以纳米同轴光缆结构改善硅基薄膜光伏电池陷光效果及光致衰减的研究

硅基薄膜光伏电池以其低成本和巨大效率提升空间成为新能源科技领域中的重要组成部分，目前关键性难点在于如何充分提高陷光效果，使入射光高度束缚于很薄的半导体吸收层内，同时减小吸收层厚度以提高载流子采集率并降低Staebler-Wronski光致衰减，从而进一步降低成本和提高光电转换率。此问题在传统平面型薄膜电池中受其物理结构限制而一直无法解决。我们基于对一维碳纳米管光频天线效应的前期发现，即尺度接近于可见光波长的导电纳米材料具有与宏观天线理论相似的光电响应，提出了利用纳米光子学及纳米制备技术研究具有纳米同轴光缆特征结构的硅基薄膜电池，其优势在于可分离光吸收和载流子采集的路径，实现优越的陷光效果，同时大幅降低光致衰减效应。项目将以实验探索为重点，以理解纳米尺度下的光传输和吸收的物理过程为主线，结合理论光学模型及有限时域差分模拟，对纳米同轴光缆硅基薄膜光伏电池的制备及光电性能的物理机制进行深入研究。

本项目利用三年时间开展了以纳米同轴光缆结构改善硅基薄膜光伏电池陷光效果及光致衰减的研究，取得了显著的科研成果和学术进展。针对硅基薄膜光伏电池效率提高的关键性难点，即如何充分提高陷光效果从而使入射光高度束缚于很薄的半导体吸收层内，同时减小吸收层厚度以提高载流子采集率并降低Staebler-Wronski 光致衰减，团队开展了理论模拟研究和实验室制备。研究结果发现利用具有纳米同轴光缆特征结构可以有效提高的硅基薄膜电池的光吸收效果，但同时也给非晶硅薄膜层和透明导电电极层的高品质生长带来难度。如何在提升电池光学性能水平的同时保持电学性能水平不受破坏将是未来进一步工作的重点。截至本项目结题时，实验室小面积电池初始转换效率达到了10%以上，已具备国际一流水平，但距离12%的世界纪录仍有差距，需要进一步改善电池结构和工艺。本项目产生了SCI收录论文15篇（包括Nano Letters, Advanced Materials等影响因子10以上杂志），国家发明专利2项。