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

1、本文由liyongfeng_201貢獻(xiàn) doc文檔可能在WAP端瀏覽體驗(yàn)不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機(jī)查看。 項(xiàng)目名稱： 基于納米材料的太陽(yáng)能光伏轉(zhuǎn)換應(yīng)用基 礎(chǔ)研究 首席科學(xué)家： 戴寧 中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 起止年限： 2010 年 1 月-2011 年 10 月 依托部門： 上海市科委 一、研究?jī)?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。 項(xiàng)目擬解決 5 個(gè)關(guān)鍵的科學(xué)問題,以下列出當(dāng)前提高光電轉(zhuǎn)換效率所面臨的 必須解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。在本項(xiàng)

2、目實(shí)施過程中，我們將緊緊圍繞這些科學(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 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(shì)分布的建立 之一 在納米材料和結(jié)構(gòu)中構(gòu)筑內(nèi)建電勢(shì)分布是產(chǎn)生光伏效應(yīng)的必要條件。 納米量 子點(diǎn)具有很強(qiáng)的量子限域效應(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)。但另一方面量子點(diǎn)的量子限域效應(yīng)也給光伏效應(yīng)帶來這樣的問題：被激發(fā)的 電子在量子點(diǎn)中仍然是受限的，難以形成光電流。產(chǎn)生光伏效應(yīng)必須有內(nèi)建電勢(shì) 分布， 即具有類似于 pn 結(jié)那樣的電勢(shì)場(chǎng)將電子和空穴分開并向相反的方向遷移。 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

3、電場(chǎng)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(shì)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(shì)。 在納米材料和結(jié)構(gòu)中 形成電勢(shì)場(chǎng)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)中光生載流子的遷移路徑與壽命 關(guān)鍵科學(xué)問題之二納米材料和結(jié)構(gòu)中光生載流子

4、的遷移路徑與壽命 之二 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(yáng)光全光譜的光電轉(zhuǎn)換 關(guān)鍵科學(xué)問題之三納米材料對(duì)太陽(yáng)光

5、全光譜的光電轉(zhuǎn)換 之三 很容易通過顆粒大小的變化來改變納米材料對(duì)光的吸收波長(zhǎng)， 所以全光譜吸 收對(duì)納米材料個(gè)體而言不是問題。但是問題出在太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)。全光譜太陽(yáng)電 池一般由吸收波長(zhǎng)不同的多層納米薄膜構(gòu)成。 不同吸收波長(zhǎng)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。另外以 CdTe、CdSe 量子點(diǎn)介孔薄膜材料為例，大小差別很大的納米顆粒在同一種介孔 材料中如何有效地進(jìn)行組裝在技術(shù)上也有一定難度。 關(guān)鍵科學(xué)問題之四 單個(gè)高能光子激發(fā)多電子-空穴對(duì)的機(jī)理 關(guān)鍵科學(xué)問題之四 單個(gè)高能光子激發(fā)多電子 空穴對(duì)的機(jī)理 目前的太陽(yáng)電池尚無法利用吸收光子的能量大于材料帶隙

6、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)有這樣一個(gè)極其優(yōu)越的性能：具有很高的 單個(gè)光子激發(fā)多個(gè)電子空穴對(duì)的效率。 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)， 通過單個(gè)高能光子激發(fā)多激子的過程提 高太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率。 關(guān)鍵科學(xué)問題之五 關(guān)鍵科學(xué)問題之五 低能紅外光子的光電轉(zhuǎn)換 太陽(yáng)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

7、。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(shì)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(yáng)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)為目前太陽(yáng)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

8、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(shì)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(yáng)光譜裁剪。 5 能量小于半導(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

9、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)。 根據(jù)上述分析， 解決這些問題的實(shí)質(zhì)是怎樣通過新型光伏材料和器件結(jié)構(gòu)的 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光全光譜的利用。因此，本課題的具體研究?jī)?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?jī)?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(yáng)電池制備和研究；3）面向提高納米薄膜太陽(yáng)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(yáng)能光伏材料，是第二部分太陽(yáng)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

10、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(yáng) 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 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)光電轉(zhuǎn)換效率的提高很大程度上取決于有序納米結(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(zhǎng) 硅基太陽(yáng)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(zhǎng)、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(yáng)電池的性能和降低成本。 通過生長(zhǎng)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

