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。
2、在本项目实施过程中，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
3、的内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
4、载流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
5、阳光全光谱的光电转换 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
6、隙的部分。 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
7、换。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
8、分别向相反方向迁移 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薄
10、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调
11、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 有
12、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 和
13、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 量子点组装在
14、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。 作为复合结构中
15、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。一类是禁带
16、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
17、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。纳米压印曝光技术是加工纳米结构的核心技术，提高光伏转换效率的纳米结 构的特征尺度在亚波长范围，具有廉价高效的特点。 采用先进的微纳结构加工技术， 可通过特殊微纳功能结构对光伏转换过程进行 调控，以提高光电转化效率。比如，通过特殊微纳功能结构可改进 pn 结内建电场 的分布和提高 pn 结光电转化作用层的有效面积，明显减少
18、光生载流子的复合几 率。 第二部分： 第二部分：基于纳米薄膜材料的光伏太阳电池的制备和研究 这部分工作主要是设计和研究几种价格低廉，具有大规模生产和市场化前景 的纳米薄膜太阳电池。 1 纳米薄膜太阳电池 纳米太阳电池的工作遵循这样的物理过程：第一步，纳米材料俘获光子形成 电子空穴对，即光电效应；第二步，受内部势场的作用电子和空穴向相反方向运 动形成光伏效应。根据这样的原理，将设计和制备以下几种纳米太阳电池。 1) 基于 nc-Si/导电玻璃和 nc-Si/Si 结构的纳米硅基薄膜太阳电池； 2) 基于 nc-Si/其它薄膜材料/导电玻璃体系的纳米多层膜硅基太阳电池； 3) 基于 CdSe 量子
19、点/介孔 TiO2，CdTe 量子点/介孔 TiO2，CdSe 量子点/介孔 ZnO， CdTe 量子点/介孔 ZnO 结构的 II-VI 族半导体量子点/介孔氧化物半 导体体系太阳电池； 4) 基于中间带能带结构的 GaAs、GaP、ZnTe、CdSe、CdTe、TiO2、ZnO 多 带隙材料太阳电池； 5) 硅基半导体纳米棒阵列复合太阳电池。 2 纳米薄膜太阳电池的表征纳米薄膜太阳电池的结构比体硅太阳电池复杂，涉及到薄膜的厚度、结晶 度、缺陷密度、层间电和光的传播和耦合特性等研究。另外纳米薄膜太阳电池器 件性能的表征和评价技术并不完备。 在本重大研究计划的执行过程中需要用一系 列的实验手段
