【基金标书】2010CB933700-基于纳米材料的太阳能光伏转换应用基础研究

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 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 纳米材料和结构中内建电势分布的建立 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 纳米材料或结构中可控地建立类似于 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 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 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 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 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 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 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。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 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）采用窄禁带纳米半导体材料； 3）利用第 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 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 前厚度约 180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。 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 3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 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 包覆， 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， 在可见光范围是透明的。将量子点组装在 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 导体胶体量子点和 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 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 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 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 光电转化作用层的有效面积，明显减少光生载流子的复合几率。 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 电玻璃和 2) 基于 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 介孔 介孔 介孔介孔 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 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：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 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 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 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 I 导体，以及在 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 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 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 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 500 900谱范围内反射率为 4 6。在（ 100）面单晶硅化学制作绒面的反射率为 11，而不加处理的 光亮 5。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 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 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： 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。 五 年预期目标： 将重点研究面向太阳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要学术刊物系统发表高水平研究论文并产生重要影响。 本 项目 预期取得的进展、突破及其科学价值： 以降低太阳电池价格和提高光电转换效率为主线，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上 。 3 论文和专利 在国内外杂志发表 0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。 三、研究方案 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，再利用异质结电场突变的整流效应或 穴分开而形成光伏效应。 攻关目标 ：通过对五个关键科学问题的深入研究，取得具有自主知识产权降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： 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 用各自的优势实现高效率的光伏转换。纳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 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，利用薄膜硅米硅 /多晶硅界面势垒， 体的材料涉及到纳米 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 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 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 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 (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，使室温电子迁移率超过 100 s。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 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。 2 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 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。 们之间的晶格失配约为 研究得最多的无机包覆层材料。 覆的 子点（ 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 覆层的制备一直采用有机锌、有机硫化合物为前驱体，在 入前驱体进行热解，控制反应条件，实现 用溶剂热方法制备 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 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、 径分布均一的 考虑到量子点结构薄膜的导电性要求，将选择 对 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 过改变表面活性剂的种类、浓度或共聚反应时 究 合剂、溶剂、 量、组成和剂量）间的关联，制备介孔尺度分布均一、排列整齐的于定位量子点。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 装半导体量子点。采用真空技术、超声化学、 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 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 4 无机半导体纳米棒阵列复合太阳能 电池薄膜材料 将在 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，形成光电流。 目前对纳米无机纳米晶 米半导体氧化物如 则是另一类重要的电子受体材料。 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 金属氧化物半导体复合材料的研究相对较少。 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： 电玻璃体系、 i(多晶 )体系； 2) 纳米多层膜太阳电池： 种其它薄膜材料 /导电玻璃体系； 3) 介孔氧化物半导体体系： 介孔 介孔 介孔 介孔 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 5) 硅基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 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 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 面， 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 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 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 次，可以通过掺入非磁元素或磁性金属元素的方法在 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带半导体量子点薄膜材料的制备，全光谱光吸收多带隙材料的设计和光电转换特性研究，以及纳米硅、纳米晶化合物薄莫中的光电转换机理等关键技术。 2、 纳米材料和结构中的多光子吸收和多激子激发过程 初步研究表明，半导体量子点可以有大于 100的光电转换量子效率。即在满足能量守恒的条件下一个高能光子可以产生 2个或 2个以上电子空穴对。比如当半导体的禁带宽度为 1，一个 3光子可以激发 3 个电子空穴对，而这些电子空穴对复合可以产生多个光子。在体材料中，由于光电子激发过程需同时满足能量和动量守恒条件，一个光子激发多个电子空穴对的几率很小。在零维的量子点中，动量已不再是好量子数，因而不存在动量守恒条件的限制。根据这一物理机理可以实现将一个高能光子转变成多个低能光子，或多个电子空穴对。另外，由于晶体的平移对称性被破坏，半导体量子点中较容易发生双光子吸收，甚至多光子吸收现象。这使能量小于禁带宽度的光子也能被材料吸收产生光生载流子。把高能光子的多余能量以及低能光子都利用起来，光伏的 效率就能够得到提高。 在本研究计划将制备的纳米硅和 ，单光子激发多激子的效应都很强。在红外波段的 对双光子和多光子吸收现象的研究也取得了进展，预期这些纳米材料由于平移对称性的破坏，将使双光子和多光子吸收变得容易，从而在用于光伏电池后低能量的红外光子可充分利用起来。 