11、以調(diào)控納米硅薄膜材料的光 學(xué)帶隙和電導(dǎo)率，以滿足高效理想太陽(yáng)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(yáng)電池與其它硅系列太陽(yáng)電池相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。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(zhǎng)溫度在 650 度以上，單晶硅材料的生長(zhǎng)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(zhǎng)，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(zhǎng)條件

12、也 有利于在柔性襯底（如聚合物等）上制備太陽(yáng)電池，使應(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(yáng) 能電池可以節(jié)省更多的硅材料。 納米量子點(diǎn)/介孔材料復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜的設(shè)計(jì)和制備 2 納米量子點(diǎn) 介孔材料復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜的設(shè)計(jì)和制備 太陽(yáng)光譜主要分布在 0.43 微米，因此納米光伏材料必須具有在這一光譜范 圍的優(yōu)良光子俘獲性能。將致力于性能穩(wěn)定的 ZnSe、CdSe、CdTe、PbSe、PbTe 等核-殼結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)的制備，以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光全光譜的光電轉(zhuǎn)換。量子點(diǎn)使

13、電子 和空穴被限制在納米尺度的量子箱中。 量子限域效應(yīng)導(dǎo)致了類似于原子的能級(jí)結(jié) 構(gòu)，并使材料的物理性能發(fā)生改變。量子限域條件下輕、重空穴帶會(huì)發(fā)生分裂， 使這種耦合作用減弱，從而增強(qiáng)光學(xué)躍遷的振子強(qiáng)度。包覆層對(duì)量子點(diǎn)的吸收光 譜和熒光光譜也都會(huì)有影響。另外，通過 ZnS 的包覆，CdSe 表面態(tài)密度大幅度 降低，使非輻射復(fù)合幾率下降。針對(duì)上述量子點(diǎn)材料，將特別關(guān)注量子限域效應(yīng) 下激子的穩(wěn)定性和室溫條件下的發(fā)光效率等同光伏器件密切相關(guān)的基本問題。 量子點(diǎn)本身的電子傳輸性能很差，電子傳輸必須借助其他材料。我們的研究 表明，TiO2、ZnO 這類材料具有良好的導(dǎo)電性能，且在可見光范圍是透明的。將 量子

14、點(diǎn)組裝在 TiO2、ZnO 納米介孔材料中形成的復(fù)合材料具有優(yōu)良的光電導(dǎo)和 光伏性能。太陽(yáng)電池為平面器件，因此量子點(diǎn)/介孔復(fù)合材料必須制備成薄膜。 近年來，我們?cè)?ZnSe、CdSe、CdTe、PbSe、PbTe 半導(dǎo)體膠體量子點(diǎn)和 TiO2、 ZnO 介孔材料的制備方面做了許多工作， 解決了一系列的工藝技術(shù)問題。 我們用 化學(xué)方法合成這些納米材料?；瘜W(xué)合成方法更易于控制材料的化學(xué)組分、形狀和 尺寸。此外，化學(xué)法制備的量子點(diǎn)可以分散在不同的液體和固體介質(zhì)中形成均相 溶液，也可以排列成密堆積的固體和進(jìn)行有序組裝；在未來納米技術(shù)中以自組裝 作用為規(guī)則，量子點(diǎn)可以象積木一樣，具高度的可調(diào)控性。 作為

15、復(fù)合結(jié)構(gòu)中的重要組成部分, 量子點(diǎn)本身的性質(zhì)以及它在其他材料中 的分散性對(duì)電池性能有著重要影響。研究發(fā)現(xiàn)，體系中電子的傳輸能力是決定 器 件性能的主要因素。實(shí)際的激活層內(nèi)，互穿網(wǎng)絡(luò)微觀結(jié)構(gòu)的無序狀態(tài)會(huì)使相分離 不完全，大大限制了激子的擴(kuò)散、分離以及載流子在給體-受體孤島上的跳躍傳 輸，使激子只能在激活層內(nèi)發(fā)生復(fù)合，導(dǎo)致到達(dá)電極的載流子數(shù)量與激子相比大 大減少。 為了使光能有效地轉(zhuǎn)化為電能， 光伏電池激活層必須吸收足夠多的光子， 產(chǎn)生大量的載流子，并且能使大部分載流子避免發(fā)生復(fù)合而形成光電流?？紤]上 述因素，量子點(diǎn)復(fù)合薄膜的設(shè)計(jì)很關(guān)鍵。 3 面向?qū)捁庾V光電轉(zhuǎn)換的多帶隙光伏材料 將研究?jī)深惣{米材料

