2022年纳米材料太阳能光伏转换应用基础研究报告.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用本文由 liyongfeng_201 奉献 doc 文档可能在 WAP端浏览体验不佳；建议您优先挑选 TXT,或下载源文件到本机查看；工程名称：基于纳 M 材料的太阳能光伏转换应用基 础争论 首席科学家：戴宁 中国科学院上海技术物理争论所 起止年限： 2022 年 1 月 -2022 年 10 月 依靠部门：上海市科委一、争论内容名师归纳总结 本工程将争论用于提高光电转换效率的纳M材料和结构的设计和制备,纳 M 材料和结第 1 页,共 13 页构对光电转换特性、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

2、的理论建模；工程拟解决 5 个关键的科学问题, 以以下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；在本工程实施过程中,我们将紧紧环绕这些科学问题开展争论,通过纳 M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M材料和结构中内建电势分布的建立之一在纳 M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 M 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旧是受限的,难以形成光电流；产生光伏效应必需有内建电势分布,即具有类似于 pn 结

3、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 M 材料或结构中可控地建立类似于 pn 结的内建电场分布是个难题,也是本工程第一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纳两种纳M 材料键合或借助于材料的异质结形成界面势；在纳 M材料和结构中形成电势场分布涉及到新机理和新方法的争论；通过纳 M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；必需争论量子点的电子态同四周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很多因素,包括一些目前尚不清晰的机理；关键科学问题之二

4、纳M 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M 材料和结构中光生载流子的迁移路径与寿命之二 一般而言纳M薄膜材料的电子和空穴传输才能不如半导体材料,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M颗粒的比表面大,因此纳M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M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,必需找到相关的纳M 颗粒表面改性方法,在纳 M颗粒之间构筑电子通道,使电子在纳 M 材料中能够快速迁移；关键科

5、学问题之三纳M 材料对太阳光全光谱的光电转换关键科学问题之三纳M材料对太阳光全光谱的光电转换之三 很简洁通过颗粒大小的变化来转变纳 M材料对光的吸取波长,所以全光谱吸收对纳 M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取波长不同的多层纳M薄膜构成；不同吸取波长的纳M薄膜如何实现叠层,以及多层纳M 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M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肯定难度；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

6、穴对的机理目前的太阳电池尚无法利用吸取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- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用能带结构；本工程 的一个争论重点是利用纳 M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

7、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,全部低于这一能量的红外光子都无法被吸取而用于光电转换；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 双光子和多光子吸取）, 或在纳 M 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特别有益的；这五个关键科学问题中,第一和其次个关键科学问题打算了纳 M 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

8、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 M 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 M 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 M 多层膜的构筑 解决方案： 1 ）制备叠层式纳 M 多层膜结构； 2 ）通过工艺掌握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：

9、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 解决方法： 1 ）多个红外光子产生 1 个电子空穴对； 2 ）采纳窄禁带纳 M半导体材料； 3 ）利用第 II 类能带排列纳 M结构；依据上述分析,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,本课题的具体争论内容集中在进展各种方 法和手段,通过构建一些特殊的人工纳 M 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 M 材料和结构的设计和制备； 2 ）基于纳 M薄膜材料的光伏太阳电池制备和争论；3）面对提高纳

10、M薄膜太阳电 池效率的争论； 4）纳 M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,是其次部分太阳电池制备和争论的基础；第 三、第四部分致力于通过对纳 M薄膜材料和器件结构的试验和理论争论提高太阳 电池转换效率；第一部分：具有高光电转换性能的纳 M 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 M 材料和结构的设计和制备 光伏纳 M 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 M结构 的制备方法；这部分工作将为整个重大争论方案的实施供应材料和样品； 1 纳 M硅薄膜材料的生长 硅基太阳电池在光伏领域是不行或缺的；有序高电子迁移率纳 M硅

11、薄膜材料生长、能带结构调控以及光电输运特性方面的探究现在依旧是争论热点,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；通过生长条件调剂晶粒大小 或掺杂浓度,借助于纳 M 尺度效应和晶格应变技术可以调控纳 M 硅薄膜材料的光 学带隙和电导率,以满意高效抱负太阳能电池的需要；再加上我们所采纳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,特别适合于大规模低成本工业化生产；纳 M 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；第一纳M 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

12、650 度以上,单晶硅材料的生长需要 1000-1500 度的高温,而纳M 硅薄膜可以在不超过 300 度的温度下生长,能耗特别低,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 M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,而且名师归纳总结 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 ,目前厚度约第 2 页,共 13 页180-350 微 M）比较,用纳M硅薄膜 基于 nc-Si/ 导电玻璃和 nc-Si/Si 结构的纳 M 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 M 多层膜

13、硅基太阳电池； 3 基于 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 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 M棒阵列复合太阳电池； 2 纳 M薄膜太阳电池的表征纳 M 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争论；另外纳 M 薄膜太阳电池器 件性能的表征和评判技

14、术并不完备；在本重大争论方案的执行过程中需要用一系 列的试验手段对纳 M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：面对提高纳 M薄膜太阳电池效率的争论 这部分的争论面对提高太阳电池的光伏转换效率；依据不断探究,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 光谱中高能光子的余外能量和低能红外光子,增强光同纳 M体系的耦合,以及使 太阳光谱同纳 M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

15、可能提高太阳光的利用率,这是光伏科学技 术进展几十年来始终令人特殊关注的问题；半导体同质结单层电池的理论效率上 限为31,其主要缘由是没有任何一种材料能够吸取波长从红外到紫外,对应 的能量范畴为0.4 4.0eV 的全部太阳光谱；能量低于带隙的光由于不能被半导体吸取而无法转换成电能,能量高于带隙的光虽然被吸取,但超过带隙的那部分 能量将以热的形式铺张掉；多年来经过争论者的不断努力,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% ； 依据热力学其次定律,太阳光的转换效率最高限制为 92 ,采纳多层结构和多带隙太阳电池效率试验 上已达到 40 以上；我们将争论在 G