20、对纳米材料和光伏器件结构的参数进行测量和分析， 以获得器件最 佳性能状态所对应的参数和条件。 第三部分： 第三部分：面向提高纳米薄膜太阳电池效率的研究 这部分的研究面向提高太阳电池的光伏转换效率。根据不断探索，总结了 一些有前景的提高光伏器件效率的方法：太阳光全光谱光电转换，充分利用太阳 光谱中高能光子的多余能量和低能红外光子，增强光同纳米体系的耦合，以及使 太阳光谱同纳米薄膜的能带更加匹配。 1 充分利用太阳光谱的多带隙光电转换材料和结构太阳光全光谱光电转换 充分利用太阳光谱的多带隙光电转换材料和结构 实现高转换效率的首要途径是尽可能提高太阳光的利用率，这是光伏科学技 术发展几十年来一直令人
21、特别关注的问题。 半导体同质结单层电池的理论效率上 限为 31，其主要原因是没有任何一种材料能够吸收波长从红外到紫外，对应 的能量范围为 0.44.0eV 的全部太阳光谱。能量低于带隙的光由于不能被半导 体吸收而无法转换成电能，能量高于带隙的光虽然被吸收，但超过带隙的那部分 能量将以热的形式浪费掉。多年来经过研究者的不断努力，使得单一带隙半导体 材料太阳能电池的转换效率接近了理论极限， 达到 25.1%。 根据热力学第二定律， 太阳光的转换效率最高限制为 92，采用多层结构和多带隙太阳电池效率实验 上已达到 40以上。我们将研究在 GaN、GaAs、GaP 等 III-V 族和 ZnTe、Zn
22、Se、 CdTe 等 IIVI 族半导体，以及在 TiO2、ZnO 中掺入非磁元素或磁性金属元素， 通过在原带隙中引入中间杂质能级实现多带隙。 2 纳米材料和结构中的多光子吸收和多激子激发过程充分利用太阳光谱中高 纳米材料和结构中的多光子吸收和多激子激发过程 能光子的多余能量和低能红外光子 一般在光伏器件中能量大于材料禁带宽度的一个光子只能产生一对过热电 子空穴对，过热那部分能量无法被利用；能量小于禁带宽度的光子则因不能产生 电子空穴对而被浪费。 由于量子点中光吸收产生电子空穴对的过程中不需要满足 动量守恒原理，利用掺有半导体量子点纳米薄膜的多光子吸收和多激子激发效 应，有望使原来不能被利用的
23、能量用来产生光伏效应，从而提高光伏器件的光电 转换效率。我们将研究 ZnSe、CdSe、CdTe、PbSe、PbTe 等量子点中的多光子吸 收和多激子激发过程。3 纳米材料和结构对光传播特性的调控增强光同纳米体系的耦合 纳米材料和结构对光传播特性的调控 我们将用纳米技术构筑类光子晶体结构， 通过改变光的传播途径和使光在薄 膜中多次反射增加吸收，从而提高光伏器件的效率。由于太阳电池是多层薄膜结构，在薄膜界面和器件表面难免会有反射和散 射，造成光能量损失。比如，将 Si 太阳能电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结构，在 500900nm 光谱范围内反射率为 4 6。在 （100
24、） 面单晶硅化学制作绒面的反射率为 11， 而不加处理的光亮 Si 表面反射 率为 35。界面也存在着同样的问题。纳米技术构筑的太阳能光伏器件中界面 很多，如不抑制光在界面上的损耗就会影响光伏器件的性能。这部分的研究将集 中在对光伏材料和器件结构的最佳设计， 以及利用光学微腔或光子晶体对光在光 伏器件内的传播进行调控，实现诸如多次反射等效果。 具有纳米或亚波长多维周期微结构的材料已被理论和实验证明可用来控制光 子的运动，并由此产生诸如负折射率效应等新概念、新材料及新器件，引起了学 术界的极大重视。比如，利用多层纳米光学薄膜结构可在很大的光频范围内改变 光波的反射、透射和吸收特性。由于在部分光频