16、。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(zhǎng)。采用多帶隙 光伏材料是為了克服現(xiàn)有的太陽(yáng)電池只能對(duì)一定波長(zhǎng)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(yáng)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 無機(jī)半導(dǎo)體納米棒陣列復(fù)合太陽(yáng)能電池薄膜材料 采取近年來發(fā)展起

17、來的材料制備方法可以構(gòu)筑根據(jù)物理原理設(shè)計(jì)的特殊結(jié) 構(gòu)光伏材料，比如半導(dǎo)體納米棒陣列復(fù)合太陽(yáng)電池薄膜材料。擬在Si等襯底上制 備微觀上有序排列的ZnO、SnO2、TiO2等納米無機(jī)傳輸材料。制備這類材料將采 用納米壓印曝光技術(shù)結(jié)合微電子加工技術(shù)， 加工旨在提高光伏轉(zhuǎn)換效率的功能結(jié) 構(gòu)。納米壓印曝光技術(shù)是加工納米結(jié)構(gòu)的核心技術(shù)，提高光伏轉(zhuǎn)換效率的納米結(jié) 構(gòu)的特征尺度在亞波長(zhǎng)范圍，具有廉價(jià)高效的特點(diǎn)。 采用先進(jìn)的微納結(jié)構(gòu)加工技術(shù)， 可通過特殊微納功能結(jié)構(gòu)對(duì)光伏轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行 調(diào)控，以提高光電轉(zhuǎn)化效率。比如，通過特殊微納功能結(jié)構(gòu)可改進(jìn) pn 結(jié)內(nèi)建電場(chǎng) 的分布和提高 pn 結(jié)光電轉(zhuǎn)化作用層的有效面積，明

18、顯減少光生載流子的復(fù)合幾 率。 第二部分： 第二部分：基于納米薄膜材料的光伏太陽(yáng)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(chǎng)化前景 的納米薄膜太陽(yáng)電池。 1 納米薄膜太陽(yáng)電池 納米太陽(yáng)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)，即光電效應(yīng)；第二步，受內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)電池； 3) 基于 CdSe

19、 量子點(diǎn)/介孔 TiO2，CdTe 量子點(diǎn)/介孔 TiO2，CdSe 量子點(diǎn)/介孔 ZnO， CdTe 量子點(diǎn)/介孔 ZnO 結(jié)構(gòu)的 II-VI 族半導(dǎo)體量子點(diǎn)/介孔氧化物半 導(dǎo)體體系太陽(yáng)電池； 4) 基于中間帶能帶結(jié)構(gòu)的 GaAs、GaP、ZnTe、CdSe、CdTe、TiO2、ZnO 多 帶隙材料太陽(yáng)電池； 5) 硅基半導(dǎo)體納米棒陣列復(fù)合太陽(yáng)電池。 2 納米薄膜太陽(yáng)電池的表征 納米薄膜太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)比體硅太陽(yáng)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(yáng)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

20、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(cè)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。 第三部分： 第三部分：面向提高納米薄膜太陽(yáng)電池效率的研究 這部分的研究面向提高太陽(yáng)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(yáng)光全光譜光電轉(zhuǎn)換，充分利用太陽(yáng) 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(yáng)光譜同納米薄膜的能帶更加匹配。 1 充分利用太陽(yáng)光譜的多帶隙光電轉(zhuǎn)換材料和結(jié)構(gòu)太陽(yáng)光全光譜光電轉(zhuǎn)換 充分利用太陽(yáng)光譜的多帶隙光電轉(zhuǎn)換材料和結(jié)構(gòu) 實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率的首要途徑是盡可能提高太陽(yáng)光的利用率，這是光伏科學(xué)技 術(shù)發(fā)展幾十年來

21、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(zhǎng)從紅外到紫外，對(duì)應(yīng) 的能量范圍為 0.44.0eV 的全部太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)電池效率實(shí)驗(yàn) 上已達(dá)到 40以上。我們將研究在 GaN、GaAs、GaP 等 III-V 族和 ZnT

22、e、ZnSe、 CdTe 等 IIVI 族半導(dǎo)體，以及在 TiO2、ZnO 中摻入非磁元素或磁性金屬元素， 通過在原帶隙中引入中間雜質(zhì)能級(jí)實(shí)現(xiàn)多帶隙。 2 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(yáng)光譜中高 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 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

