基于纳米材料的太阳能光伏转换应用基础研究.doc

《基于纳米材料的太阳能光伏转换应用基础研究.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于纳米材料的太阳能光伏转换应用基础研究.doc（12页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 本文由liyongfeng_201贡献 doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 项目名称： 基于纳米材料的太阳能光伏转换应用基 础研究 首席科学家： 戴宁 中国科学院上海技术物理研究所 起止年限： 2010 年 1 月-2011 年 10 月 依托部门： 上海市科委 一、研究内容 本项目将研究用于提高光电转换效率的纳米材料和结构的设计和制备， 纳米 材料和结构对光电转换特性、光传输特性、光频谱特性的调控，以及半导体低维 结构中光电过程的理论建模。 项目拟解决 5 个关键的科学问题,以下列出当前提高光电转换效率所面临的 必须解决的关键科学问题。在本

2、项目实施过程中，我们将紧紧围绕这些科学问题 开展研究，通过纳米材料和结构的设计获得提高光电转换效率的方法。 关键科学问题之一 关键科学问题之一纳米材料和结构中内建电势分布的建立 之一 在纳米材料和结构中构筑内建电势分布是产生光伏效应的必要条件。 纳米量 子点具有很强的量子限域效应， 因而能够以很高的效率俘获光子而产生电子空穴 对。但另一方面量子点的量子限域效应也给光伏效应带来这样的问题：被激发的 电子在量子点中仍然是受限的，难以形成光电流。产生光伏效应必须有内建电势 分布， 即具有类似于 pn 结那样的电势场将电子和空穴分开并向相反的方向迁移。 在纳米材料或结构中可控地建立类似于 pn 结的内

3、建电场分布是个难题，也是本 项目首先要解决的关键科学问题。 传统的方法是进行 p 型和 n 型掺杂形成 pn 结电势分布。在我们的体系中拟 采用两种纳米材料键合或借助于材料的异质结形成界面势。 在纳米材料和结构中 形成电势场分布涉及到新机理和新方法的研究。 通过纳米材料和结构的设计可在 量子点复合材料中建立电子通道， 这样被激发的电子就可以离开量子点形成光生 电流。必须研究量子点的电子态同周围环境电子态的相互作用和耦合。这类复合 材料中电子的输运过程取决于许多因素，包括一些目前尚不清楚的机理。 关键科学问题之二纳米材料和结构中光生载流子的迁移路径与寿命 关键科学问题之二纳米材料和结构中光生载流

4、子的迁移路径与寿命 之二 一般而言纳米薄膜材料的电子和空穴传输能力不如半导体材料， 主要表现在 材料的迁移率低，载流子寿命短，电阻大等问题，这在很大程度影响了光伏电池 的性能。纳米颗粒的比表面大，因此纳米结构的缺陷密度比较高。缺陷会影响光 电子的寿命，电子和光的传输等，从而对光伏器件的工作产生不利的影响。解决 这一问题的关键在于弄清纳米材料和结构中缺陷对光电过程影响的机理， 找到抑 制这种不良影响的方法。在技术上，必须找到相关的纳米颗粒表面改性方法，在 纳米颗粒之间构筑电子通道，使电子在纳米材料中能够快速迁移。 关键科学问题之三纳米材料对太阳光全光谱的光电转换 关键科学问题之三纳米材料对太阳光

5、全光谱的光电转换 之三 很容易通过颗粒大小的变化来改变纳米材料对光的吸收波长， 所以全光谱吸 收对纳米材料个体而言不是问题。但是问题出在太阳电池的结构。全光谱太阳电 池一般由吸收波长不同的多层纳米薄膜构成。 不同吸收波长的纳米薄膜如何实现 叠层，以及多层纳米薄膜如何保证电子的传输效率是需要解决的关键。另外以 CdTe、CdSe 量子点介孔薄膜材料为例，大小差别很大的纳米颗粒在同一种介孔 材料中如何有效地进行组装在技术上也有一定难度。 关键科学问题之四 单个高能光子激发多电子-空穴对的机理 关键科学问题之四 单个高能光子激发多电子 空穴对的机理 目前的太阳电池尚无法利用吸收光子的能量大于材料带隙