25、段的光吸收很弱，目前多晶硅太 阳能光伏器件所用的材料还比较厚，使得器件成本高举不下。显然，提高厚度为 纳米量级的薄膜中不同频率光的吸收效率是有实用意义的课题。 4 纳米材料和结构对光谱频率的裁剪使太阳光谱同纳米薄膜的能带更加匹配 纳米材料和结构对光谱频率的裁剪 硅太阳能光伏器件效率不高的原因之一是硅材料的吸收光谱同太阳光谱吻 合得不好。克服这一障碍的方法之一是改变太阳光的光谱分布。半导体量子点有 着极佳的光吸收和光致发光性能。受量子限域效应的控制，量子点的光吸收和光 致发光性能可以很容易地通过改变量子点的尺寸来调控。 将探索通过不同尺寸量 子点的混合，将单一频率的激发光通过光致发光变成一定频谱
26、分布的光，或将某 种频谱分布的光变成另一种频谱分布的光， 使得光谱同光伏器件的能带匹配达到 最佳。 第四部分：纳米光伏器件结构的整体优化和理论模拟 第四部分：纳米光伏器件结构的整体优化和理论模拟 对纳米薄膜太阳电池的工作过程进行理论建模， 发展计算方法是光伏研究不 可替代的重要部分。这部分研究的目的是配合实验，为优化器件性能提供指导。 纳米光伏太阳电池中的光电转换、光伏转换涉及复杂的物理过程，这些过程往往 因器件而异。特别是纳米薄膜太阳电池，由于器件中涉及的界面很多，光和电子 的传输过程更加复杂，有些重要的过程无法通过实验直接测量。通过理论建模和 实验，将揭示光和光电子在光伏器件中的动力学行为
27、和新奇量子现象，包括光同 纳米体系的耦合，光电转换和光伏效应的产生等，通过动态模拟光伏器件的工作 过程提取重要的特征参数。二、预期目标本项目的总体目标为： 本项目的总体目标为：面向国家对洁净、可再生能源的需求，通过对纳米材 料和结构的设计，以及对光电转换特性、光的传输特性、光的频谱特性调控的基 础研究， 取得一系列具有自主知识产权的提高光电转换效率的方法， 并将一部分 核心技术用于提高目前正在研究， 具有产业化前景的光伏器件的转换效率。 通过 降低太阳电池的价格和提高转换效率， 使我国在新型光伏纳米材料、 器件的制备 和研究方面走在世界前列。 年预期目标： 五年预期目标 ： 将重点研究面向太阳
28、能光电转换效率提高的低成本纳米材 料、新器件结构和新技术。研究基于纳米材料和结构的光电转换机理，纳米结构 中的光电子输运性质。 研究充分利用太阳光谱和对太阳光谱进行裁剪的方法等重 大基础科学问题，揭示新型纳米结构和材料对提高光电转化效率的作用及其规 律。探索和发现新材料的合成和制备方法并取得一批具有国际先进水平、独创性 强、应用前景明确的基础研究成果和具有自主知识产权的关键技术，为国家进一 步加大对太阳能的利用和开发提供科学和技术支撑。同时，培养一支学风严谨、 团结合作、敢于创新，潜心从事太阳能应用和开发研究的学术团队。建立相关材 料研究的多学科融合、交叉研究基地和技术平台，在国际相关领域的重
29、要学术刊 物系统发表高水平研究论文并产生重要影响。 以降低太阳电池价格和提高光 本项目预期取得的进展、 项目预期取得的进展、 预期取得的进展 突破及其科学价值： 突破及其科学价值： 电转换效率为主线，进行纳米光伏材料制备和器件研究。课题的内容包括了对新 型纳米材料和结构的设计， 材料中光电转换过程和光在材料中的传输特性和频谱 特性的调控研究。通过对纳米材料和结构薄膜的设计、制备、特性和功能调控的 综合研究，在理论上弄清纳米材料和结构薄膜中光电转换的机理，通过对关键科 学问题的解决和关键性原理的认识，实现纳米材料和结构薄膜在设计、制备、方 法和光电转换性能等方面的创新和突破。 实施本项目将使我国