23、能被利用的能量用來產(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 ZnSe、CdSe、CdTe、PbSe、PbTe 等量子點(diǎn)中的多光子吸 收和多激子激發(fā)過程。 3 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 納米材料和結(jié)構(gòu)對(duì)光傳播特性的調(diào)控 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，從而提高光伏器件的效率。 由于太陽(yáng)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(yáng)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

24、。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(yáng)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)微腔或光子晶體對(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(zhǎng)多維周期微結(jié)構(gòu)的材料已被理論和實(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。

25、由于在部分光頻段的光吸收很弱，目前多晶硅太 陽(yáng)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。 4 納米材料和結(jié)構(gòu)對(duì)光譜頻率的裁剪使太陽(yáng)光譜同納米薄膜的能帶更加匹配 納米材料和結(jié)構(gòu)對(duì)光譜頻率的裁剪 硅太陽(yáng)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(yáng)光譜吻 合得不好。克服這一障礙的方法之一是改變太陽(yáng)光的光譜分布。半導(dǎo)體量子點(diǎn)有 著極佳的光吸收和光致發(fā)光性能。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)

26、光變成一定頻譜分布的光，或?qū)⒛?種頻譜分布的光變成 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。 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 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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(cè)量。通過理論建模和 實(shí)驗(yàn)，將揭示光和光電子在光伏器

27、件中的動(dòng)力學(xué)行為和新奇量子現(xiàn)象，包括光同 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： 本項(xiàng)目的總體目標(biāo)為：面向國(guó)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(yáng)電池的價(jià)格和提高轉(zhuǎn)換效率， 使我國(guó)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。 年預(yù)期目標(biāo)： 五年預(yù)期目標(biāo) ：

28、 將重點(diǎn)研究面向太陽(yáng)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，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(yáng)光譜和對(duì)太陽(yáng)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(guó)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(guó)家進(jìn)一 步加大對(duì)太陽(yáng)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(yáng)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)

29、，在國(guó)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。 以降低太陽(yáng)電池價(jià)格和提高光 本項(xiàng)目預(yù)期取得的進(jìn)展、 項(xiàng)目預(yù)期取得的進(jìn)展、 預(yù)期取得的進(jìn)展 突破及其科學(xué)價(jià)值： 突破及其科學(xué)價(jià)值： 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

30、。 實(shí)施本項(xiàng)目將使我國(guó)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(guó)的光伏研究水平， 使我國(guó)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(guó)家的差距。在面 臨復(fù)雜和競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的形勢(shì)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(guó)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)钠毡樾裕?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，

31、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(guó)家光伏研究任務(wù)的平臺(tái)。 通過人才隊(duì)伍的培養(yǎng)為國(guó) 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 10 種以上納米光伏薄膜材料樣品 其中包括： 10 種以上納米量子點(diǎn)材料，部分材料穩(wěn)定量子效率達(dá)到 50； 3 種以上介孔材料。 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)

32、對(duì)光傳輸和頻譜特性調(diào)控的方法； 10 種結(jié)構(gòu)新穎的光伏器件，5 種轉(zhuǎn)換效率在 10以上，2 種在 20-25以上。 3 論文和專利 在國(guó)內(nèi)外雜志發(fā)表 SCI 和 EI 研究論文 50 篇以上。 申請(qǐng)專利 40 項(xiàng)以上，成果鑒定 5 項(xiàng)以上。 4) 人才隊(duì)伍建設(shè) 形成由 30 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(yáng)能研究與發(fā)展中心的建設(shè)。平臺(tái)將成為我國(guó)光 伏研究的中心，為我國(guó)對(duì)潔凈能源的

33、需求解決核心科學(xué)技術(shù)問題。 三、研究方案 學(xué)術(shù)思路 ： 再利用 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， 異質(zhì)結(jié)電場(chǎng)突變的整流效應(yīng)或 pn 結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)將電子和空穴分開而形成光伏效 應(yīng)。 攻關(guān)目標(biāo)： 取得具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)降 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， 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(yáng)能轉(zhuǎn)換技術(shù)，為太陽(yáng)電池的應(yīng)用提供技術(shù)積累。 創(chuàng)新點(diǎn)： 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

34、自的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)高效率的光伏轉(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(yáng)電池是借 助 pn 結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)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(shì)和內(nèi)建電勢(shì)場(chǎng)。 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

