性能、低成本和高穩(wěn)定性納米硅薄膜太陽電池材料物理與器件應(yīng)用基礎(chǔ)研究。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能

50、匹配，提高太陽電池的穩(wěn)定光電轉(zhuǎn)換效率到15%左右。探索低溫快速沉積大面積薄膜的新工藝、新技術(shù)，探索高效納米硅薄膜太陽電池物理機(jī)理及可行方案，為低成本、高穩(wěn)定效率的硅薄膜太陽電池的規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐和保障，為新概念硅薄膜太陽電池的未來應(yīng)用作貯備。主要研究內(nèi)容：1納米硅薄膜材料的生長、結(jié)構(gòu)表征及生長參數(shù)優(yōu)化。利用改進(jìn)的等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)方法，通過生長條件（如濺射功率、生長溫度、氫稀釋比、反應(yīng)氣壓和沉積時(shí)間等）來調(diào)控生長過程中氫原子與硅原子的相互作用，生長均勻有序納米硅薄膜材料，實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)木Ы鐒輭窘Y(jié)構(gòu)以控制載流子運(yùn)動(dòng)。2以太陽電池應(yīng)用為導(dǎo)向的納米硅薄膜光電特性研

51、究。利用現(xiàn)代光譜手段，如光致發(fā)光光譜、吸收/反射光譜、光調(diào)制光譜和光電導(dǎo)/光電流光譜等，詳細(xì)研究納米硅薄膜中光電激發(fā)動(dòng)力學(xué)過程，掌握光激發(fā)下光生載流子的激發(fā)規(guī)律和光電子躍遷機(jī)制，以及與納米尺度能帶結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)缺陷等的相互關(guān)系。3漸變帶隙納米硅薄膜太陽電池的研制及性能測試分析。根據(jù)薄膜太陽電池的工作原理，設(shè)計(jì)p-i-n結(jié)構(gòu)的薄膜太陽電池，其中i層禁帶寬度通過生長條件調(diào)節(jié)硅晶粒大小可以連續(xù)變化，結(jié)合太陽光譜分布特性和材料的納米尺度效應(yīng)，使p-i-n各層的光學(xué)參數(shù)、電學(xué)參數(shù)與厚度等相互匹配，通過選擇合適的生長條件來制備疊層三結(jié)納米硅薄膜太陽電池。此外，利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行光伏電池的理論模擬，參考實(shí)驗(yàn)上獲

52、得的第一手?jǐn)?shù)據(jù)資料，設(shè)計(jì)電池結(jié)構(gòu)，改變薄膜各層的相關(guān)參數(shù)，優(yōu)化電池性能，為實(shí)驗(yàn)提供理論指導(dǎo)，逐步提高電池的穩(wěn)定轉(zhuǎn)換效率到20%左右。主要承擔(dān)單位：上海交通大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：沈文忠經(jīng)費(fèi)比例：28課題3 多帶隙和納米結(jié)構(gòu)材料在太陽光全光譜光電轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用研究目標(biāo):子課題將針對(duì)太陽光全光譜利用的多帶隙光電轉(zhuǎn)換材料、新型納米結(jié)構(gòu)材料的研究，發(fā)展充分利用太陽光譜的高效光伏電池。將弄清納晶硅、納米晶化合物半導(dǎo)體、多帶隙半導(dǎo)體化合物的結(jié)構(gòu)、光學(xué)吸收、光頻轉(zhuǎn)換及光電轉(zhuǎn)換特性，發(fā)展新型多帶隙高光電轉(zhuǎn)換效率的功能材料，其中將設(shè)計(jì)幾種新型、高轉(zhuǎn)換效率的納米太陽能電池和轉(zhuǎn)換效率超過25%的高效晶硅太陽電池。獲得的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新材料和新太陽電池的光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到目前國際上一流水平。主要研究內(nèi)容:實(shí)現(xiàn)課題的研究目標(biāo)，本