30、在光电转换基础研究的源头掌握核心知识和关键技术， 明显提高我国的光伏研究水平， 使我国在面向新一代光伏器件的纳米材料和结构 制备、设计，及核心原理和技术的掌握上显著缩小与工业发达国家的差距。在面 临复杂和竞争日趋激烈的形势下，通过研究取得新一代光伏领域的持续创新能 力，并通过所形成的研究平台和团队不断产生原创性，具有自主知识产权的研究 成果，以满足包括产业在内的国家在光伏领域不断增大的需求。 因为一些基本原理和方法带有相当的普遍性， 研究中产生的对纳米材料和结 构薄膜中光电过程原理的新认识、 结构设计和制备的新方法， 将能够被有效地用 于第三代光伏器件和其他纳米技术领域，尤其在光电子器件研究领
31、域。 具体的考核指标和人才培养计划通过本项目的实施将产生一系列具有自主知识产权的原创性成果， 其主要形 式是方法、材料、原型器件、论文和专利。同时形成一支活跃在光伏领域的优秀 团队和未来更深层次上承担国家光伏研究任务的平台。 通过人才队伍的培养为国 家光伏领域的研究和产业输送本领域的硕士和博士。具体形式和指标如下。 1 获得 10 种以上纳米光伏薄膜材料样品 其中包括： 10 种以上纳米量子点材料，部分材料稳定量子效率达到 50； 3 种以上介孔材料。 2 提高光伏效率的器件和方法 具有自主知识产权，基于纳米结构对光电转换特性调控的方法； 具有自主知识产权，基于纳米结构对光传输和频谱特性调控的
32、方法； 10 种结构新颖的光伏器件，5 种转换效率在 10以上，2 种在 20-25以上。 3 论文和专利 在国内外杂志发表 SCI 和 EI 研究论文 50 篇以上。 申请专利 40 项以上，成果鉴定 5 项以上。 4) 人才队伍建设 形成由 30 位教授、研究员和副教授、副研究员构成的光伏领域光电子研究 人才队伍，并培养约 50 余名优秀青年科研人才（博士、硕士研究生） 。 5) 研究平台建设 通过本重大专项的支持和对现有分散的实验条件的整合， 形成跨研究所和大 学的研究网络平台，完善上海太阳能研究与发展中心的建设。平台将成为我国光 伏研究的中心，为我国对洁净能源的需求解决核心科学技术问题
33、。三、研究方案学术思路： 再利用 学术思路 利用纳米材料和结构的优良光子俘获性能俘获光子能量，异质结电场突变的整流效应或 pn 结的内建电场将电子和空穴分开而形成光伏效 应。 攻关目标： 取得具有自主知识产权降 攻关目标 通过对五个关键科学问题的深入研究， 低光伏器件成本和提高光电转换效率的方法， 取得一系列具实用价值和前景的纳 米光伏太阳能转换技术，为太阳电池的应用提供技术积累。 创新点： 创新点：主要体现在关键科学问题的提炼、学术思路、技术途径和子课题间 合作模式四个方面。 1 学术思路方面我们的学术思路是将纳米结构同异质结或薄膜 pn 结组合 起来，利用各自的优势实现高效率的光伏转换。纳
34、米材料和结构具有非常强的光 子俘获能力，因此量子点常被称为“光子天线” 。但俘获光子产生电子空穴对还不 够，还需要将电子和空穴在空间上分开才能实现光伏效应。传统的太阳电池是借 助 pn 结内建电场实现这一过程的，但这对纳米结构来说有一定难度。我们将通 过纳米复合结构材料体系和器件结构的创新设计构筑界面电势和内建电势场。 同 时，充分利用纳米材料的带隙可变特性进行全光谱光电转换，以及利用纳米材料 对杂散光的高俘获性能实现阴天条件下光伏转换。 2 技术途径方面实现上述学术思路需要考虑具体材料和方法。 根据我们前 期工作的积累和经验，我们选择半导体量子点作为光子俘获材料，利用薄膜硅 pn 结的内建电