35、，利用薄膜硅 pn 結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)，納米硅/多晶硅界面勢(shì)壘，CdSe/ TiO2、CdSe/ZnO 等異質(zhì)結(jié)勢(shì) 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(zhēng)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)

36、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(zhēng)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

37、能的納米材料和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制備 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(shì)壘突變和 pn 結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)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 納米硅薄膜材料的生長(zhǎng) 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(zhǎng)方法，現(xiàn) 廣泛用于制備非晶硅薄膜。通過一定的生長(zhǎng)條件控制，如濺射功率、生長(zhǎng)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(zhǎng)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，

38、生長(zhǎng)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(zhǎng)（生長(zhǎng)速率2nm/s）的納米 薄膜的厚度和晶粒大小的控制，缺陷和漏電流的抑制。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(zhǎng)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(zhǎng)，可利用這一技術(shù)將納

39、米硅生長(zhǎng) 在多晶硅材料上形成突變結(jié)。 2 量子點(diǎn) 介孔材料復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜的設(shè)計(jì)和制備 量子點(diǎn)/介孔材料復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜的設(shè)計(jì)和制備 將采用化學(xué)溶液法， 以很低的成本制備各種類型的量子點(diǎn)。 化學(xué)溶液法制備 CdSe 量子點(diǎn)有著和分子束外延法制備的量子點(diǎn)相同的光學(xué)和電學(xué)性能，而其方 法本身具有物理高真空方法無法替代的優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低廉。表面包覆鈍 化層可以提高量子點(diǎn)的熒光效率和抗光褪色能力。 常用的包覆材料有有機(jī)絡(luò)合劑 和寬禁帶（相對(duì)于 CdSe 體材料）無機(jī)材料。相比較而言，無機(jī)材料包覆的量子 點(diǎn)具有更高的穩(wěn)定性，也使植入固態(tài)結(jié)構(gòu)中工作的量子點(diǎn)具有更好的適應(yīng)性。 ZnS 的禁帶寬度為 3.4eV

40、， CdSe 為 1.76 eV， 而 它們之間的晶格失配約為 10.6%。 ZnS 是研究得最多的無機(jī)包覆層材料。ZnS 包覆的 CdSe 量子點(diǎn)（CdSe/ZnS 核殼量子點(diǎn)）顯示出增強(qiáng) 了的帶邊熒光和室溫下高達(dá) 50%的量子熒光效率。在非 水溶劑中，量子點(diǎn) ZnS 包覆層的制備一直采用有機(jī)鋅、有機(jī)硫化合物為前驅(qū)體， 在 CdSe 核生成反應(yīng)完成后，加入前驅(qū)體進(jìn)行熱解，控制反應(yīng)條件，實(shí)現(xiàn) ZnS 在 CdSe 核上生長(zhǎng)。在用溶劑熱方法制備 ZnS 材料時(shí)，控制反應(yīng)條件可以實(shí)現(xiàn)材料 在襯底表面生長(zhǎng)。用這種方法制備 CdSe/ZnS 核-殼量子點(diǎn)的 ZnS 包覆層反應(yīng)條 件溫和，成本也低。 采

41、用“化學(xué)剪裁”方法，將模板合成法、sol-gel 過程和電化學(xué)方法相結(jié)合制備 高活性、孔徑分布均一的 TiO2、ZnO 介孔粉體和介孔膜。考慮到量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)薄 膜的導(dǎo)電性要求，將選擇 ZnO 和 TiO2 兩種介孔材料來組裝 CdSe、CdS 和 CdTe 量子點(diǎn)。針對(duì) Zn2+具酸、堿敏感性的特點(diǎn)，采用中性或弱酸、堿性條件，采用 非離子型表面活性劑或共聚物 gel 為模板劑合成 ZnO 介孔粉體和介孔膜。通過 改變表面活性劑的種類、濃度或共聚反應(yīng)時(shí) HEMA/EGDMA 的配比來控制 ZnO 介孔材料的孔徑大小。研究 Zn 前驅(qū)體與所選的添加劑、螯合劑、溶劑、PH 值 及模板劑（含量、組成和劑