6、的部分。 一个高能 光子可以产生总能量与之相等的 2 对，甚至更多的电子空穴对，但在一般的半导 体材料中这一过程的效率很低。量子点有这样一个极其优越的性能：具有很高的 单个光子激发多个电子空穴对的效率。 量子点中的俄歇过程对多电子空穴对 的形成起着重要的作用，而这一过程的效率取决于材料的具体能带结构。本项目 的一个研究重点是利用纳米材料和结构， 通过单个高能光子激发多激子的过程提 高太阳电池的转换效率。 关键科学问题之五 关键科学问题之五 低能红外光子的光电转换 太阳光谱总能量的 40左右在红外波段。由于硅材料的能隙为 1.12 电子伏 特，所有低于这一能量的红外光子都无法被吸收而用于光电转换

7、。有效地利用这 部分能量将提高光伏器件的效率。受材料特性限制，一般半导体很难对低能红外 光子进行光电转换。利用窄禁带材料和红外上转换效应（双光子和多光子吸收） ， 或在纳米材料和结构中形成第 II 类势能排列，可对低能红外光子进行光电转换， 这对提高电池的效率是十分有益的。 这五个关键科学问题中， 第一和第二个关键科学问题决定了纳米材料和结构 中能否产生光伏效应， 而第三到第五个关键科学问题对提高太阳电池的效率起着 至关重要的作用。 通过充分的调研和分析， 我们认为目前太阳电池光伏效应的产生和效率主要 受制于以下几个方面，并提出了相应的解决途径： 1 纳米薄膜材料和结构中如何使光生电子和空穴分

8、别向相反方向迁移 解决途径： 1）利用界面异质结； 2）用杂质扩散形成电势分布。 2 保证光生载流子的迁移路径与高的载流子寿命 解决途径： 1）利用表面修饰和分子偶联构筑纳米颗粒间的电子迁移通道； 2）通过钝化方法抑制影响电子寿命的缺陷的密度。 3 全光谱光伏转换纳米多层膜的构筑 解决方案： 1）制备叠层式纳米多层膜结构； 2）通过工艺控制提高层间电子传输效率。 4 高能光子大于半导体能隙这部分能量不能有效用于光电转换 解决途径： 1）单个高能光子产生多个电子空穴对； 2）太阳光谱裁剪。 5 能量小于半导体能隙的红外光子不能被利用 解决办法： 1）多个红外光子产生 1 个电子空穴对； 2）采用

9、窄禁带纳米半导体材料； 3）利用第 II 类能带排列纳米结构。 根据上述分析， 解决这些问题的实质是怎样通过新型光伏材料和器件结构的 设计实现太阳光全光谱的利用。因此，本课题的具体研究内容集中在发展各种方 法和手段，通过构建一些特殊的人工纳米材料和结构实现高效光电转换。主要研 究内容分为四个方面：1）具有高光电转换性能的纳米材料和结构的设计和制备； 2）基于纳米薄膜材料的光伏太阳电池制备和研究；3）面向提高纳米薄膜太阳电 池效率的研究；4）纳米光伏器件结构的整体优化和理论模拟。这四部分的关系 是，第一部分针对太阳能光伏材料，是第二部分太阳电池制备和研究的基础。第 三、 第四部分致力于通过对纳米

10、薄膜材料和器件结构的实验和理论研究提高太阳 电池转换效率。 第一部分：具有高光电转换性能的纳米材料和结构的设计和制备 第一部分：具有高光电转换性能的纳米材料和结构的设计和制备 光伏纳米材料和结构光电转换效率的提高很大程度上取决于有序纳米结构 的制备方法。这部分工作将为整个重大研究计划的实施提供材料和样品。 1 纳米硅薄膜材料的生长 硅基太阳电池在光伏领域是不可或缺的。 有序高电子迁移率纳米硅薄膜材料 生长、能带结构调控以及光电输运特性方面的探索现在依然是研究热点，这些研 究主要面向进一步提高太阳电池的性能和降低成本。 通过生长条件调节晶粒大小 或掺杂浓度， 借助于纳米尺度效应和晶格应变技术可以

11、调控纳米硅薄膜材料的光 学带隙和电导率，以满足高效理想太阳能电池的需要。再加上我们所采用的等离 子体增强化学气相沉积方法具有成膜温度低、制膜面积大、薄膜质量好、易调控 和适用性强等优点，非常适合于大规模低成本工业化生产。 纳米硅薄膜太阳电池与其它硅系列太阳电池相比具有明显的优势。首先纳米 硅薄膜同非晶硅薄膜的制备技术相容，只需在生产过程中增加反应气体中的氢稀 释比。多晶硅薄膜的生长温度在 650 度以上，单晶硅材料的生长需要 1000-1500 度的高温，而纳米硅薄膜可以在不超过 300 度的温度下生长，能耗非常低，可以 大大缩短能量回收期，非常有利于降低生产成本。同时纳米硅的低温生长条件也