35、场，纳米硅/多晶硅界面势垒，CdSe/ TiO2、CdSe/ZnO 等异质结势 垒突变驱动电子和孔穴的扩散。具体的材料涉及到纳米 Si、CdSe、CdTe 量子点， TiO2、ZnO 等导电透明材料以及廉价的多晶硅等作为电子和空穴的通道。这在实 现纳米结构光伏器件的技术途径上是创新。 3 关键科学问题的提炼为实现上述学术思路和技术途径， 本项目组成员经 过反复讨论和争论， 在前期工作的基础上提出了实现纳米结构光伏器件应用必须 解决的 5 个关键科学技术问题，并提出了相应的解决思路。这 5 个关键科学技术 问题也是制约纳米结构材料应用于光伏转换的主要障碍。 通过本项目的实施将能 形成克服这些障碍
36、的解决方案。 实用光伏器件目前依然是体硅材料和少量薄膜材 料的天下。纳米材料用于光伏器件无疑有许多新的问题，利用纳米材料和技术获 得高效光伏转换首先必须解决这些问题。 4 各子课题合作模式经多次讨论和争论提出了实施本课题时子课题间的 合作模式：围绕同一个总目标，采取同一个学术思路，不同的技术途径寻找提高 光电转换效率的方法和手段。围绕各子课题的特色，本课题所涉及的三类材料：纳米材料，电子/空穴传输材料、异质结和 pn 结薄膜都将在子课题之间共享。 针对各课题组的研究目标和内容设立研究方案， 将采用以下技术路线和可行 性方案开展研究： 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
37、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 主要思路是：利用量子点薄膜的优越“光子天线”性能俘获光子，再利用异质 结的势垒突变和 pn 结的内建电场将电子和空穴分开而行成光伏效应。第一部分 工作旨在为实现这一思路设计和制备纳米材料和结构，是本项目的基础。1 纳米硅薄膜材料的生长 等离子体增强化学气相沉积(PECVD)是一种廉价、高效的薄膜生长方法，现 广泛用于制备非晶硅薄膜。通过一定的生长条件控制，如溅射功率、生长温度、氢稀释比、反应气压、沉积时间，以及后退火等，可以调控生长过程中氢原子与 硅原子的相互作用，从而控制等离子体密度及成膜细微过程，生长均匀有序纳米 硅薄膜材料，使室温电
38、子迁移率超过 100 cm2/Vs。这部分的工作主要面向提高纳 米晶薄膜的性能，包括低成本，大面积、快速生长（生长速率2nm/s）的纳米 薄膜的厚度和晶粒大小的控制，缺陷和漏电流的抑制。这些均可以通过提高等离 子体激发频率改变电子能量分布，加快气体源分解，改善有效掺杂来实现。 生长大面积纳米硅薄膜材料的衬底大都采用导电玻璃，根据本课题的需要还 将在多晶硅衬底上制备可控的纳米硅薄膜。导电玻璃的表面是比较稳定的，但多 晶硅的表面有一层 SiO2 薄膜， 这里需要特别关注的是纳米硅薄膜同多晶硅衬底之 间的界面。前期研究已完成了廉价多晶硅的生长，可利用这一技术将纳米硅生长 在多晶硅材料上形成突变结。
39、2 量子点 介孔材料复合结构薄膜的设计和制备 量子点/介孔材料复合结构薄膜的设计和制备 将采用化学溶液法， 以很低的成本制备各种类型的量子点。 化学溶液法制备 CdSe 量子点有着和分子束外延法制备的量子点相同的光学和电学性能，而其方 法本身具有物理高真空方法无法替代的优点：设备简单、成本低廉。表面包覆钝 化层可以提高量子点的荧光效率和抗光褪色能力。 常用的包覆材料有有机络合剂 和宽禁带（相对于 CdSe 体材料）无机材料。相比较而言，无机材料包覆的量子 点具有更高的稳定性，也使植入固态结构中工作的量子点具有更好的适应性。 ZnS 的禁带宽度为 3.4eV， CdSe 为 1.76 eV， 而