16、aN、GaAs、GaP 等III-V 族和 ZnTe 、ZnSe、 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 M材料和结构中的多光子吸取和多激子激发过程充分利用太阳光谱中高纳 M 材料和结构中的多光子吸取和多激子激发过程能光子的余外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就因不能产生 电子空穴对而被铺张；由于量子点中光吸取产生电子空穴对的过程中不需要满意 动量守恒原理,利用掺有半导体量子点

17、纳 M 薄膜的多光子吸取和多激子激发效 应,有望使原先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；我们将争论 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 M材料和结构对光传播特性的调控增强光同纳 M体系的耦合 纳 M材料和结构对光传播特性的调控我们将用纳 M技术构筑类光子晶体结构,通过转变光的传播途径和使光在薄 膜中多次反射增加吸取,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,造成光能量缺失；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

18、倒金字塔结构,在 500 900nm 光谱范畴内反射率为 4 6；在 人才队伍建设形成由 30 位教授、争论员和副教授、副争论员构成的光伏领域光电子争论 人才队伍,并培育约 50 余名优秀青年科研人才 争论平台建设 通过本重大专项的支持和对现有分散的试验条件的整合,形成跨争论所和大学的争论网络平台,完善上海太阳能争论与进展中心的建设；平台将成为我国光 伏争论的中心,为我国对干净能源的需求解决核心科学技术问题；三、争论方案学术思路：再利用 学术思路 利用纳 M 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

19、得具有自主学问产权降 攻关目标 通过对五个关键科学问题的深化争论,低光伏器件成本和提高光电转换效率的方法,取得一系列具有用价值和前景的纳 M 光伏太阳能转换技术,为太阳电池的应用供应技术积存；创新点：创新点：主要表达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 M 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 M 材料和结构具有特别强的光 子俘获才能,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仍不 够,仍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

20、结内建电场实现这一过程的,但这对纳 M 结构来说有肯定难度；我们将通 过纳 M 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 M材料的带隙可变特性进行全光谱光电转换,以及利用纳 M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；依据我们前 期工作的积存和体会,我们挑选半导体量子点作为光子俘获材料,利用薄膜硅 pn 结的内建电场,纳 M 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 M Si 、CdSe、CdTe 量子点,

21、TiO2 、 ZnO 等导电透亮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 M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,本工程组成员经过反复争论和争辩,在前期工作的基础上提出了实现纳 M结构光伏器件应用必需解决的 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 M结构材料应用于光伏转换的主要障碍；通过本工程的实施将能 形成克服这些障碍的解决方案；有用光伏器件目前依旧是体硅材料和少量薄膜材料的天下；纳 M 材料用于光伏器件无疑有很多新的问题,利用纳 M 材料和技术获 得高效光伏转换第一必需解决这些问题

22、； 4 各子课题合作模式经多次争论和争辩提出了实施本课名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用题时子课题间的 合作模式：环绕同一个总目标,实行同一个学术思路,不同的技术途径寻找提高 光电转换效率的方法和手段；环绕各子课题的特色,本课题所涉及的三类材料：纳 M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；针对各课题组的争论目标和内容设立争论方案,将采纳以下技术路线和可行 性方案开展争论：第一部分：具有高光电转换性能的纳 M 材料和结构的设计和制备 第一部分：具有高光电转

23、换性能的纳 M 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 M 材料和结构,是本工程的基础； 1 纳 M 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；通过肯定的生长条件掌握,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,从而掌握等离子体密度及成膜微小过程,生长匀称有序纳 M 硅薄膜材料,使室温电子迁

24、移率超过 100 cm2/Vs ；这部分的工作主要面对提高纳 M 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 M 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 子体激发频率转变电子能量分布,加快气体源分解,改善有效掺杂来实现；生长大面积纳 M 硅薄膜材料的衬底大都采纳导电玻璃,依据本课题的需要仍 将在多晶硅衬底上制备可控的纳 M 硅薄膜；导电玻璃的表面是比较稳固的,但多 晶硅的表面有一层 SiO2 薄膜,这里需要特殊关注的是纳 M硅薄膜同多晶硅衬底之 间的界面；前期争论已完成了廉价多晶硅的生长,可利用这一技术将纳 M 硅生长在多晶硅材料上形成

25、突变结； 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 将采纳化学溶液法,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：设备简洁、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才能；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 e

26、V, 而 它们之间的晶格失配约为 10.6% ； ZnS 是争论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 包覆层的制备始终采纳有机锌、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,掌握反应条件,实现 ZnS 在 CdSe 核上生长；在用溶剂热方法制备 现材料 ZnS 材料时,掌握反应条件可以实在衬底表面生长；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；采纳“ 化学剪裁” 方法,将模板

27、合成法、sol-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,将挑选 ZnO 和 TiO2 两种介孔材料来组装 CdSe、CdS 和 CdTe 量子点；针对 Zn2+ 具酸、碱敏锐性的特点,采纳中性或弱酸、碱性条件,采纳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 转变表面活性剂的种类、浓度或共聚反应时 HEMA/EGDMA 的配比来掌握 ZnO 介孔材料的孔径大小；争论 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,制备介孔尺度名师归纳总结 分布均一、排列整齐的 ZnO 介孔基底,用于定位量子点；此工作拟分两步进行；第一将金第 7 页,共 13 页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；采纳真空技术、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- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用沉积等方法制备纳 M 管 线） / 半导 体量子点复合材