新型高效量子点中间能带太阳能电池材料及器件研究

Development of high efficiency solar cells is extremely important to optimize the existing energy structure and to solve the current energy crisis we are facing. As a new concept device, the intermediate-band solar cells have a theoretical efficiency of as high as 63.1%, which provides a potential and feasible way for efficient utilization of solar energy. The core of the project is to carry out the research on high-performance InAs/GaAs self-assembled semiconductor quantum dots (QDs) and relevant intermediate band solar cells..Based on the design and fabrication of high quality QDs, we emphasize on studying the controllable growth and relevant mechanism of the III/V self-assembled QDs in the project, realizing the fine tuning of the properties of the QDs by clarifying the effects of size, strain, composition, interface and doping on the properties of the QDs, combined with the eight band k•p model for theoretical simulations. Meanwhile, we will investigate the design and fabrication of the intermediate-band solar cell based on the QD material system, revealing the effect mechanisms and intrinsic association of QD intermediate-band on the dynamics processes related to carrier generation, transport and collection, exploring new mechanisms for high-efficiency solar cells. The results obtained by executing the project would offer theoretical basis and key technologies for developing the new-generation high-efficiency solar cells with proprietary technology, and this would make a contribution to the development of photovoltaic technology and the protection of energy security.

面向国家解决能源问题的重大战略需求及太阳能电池领域发展所面临的关键科学问题，以发展新一代高效太阳能电池为总目标，开展新型高效量子点中间能带太阳能电池材料及器件的基础研究。此类电池理论效率高达63.1%，是高效利用太阳能的新途径和可行方案。.本项目以高效量子点中间能带太阳能电池材料的性能设计与制备研究为基础，重点开展III/V族量子点材料的能级设计、可控生长和相关机理研究，结合八带k•p模型等理论模拟，澄清尺寸、应力、组分、界面和掺杂等对量子点材料性能的影响，实现对其性能的精细调控。同时开展基于这一材料的中间能带太阳能电池设计和制备研究，揭示低维量子点材料对载流子产生、输运、收集等动力学过程的作用机理与内在关联，探索提高光电转换性能的新机制与新器件原理,为发展具有自主知识产权的新一代高效太阳能电池提供理论基础和关键技术，为我国的光伏技术发展和能源安全保障做出贡献。

本项目以发展新一代高效太阳能电池为总目标，开展新型高效量子点中间能带太阳能电池材料及器件的基础研究，以量子点材料的设计和制备为基础，结合理论与实验揭示量子点材料的高效光电转换机理，突破现有技术局限，为实现高性能光电转换材料和器件及高效利用可再生能源提供新思路和技术支撑。项目取得成果如下：1、开展了量子点材料制备技术与物理特性研究。基于分子束外延平台实现了多种类型结构的高性能量子点材料，包括高密度、发光波长大范围可调的I型InAs/InGaAs量子点材料，长载流子寿命的II型InAs/GaAsSb量子点材料，高光电性能的I型InAs/GaAs - II型GaSb/GaAs耦合结构量子点材料等，并结合先进的材料表征技术，确定了上述量子点材料的能级结构，为高效中间能带电池的结构设计与物理研究提供了基础；2、通过对源束流、生长温度、V/III比、V族压力等生长参数的优化，研制出高密度、高均匀、高质量的叠层量子点吸收区材料；3、基于8 band K•P理论和载流子漂移-扩散模型，研究了量子点中间能带太阳能电池载流子动力学，澄清了内部应力场、电子（空穴）掺杂等对器件载流子稳态分布的作用机理，揭示了量子点吸收区载流子寿命、叠层量子点能级间耦合系数、中间能带光生系数等对电池性能的影响机制，提出了中间能带对电池器件性能作用的判据；4、在器件工艺方面，开发出高质量的帽层腐蚀技术和电极合金化技术，降低了器件工艺带来的效率损耗，进一步提升了电池的转换效率；5、最终，通过“材料-构结-工艺”的协同优化，研制出转换效率高达22.48%的量子点中间能带太阳能电池原型器件，并取得第三方认证，是目前国际报道的最高值，也是目前国际上唯一一家实现该类电池效率超过20%的单位。项目成果对进一步发展高效中间能带太阳能电池具有重要指导意义。项目发表论文28篇，申请专利5项，培养5名博士毕业生，全面完成了项目研究任务和各项指标。