42、量）間的關(guān)聯(lián)，制備介孔尺度分布均一、排列整齊的 ZnO 介孔基底，用于定位量子點(diǎn)。此工作擬分兩步進(jìn)行。首先將金屬醇鹽熱解 法無機(jī)半導(dǎo)體量子點(diǎn)生長(zhǎng)工藝和溶熱法相結(jié)合，在 ZnO 介孔孔道中原位合成、 組裝半導(dǎo)體量子點(diǎn)。采用真空技術(shù)、超聲化學(xué)、Schlenck 技術(shù)等將已制備的尺寸 可控的半導(dǎo)體量子點(diǎn)直接組裝到已修飾的 ZnO 介孔孔道中。 此外，將利用陽(yáng)極氧化、電泳沉積、電沉積等方法制備納米管（線）/半導(dǎo) 體量子點(diǎn)復(fù)合材料，通過摻雜提高材料對(duì)可見光的響應(yīng)。復(fù)合納米結(jié)構(gòu)中導(dǎo)電的 納米線作為半導(dǎo)體納米 TiO2 復(fù)合薄膜光陽(yáng)極的“內(nèi)部納米導(dǎo)線”有可能降低電極 的內(nèi)部電阻，實(shí)現(xiàn)光生電荷的快速傳輸與分離

43、。預(yù)期該類半導(dǎo)體與導(dǎo)電的納米管 （線）復(fù)合材料會(huì)具有新的光電轉(zhuǎn)換特性。 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(yáng)電池只局限對(duì)一定波長(zhǎng)范圍的光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，光譜利用率不 高，影響了轉(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(yáng)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(zhǎng)向長(zhǎng)波拓展，比如摻入非磁元素或磁性金屬

44、元素的 GaAs、GaP、ZnTe、CdSe、CdTe、TiO2、ZnO 薄膜 。 4 無機(jī)半導(dǎo)體納米棒陣列復(fù)合太陽(yáng)能電池薄膜材料 無機(jī)半導(dǎo)體納米棒陣列復(fù)合太陽(yáng)能電池薄膜材料 將在Si等襯底上制備微觀上有序排列的納米無機(jī)傳輸材料。 Si同有序排列的納米無機(jī)傳輸材料形成的異質(zhì)結(jié)可以使電子和孔穴對(duì)發(fā)生 分離。有序排列的納米無機(jī)傳輸材料同時(shí)可為載流子提供連續(xù)的傳輸途徑，便于 載流子發(fā)生定向傳輸。 目前激活層的微觀結(jié)構(gòu)在一些關(guān)鍵問題上仍沒有取得重大 的突破，如激活層的微觀結(jié)構(gòu)在載流子的遷移范圍內(nèi)不是均一的復(fù)合體，電子的 給體和受體發(fā)生了不連續(xù)的相分離，呈無序不規(guī)則的狀態(tài),載流子在定域狀態(tài)形 式的分子間

45、不能發(fā)生有效長(zhǎng)距離的跳躍遷移而到達(dá)電極，形成光電流。 目前對(duì)納米無機(jī)納米晶CdSe 、CdS 、CdTe等復(fù)合體系的研究較多。納米 半導(dǎo)體氧化物如TiO2 、 ZnO、 SnO2 等則是另一類重要的電子受體材料。 2 和 TiO ZnO 都是寬禁帶半導(dǎo)體，在可見光范圍內(nèi)沒有吸收，并具有電子傳輸性好、合 成工藝簡(jiǎn)單、成本低、毒性低、穩(wěn)定性好、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在光電池領(lǐng)域中 具有很高的應(yīng)用價(jià)值。 特別是納米氧化鋅具有高的電子親和勢(shì)能和高的電子遷移 率，是一種電子受體材料。聚合物與納米ZnO、SnO2 等金屬氧化物半導(dǎo)體復(fù)合 材料的研究相對(duì)較少。 第二部分： 第二部分：基于納米薄膜材料的光伏太陽(yáng)電

46、池的制備和研究 1、納米薄膜材料太陽(yáng)電池 、納米薄膜材料太陽(yáng)電池 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(yáng)電池。 1) 納米硅薄膜太陽(yáng)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(yáng)電池：nc-Si/多種其它薄膜材料/導(dǎo)電玻璃體系； 3) II-VI 族半導(dǎo)體量子點(diǎn)/介孔氧化物半導(dǎo)體體系：CdSe 量子點(diǎn)/介孔 TiO2、 CdTe 量子點(diǎn)/介孔 TiO2、 CdSe 量子點(diǎn)/介孔 ZnO、 CdTe 量子點(diǎn)/介孔 ZnO 等。 4) 基于多帶隙材料的太陽(yáng)電池：摻入非磁元素或磁性金屬元素的 GaAs、 GaP、ZnTe、CdSe、CdTe、Ti