40、 它们之间的晶格失配约为 10.6%。 ZnS 是研究得最多的无机包覆层材料。ZnS 包覆的 CdSe 量子点（CdSe/ZnS 核壳量子点）显示出增强了的带边荧光和室温下高达 50%的量子荧光效率。在非 水溶剂中，量子点 ZnS 包覆层的制备一直采用有机锌、有机硫化合物为前驱体， 在 CdSe 核生成反应完成后，加入前驱体进行热解，控制反应条件，实现 ZnS 在 CdSe 核上生长。在用溶剂热方法制备 ZnS 材料时，控制反应条件可以实现材料在衬底表面生长。用这种方法制备 CdSe/ZnS 核-壳量子点的 ZnS 包覆层反应条 件温和，成本也低。 采用“化学剪裁”方法，将模板合成法、sol-
41、gel 过程和电化学方法相结合制备 高活性、孔径分布均一的 TiO2、ZnO 介孔粉体和介孔膜。考虑到量子点结构薄 膜的导电性要求，将选择 ZnO 和 TiO2 两种介孔材料来组装 CdSe、CdS 和 CdTe 量子点。针对 Zn2+具酸、碱敏感性的特点，采用中性或弱酸、碱性条件，采用 非离子型表面活性剂或共聚物 gel 为模板剂合成 ZnO 介孔粉体和介孔膜。通过 改变表面活性剂的种类、浓度或共聚反应时 HEMA/EGDMA 的配比来控制 ZnO 介孔材料的孔径大小。研究 Zn 前驱体与所选的添加剂、螯合剂、溶剂、PH 值 及模板剂（含量、组成和剂量）间的关联，制备介孔尺度分布均一、排列整
42、齐的 ZnO 介孔基底，用于定位量子点。此工作拟分两步进行。首先将金属醇盐热解 法无机半导体量子点生长工艺和溶热法相结合，在 ZnO 介孔孔道中原位合成、 组装半导体量子点。采用真空技术、超声化学、Schlenck 技术等将已制备的尺寸 可控的半导体量子点直接组装到已修饰的 ZnO 介孔孔道中。 此外，将利用阳极氧化、电泳沉积、电沉积等方法制备纳米管（线）/半导 体量子点复合材料，通过掺杂提高材料对可见光的响应。复合纳米结构中导电的 纳米线作为半导体纳米 TiO2 复合薄膜光阳极的“内部纳米导线”有可能降低电极 的内部电阻，实现光生电荷的快速传输与分离。预期该类半导体与导电的纳米管 （线）复合
43、材料会具有新的光电转换特性。 3 面向宽光谱光电转换的多带隙光伏材料 现有的太阳电池只局限对一定波长范围的光进行光电转换，光谱利用率不 高，影响了转换效率。用不同尺寸纳米晶（不同带隙）可以进行广谱吸收，进而 提高太阳光谱的利用率。将研究纳米硒化锌、纳米砷化镓、纳米镓铟砷等材料， 通过不同尺寸分布的纳米晶化合物半导体光谱响应的拓展， 用多带隙纳米晶半导 体薄膜（包括尺寸大小混合分布和分层分布的纳米晶薄膜）进行全光谱光吸收材 料，以提高光电转换效率。此外，对纳米材料进行掺杂形成带隙中的中间带，将 能使纳米材料的吸收波长向长波拓展，比如掺入非磁元素或磁性金属元素的 GaAs、GaP、ZnTe、CdS
44、e、CdTe、TiO2、ZnO 薄膜。 4 无机半导体纳米棒阵列复合太阳能电池薄膜材料 无机半导体纳米棒阵列复合太阳能电池薄膜材料 将在 Si 等衬底上制备微观上有序排列的纳米无机传输材料。 Si 同有序排列的纳米无机传输材料形成的异质结可以使电子和孔穴对发生 分离。有序排列的纳米无机传输材料同时可为载流子提供连续的传输途径，便于 载流子发生定向传输。 目前激活层的微观结构在一些关键问题上仍没有取得重大 的突破，如激活层的微观结构在载流子的迁移范围内不是均一的复合体，电子的给体和受体发生了不连续的相分离，呈无序不规则的状态,载流子在定域状态形 式的分子间不能发生有效长距离的跳跃迁移而到达电极，
45、形成光电流。 目前对纳米无机纳米晶CdSe 、CdS 、CdTe 等复合体系的研究较多。纳米 半导体氧化物如 TiO2 、 ZnO、 SnO2 等则是另一类重要的电子受体材料。 2 和 TiO ZnO 都是宽禁带半导体，在可见光范围内没有吸收，并具有电子传输性好、合 成工艺简单、成本低、毒性低、稳定性好、使用寿命长等优点，在光电池领域中 具有很高的应用价值。 特别是纳米氧化锌具有高的电子亲和势能和高的电子迁移 率，是一种电子受体材料。聚合物与纳米 ZnO、SnO2 等金属氧化物半导体复合 材料的研究相对较少。 第二部分： 第二部分：基于纳米薄膜材料的光伏太阳电池的制备和研究 1、纳米薄膜材料太