12、有利于在柔性衬底（如聚合物等）上制备太阳电池，使应用领域大为拓展，而且 其耐高温性能优于晶体硅电池。与传统的单晶硅、多晶硅硅片（即 wafer，目前 厚度约 180-350 微米）比较，用纳米硅薄膜（厚度小于 10 微米量级）来制备太阳 能电池可以节省更多的硅材料。 纳米量子点/介孔材料复合结构薄膜的设计和制备 2 纳米量子点 介孔材料复合结构薄膜的设计和制备 太阳光谱主要分布在 0.43 微米，因此纳米光伏材料必须具有在这一光谱范 围的优良光子俘获性能。将致力于性能稳定的 ZnSe、CdSe、CdTe、PbSe、PbTe 等核-壳结构量子点的制备，以实现对太阳光全光谱的光电转换。量子点使电子

13、 和空穴被限制在纳米尺度的量子箱中。 量子限域效应导致了类似于原子的能级结 构，并使材料的物理性能发生改变。量子限域条件下轻、重空穴带会发生分裂， 使这种耦合作用减弱，从而增强光学跃迁的振子强度。包覆层对量子点的吸收光 谱和荧光光谱也都会有影响。另外，通过 ZnS 的包覆，CdSe 表面态密度大幅度 降低，使非辐射复合几率下降。针对上述量子点材料，将特别关注量子限域效应 下激子的稳定性和室温条件下的发光效率等同光伏器件密切相关的基本问题。 量子点本身的电子传输性能很差，电子传输必须借助其他材料。我们的研究 表明，TiO2、ZnO 这类材料具有良好的导电性能，且在可见光范围是透明的。将 量子点组

14、装在 TiO2、ZnO 纳米介孔材料中形成的复合材料具有优良的光电导和 光伏性能。太阳电池为平面器件，因此量子点/介孔复合材料必须制备成薄膜。 近年来，我们在 ZnSe、CdSe、CdTe、PbSe、PbTe 半导体胶体量子点和 TiO2、 ZnO 介孔材料的制备方面做了许多工作， 解决了一系列的工艺技术问题。 我们用 化学方法合成这些纳米材料。化学合成方法更易于控制材料的化学组分、形状和 尺寸。此外，化学法制备的量子点可以分散在不同的液体和固体介质中形成均相 溶液，也可以排列成密堆积的固体和进行有序组装；在未来纳米技术中以自组装 作用为规则，量子点可以象积木一样，具高度的可调控性。 作为复合

15、结构中的重要组成部分, 量子点本身的性质以及它在其他材料中 的分散性对电池性能有着重要影响。研究发现，体系中电子的传输能力是决定器 件性能的主要因素。实际的激活层内，互穿网络微观结构的无序状态会使相分离 不完全，大大限制了激子的扩散、分离以及载流子在给体-受体孤岛上的跳跃传 输，使激子只能在激活层内发生复合，导致到达电极的载流子数量与激子相比大 大减少。 为了使光能有效地转化为电能， 光伏电池激活层必须吸收足够多的光子， 产生大量的载流子，并且能使大部分载流子避免发生复合而形成光电流。考虑上 述因素，量子点复合薄膜的设计很关键。 3 面向宽光谱光电转换的多带隙光伏材料 将研究两类纳米材料。一类

16、是禁带中具有中间带的纳米材料，由于中间带的 存在使纳米材料可以吸收低能光子并进行光电转换。 纳米材料的中间带可以通过 掺杂， 特别是掺磁性杂质来实现， 也可以通过调控界面异质结的能带排列来实现。 第二类是纳米多层膜，其中每层膜具有不同的特征光吸收截止波长。采用多带隙 光伏材料是为了克服现有的太阳电池只能对一定波长范围的光进行光电转换的 局限性。由于尺寸引起的量子限域效应，通过制备不同尺寸纳米晶可以保证广谱 吸收，进而提高太阳光谱的利用率。将研究多带隙纳米 Si、ZnSe、CdTe、CdSe 等材料和全光谱多层膜的制备方法。 4 无机半导体纳米棒阵列复合太阳能电池薄膜材料 采取近年来发展起来的材料制备方法可以构筑根据物理原理设计的特殊结 构光伏材料，比如半导体纳米棒阵列复合太阳电池薄膜材料。拟在Si等衬底上制 备微观上有序排列的ZnO、SnO2、TiO2等纳米无机传输材料。制备这类材料将采 用纳米压印曝光技术结合微电子加工技术， 加工旨在提高光伏转换效率的功能结 构。纳米