47、O2、ZnO 薄膜電池。 5) 硅基半導(dǎo)體納米棒陣列復(fù)合太陽(yáng)電池，特別是納米半導(dǎo)體氧化物如 TiO2 、ZnO、SnO2。 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(yáng)電池中是通過 pn 結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)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(shì)壘突變和摻雜分 布實(shí)現(xiàn)電子空穴反方向擴(kuò)散。比如 CdSe/ TiO2 界面，CdTe/ZnO 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

48、場(chǎng)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(yáng)電池的表征 、 納米薄膜太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)比體硅太陽(yáng)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(yáng)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(cè)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(cè)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(cè)量納米薄膜的厚度，用 XRD 和小角 X 射線衍射測(cè)

49、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(cè)量和分析納米材料的成分、電子態(tài)，通過輸運(yùn)測(cè)量電 子、空穴的遷移率，用時(shí)間分辨光譜測(cè)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(yáng)電池的器件性能，特別是光伏轉(zhuǎn)換效率的測(cè)量和研 究非常重要，將用商用儀器進(jìn)行測(cè)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(yáng)電池效率的研究 第三部分：面向提高納米薄膜太陽(yáng)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

50、來提高太陽(yáng)電池的效率。 1、充分利用太陽(yáng)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(yáng)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(zhǎng)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。這些納米量子點(diǎn)包括 CdTe、CdSe、PbSe、Si 等。其 次，可以通過摻入非磁元素或磁性金屬元素的方法在 GaP、ZnTe、CdSe、CdTe、 TiO2、ZnO 等材料的禁帶中間形成能帶，使這些納米薄膜能夠吸收比原來禁帶寬 度小的光子。 充分利用太陽(yáng)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

51、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)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)量已不再是好量子數(shù)，因而不存在動(dòng)量守恒條件的限制。

52、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)稱性的破壞，將使雙光

53、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。 3、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(chǎng)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(yáng)光在光伏器件中的能量損失約占到 入射光能量的 20左右，非常可觀。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。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

54、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(cè)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(yáng)光。目前許多產(chǎn)業(yè)化的多 晶硅太陽(yáng)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，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)

55、好量子點(diǎn)薄膜表面的幾何構(gòu)造來抑制光反射。 4、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(yáng)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。CdSe、CdTe 以及 PbS 和 PbSe 的熒光涵蓋了絕大部分的太陽(yáng)光譜，利用量子點(diǎn)納米薄膜可以 實(shí)施這種光譜變換。 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 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(yáng)電池的工作過

56、程進(jìn)行理論建模，發(fā)展計(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(chǎng)上有商用的硅太陽(yáng)電池器件模擬程 序。但納米光伏太陽(yáng)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(yáng)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(shì)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) 光同電子態(tài)的耦合強(qiáng)度的調(diào)控手段探索; 4) 光在納米光伏器件中的傳輸，包括在界面上的反射、吸收、散射、透射 過程； 5) 納米材料的無序（納

57、米結(jié)構(gòu)分布無序、雜質(zhì)無序等）對(duì)載流子輸運(yùn)的影 響； 6) 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(shì)方法，結(jié)合從頭計(jì)算方法研究納米結(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(chǎng)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(chǎng)，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(chǎng)在納米器件中的分布及其對(duì)

58、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(yáng)能光伏應(yīng)用 基于納米材料和結(jié)構(gòu)的光電轉(zhuǎn)換過程和太陽(yáng)能光伏應(yīng)用 研究目標(biāo)： 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(shì)壘

59、和 內(nèi)建電場(chǎng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)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(shì)壘或 pn 結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)高效率的光伏轉(zhuǎn)換和光伏器件。 主要研究?jī)?nèi)容： 主要研究?jī)?nèi)容： 主要研究?jī)深惼骷Y(jié)構(gòu)：一是基于 II-VI 族半導(dǎo)體量子點(diǎn)同 TiO2、ZnO 納米管組裝構(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(zhǎng)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(yáng)能電池上的應(yīng)用 研究目標(biāo)： 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(zhǎng)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(yáng)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)和性能匹配，提高太陽(yáng)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)