3、 纳米材料和结构对光传播特性的调控 通过巧妙的设计，采用类似于 “光子晶体 ”的方法对红外和可见光传播进行调控，以实现对光反射和辐射特 征的有效控制。 这部分的研究涉及到解决复杂多层光学薄膜与光场相互作用的关键科学问题和材料制备、结构设计中的关键技术问题。 因表面和界面的反射、散射和透射，太阳光在光伏器件中的能量损失约占到入射光能量的 20左右，非常可观。如不采取措施，这种损失对新型的纳米结构光伏器件将更为严重。通过合理的设计，不同介电常数的多层结构可以形成对光的限制作用，从而经多次反射，光束限域等过程增强光电耦合。 为了增加入射光在光伏器件中的滞留时间，增强光电耦合效率， 将采取的技术路线是针对纳米材料设计有规则的结构，用类 “光子晶体 ”的原理实 现对光束在器件中传播过程的调控。首先将在理论上建模型， 通过结构和材料的设计使光在器件内多次反射。根据一些红外探测器的设计经验，通过光学微腔或光子晶体调控光在光伏器件内的传播可以明显提高光电耦合效率。 减少 光伏器件表面的光反射能能有效利用太阳光。目前许多产业化的多晶硅太阳电池 具有增强表面光透射（抑制光反射）的措施。对新型纳米光伏器件而言，量子点薄膜往往处于电极的上方，量子点薄膜表面的光反射将使器件对光能的有效利用率下降，因此要设计好量子点薄膜表面的几何构造来抑制光反射。 4、 纳米材料和结构对光谱频率的裁剪 通过掺有量子点的纳米薄膜和相应的结构可以将太阳的辐射光谱转变成同硅材料的吸收较为吻合的谱线。事实上，掺有量子点的多层纳米材料和结构正被用来制备各种各样功能丰富多彩的高性能光电子元器件。量子点有着很高的光荧光效率，可利用量子点对光的吸收和荧光过程改变入射光的频率。 用量子点纳米薄膜可以实施这种光谱变换。 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。配合实验研究，为优化器件性能提供指 导。目前市场上有商用的硅太阳电池器件模拟程序。但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。在本研究计划执行过程中将开发出针对我们所研究的纳米薄膜太阳电池的器件模拟程序。我们将针对特定的器件材料和结构，将以下因素概括在建模中： 1) 纳米材料中的内建电势的分布，及其对载流子光吸收的影响 ; 2) 光俘获和光生载流子的电子传输机制和整流过程 ; 3) 光同电子态的耦合强度的调控手段探索 ; 4) 光在纳米光伏器件中的传输，包括在界面上的反射、吸收、散射、透射过程； 5) 纳米材 料的无序（纳米结构分布无序、杂质无序等）对载流子输运的影响； 6) 光伏器件工作过程中特征参数的提取和器件性能评价因素的设定。 采用多带有效质量理论和经验赝势方法，结合从头计算方法研究纳米结构的能带，并考虑带隙、掺杂，应力、组分、载流子密度、阱宽和外场的影响，采用量子 程研究半导体量子结构中的载流子输运，及其各种因素对输运过程的影响。光学性质的研究将考虑各种因素和它们之间的依赖关系，着重研究外场，应变、微腔、界面对光学性质的影响。通过对器件工作过程的分析和上述因素的归纳建立模型。同时采用转 移矩阵、差分（ 法数值求解麦克斯韦方程，研究光场在纳米器件中的分布及其对光吸收的影响。 纳米材料光伏器件的成本不高，但结构比较复杂。局部的优化对整体的影响需要有客观的评价，有时局部和整体可能产生矛盾。从整体器件结构来考虑是为了实现最终器件性能的优化。 理论建模配合实验研究将揭示光和光电子在光伏器件中的动力学行为和新奇量子现象（如多光子过程等），包括光同纳米体系的耦合，光电转换过程和光伏效应的产生等。 面向关键科学问题的解决和研究目标的实现，本重大研究计划分四个课题： 课题 1 基于纳米材料和结构的光 电转换过程和太阳能光伏应用 研究目标： 用纳米材料构筑复合结构薄膜，通过对复合结构中异质结势垒和内建电场的设计，实现对太阳光全光谱的光电转换。采用有大规模推广前景的材料和结构制备方法，围绕降低价格和提高效率两个主题。利用纳米结构的优良光子俘获性能和所选薄膜材料的优良电子、空穴传输性能，以及复合结构薄膜中的异质结势垒或 主要研究内容： 主要研究两类器件结构：一是基于 是基于纳米 硅薄膜和物理法生长多晶硅材料的光伏电池。围绕提高光电转换效率和不断降低器件成本，对这两类光伏器件进行系统研究。 主要承担单位：中科院上海技术物理所 课题负责人：戴宁 经费比例： 34 课题 2 纳米硅结构在高效太阳能电池上的应用 研究目标： 本课题利用有序纳米硅薄膜的高室温电子迁移率，能带结构可调，低温生长和无 应等优点，提出进行基于叠层多结的高性能、低成本和高稳定性纳米硅薄膜太阳电池材料物理与器件应用基础研究。通过优化结构设计和性能匹配，提高太阳电池的稳定光电转换效率到 15%左右。探索低温快速沉积大面积薄膜的新工艺、新技术，探索高效纳米硅薄膜太阳电池物理机理及可行方案，为低成本、高稳定效率的硅薄膜太阳电池的规模化生产和应用提供强有力的技术支撑和保障，为新概念硅薄膜太阳电池的未来应用作贮备。 主要研主要研究内容： 1纳米硅薄膜材料的生长、结构表征及生长参数优化。利用改进的等离子体增强化学气相沉积 (法，通过生长条件（如溅射功率、生长温度、氢稀释比、反应气压和沉积时间等）来调控生长过程中氢原子与硅原子的相互作用，生长均匀有序纳米硅薄膜材料，实现适当的晶界势垒结构以控 制载流子运动。用高分辨率透射电镜、扫描电子显微镜、 X 射线衍射、拉曼散射和红外透射光谱等手段表征不同条件下生长的纳米硅体系的微观结构（如晶粒尺寸、晶态比、晶格应变和有序程度等）以及生长条件的影响。 2以太阳电池应用为导向的纳米硅薄膜光电特性研究。利用现代光谱手段，如光致发光光谱、吸收 /反射光谱、光调制光谱和光电导 /光电流光谱等，详细研究纳米硅薄膜中光电激发动力学过程，掌握光激发下光生载流子的激发规律和光电子跃迁机制，以及与纳米尺度能带结构和杂质缺陷等的相互关系；利用变温和变磁场霍耳效应测量以及相应的迁移率谱 分析技术来提取纳米硅结构中的电学输运参数（载流子浓度和迁移率），研究晶粒尺寸和晶格结构变化对有序纳米硅结构中光生载流子激发和迁移率的影响；运用半导体能带理论和纳米硅体系中的扩散输运、弹道输运理论定量给出迁移率和电导率等的大小，研究载流子有效质量和声子散射对迁移率的影响，分析体系中载流子产生、输运与复合机制等信息。 3渐变带隙纳米硅薄膜太阳电池的研制及性能测试分析。根据薄膜太阳电池的工作原理，设计 构的薄膜太阳电池，其中 i 层禁带宽度通过生长条件调节硅晶粒大小可以连续变化，结合太阳光谱分布特性和材料 的纳米尺度效应，使 层的光学参数