46、阳电池 、纳米薄膜材料太阳电池 我们的研究将集中在设计、构筑几种基于纳米薄膜材料的太阳电池。 1) 纳米硅薄膜太阳电池：nc-Si/导电玻璃体系、nc-Si/Si(多晶)体系； 2) 纳米多层膜太阳电池：nc-Si/多种其它薄膜材料/导电玻璃体系；3) II-VI 族半导体量子点/介孔氧化物半导体体系：CdSe 量子点/介孔 TiO2、 CdTe 量子点/介孔 TiO2、 CdSe 量子点/介孔 ZnO、 CdTe 量子点/介孔 ZnO 等。 4) 基于多带隙材料的太阳电池：掺入非磁元素或磁性金属元素的 GaAs、 GaP、ZnTe、CdSe、CdTe、TiO2、ZnO 薄膜电池。 5) 硅基
47、半导体纳米棒阵列复合太阳电池，特别是纳米半导体氧化物如 TiO2 、ZnO、SnO2。 纳米结构俘获光子产生电子空穴对之后必须使电子和空穴向相反方向扩散才 能出现光伏现象。 这在传统的太阳电池中是通过 pn 结的内建电场来实现的。 我们 设计了几种器件构型，目的在于利用纳米光伏电池中异质结的势垒突变和掺杂分 布实现电子空穴反方向扩散。比如 CdSe/ TiO2 界面，CdTe/ZnO 界面，ncSi/Si 界面。通过改变磷烷（硼烷）/硅烷百分比也可以获得一系列掺杂浓度不同和有序 程度较高的 n 型（p 型）硅量子点结构。另外，同样的材料有序度不同也能诱发 电场分布。改变氢稀释比和射频功率可获得
48、一系列晶粒尺寸、有序和晶格应变程 度都不同的有序纳米硅结构。 2、纳米薄膜太阳电池的表征 、 纳米薄膜太阳电池的结构比体硅太阳电池复杂， 涉及到薄膜的厚度、 结晶度、 缺陷密度、层间电和光的传播和耦合性能等研究。另外纳米薄膜太阳电池器件性 能的表征和评价技术并不完备。 在本项目执行过程中需要用一系列的实验手段对纳米材料和光伏器件结构的各种参数进行测量和分析， 以获得器件最佳性能状态 所对应的参数和条件。 特别应指出的是光伏器件转换效率的精确测量和分析是非 常重要的。将用高精度台阶仪和干涉光谱等手段精确测量纳米薄膜的厚度，用 XRD 和小角 X 射线衍射测量和分析纳米颗粒的结晶度和纳米薄膜的有序
49、性，用 原子力显微镜和扫描隧道显微镜等分析纳米薄膜的微结构和分布，用拉曼光谱、 荧光光谱、吸收反射光谱测量和分析纳米材料的成分、电子态，通过输运测量电 子、空穴的迁移率，用时间分辨光谱测量载流子的寿命，用 SEM 分析纳米膜的 结构信息等。此外，鉴于太阳电池的器件性能，特别是光伏转换效率的测量和研 究非常重要，将用商用仪器进行测量，同时考虑研制设备的方案。 第三部分：面向提高纳米薄膜太阳电池效率的研究 第三部分：面向提高纳米薄膜太阳电池效率的研究 提高光伏电池的转换效率等于降低成本。 这部分的工作主要探讨利用纳米材 料和结构对器件中电子运动和光转播的调控来提高太阳电池的效率。 1、充分利用太阳光谱的多带隙光电转换材料和结构 、 拟采用两种技术路线实现对太阳能宽光谱的利用。首先，利用纳米材料的尺 寸效应构筑不同特征吸收波长的纳米薄膜复合材料， 并采用叠层的方法达到全光 谱吸收和光电转换的目的。这些纳米量子点包括 CdTe、CdSe、PbSe、Si 等。其 次，可以通过掺入非磁元素或磁性金属元素的方法在 GaP、ZnTe、CdSe、CdTe、 TiO2、ZnO 等材料的禁带中间形成能带，使这些纳米薄膜能够吸收比原来禁带宽 度小的光子。 充分利用太阳光谱的新方法涉及纳米硅、 纳米晶化合物半导体以及掺杂中间
