【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.doc

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
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
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。,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