宽光谱双异质结WAV结构氧化物薄膜太阳能电池的理论模拟与器件制备

Structure design and device fabrication of novel solar cell with high conversion efficiency are one of hotspots of new energy materials and devices research. The solar cells will be simulated by one-dimensional Microelectronics and Photonic Structures computer model, which aims at regulating TiO2 band structure and conductivity, and combining CuO and Cu2O thin films, thus leading to a double heterojunction WAV structure thin film solar cell with wide spectral response and high photoelectric conversion performance. Based on the simulation, the preparation of oxide thin film and the configuration of solar cell will be operated in High Target Utilization Plasma Sputtering using metal or alloy targets as raw materials under atmosphere control and adjustment. This project will mainly focus on adjusting the spectral response from UV region to visible or near infrared light region by narrowing the band gap of TiO2, using narrow band gap of CuO as a long-wave light absorbing layer, and using Cu2O as self electric field enhancement layer to improve the open circuit voltage. On the other hand, graded band-gap oxide could lead to enhanced photoelectric performance of a wide spectral irradiance with little loss due to intra-band relaxation from high energy photons. This investigation will provide significant theoretical and experimental basis for the preparation of novel oxide thin film solar cell with wide spectral response.

具有高光电转换效率的新型太阳能电池的结构设计及器件制备是新能源材料与器件领域的研究前沿和热点之一。本项目拟在采用一维光电子结构分析模型对电池进行模拟研究的基础上，调节TiO2能带结构及导电性，并将其与CuO及Cu2O薄膜相结合，构造出具有宽光谱响应和高光电转换性能的双异质结WAV结构薄膜太阳能电池。在理论模拟的指导下，采用等离子体束溅射完成相关氧化物半导体薄膜的制备与电池的构造。本项目拟通过调节TiO2能带结构来实现其对太阳能的宽光谱响应，将其吸收带边从紫外光区调节至可见光甚至近红外光区域；同时利用窄带隙的CuO作为长波吸光层，最大限度地将光能变成电能；以Cu2O作为自建电场增强层，提高开路电压。通过对氧化物帯隙渐变结构的调节，降低高能导带电子在带内弛豫引起的能量损失，实现对太阳光宽光谱范围内的无弛豫光电转换。本项目的实施将为制备宽光谱响应的新型氧化物薄膜电池提供重要的理论和实验依据。

TiO2、CuO及Cu2O等氧化物具有丰富的储量、且具有环境稳定性和友好性，因此，基于这些氧化物的薄膜太阳能电池的研究具有重要意义。资助项目执行期间：①系统研究了新型WAV结构双结氧化物薄膜太阳能电池理论模拟，确定太阳能电池的最优结构及基本参数，并进一步拓展了电池结构的普适性。②阐明了HiTUS制备氧化物薄膜的工艺参数与光吸收性能、厚度、载流子浓度及迁移率、层界面能带偏移、缺陷态密度等物性参数的内在关联，实现高质量致密单相了CuO、Cu4O3及Cu2O薄膜的可控制备，且具有明显欧姆、肖特基特性。其科学意义在于突破原有磁控溅射工艺制备的铜氧化物的典型柱状晶结构的缺陷，制备了结构非常致密，宜于在各种光电器件上应用的新型铜氧化物薄膜材料。③对HiTUS制备氧化物薄膜关键设备进行进一步的研究，推动其示范和推广。④对能带渐变的TiO2材料体系进行了系统的研究，制备了可见光响应增强的Mn、Cu、Nb掺杂TiO2、TiO2纳米颗粒/带双层膜、Pt/TiO2/WO3等结构，并成功应用于可见光催化降解污染物、可见光分解水制氢、及染料敏化、钙钛矿和氧化物太阳能电池，取得最高12.62%的光电转换效率。结合材料微观电子结构的调控及光电转换性能的评价，揭示了氧化物半导体能带调控及导电性质与电池光电性能的内在关联。在项目执行过程中，在国际核心期刊上发表研究论文7篇，其中一篇论文SCI他引已达24次；另外2篇论文已完成撰写和投稿，目前在审稿阶段；申请专利6项，目前均已公开，进入实质审查阶段；参加国际学术会议4次，接待国内学者学术交流1次；目前在读研究生7名，参加本项目研究的1名博士研究生和2名硕士研究生将于明年6月份进行学位论文的答辩；资助项目执行期间获得国家自然科学基金青年基金项目资助一项，参与国家自然科学基金青年基金项目资助一项，获得郑州大学优秀青年教师发展基金资助一项；获得自然科学奖省部一等奖一项，本人排名第4；项目执行期间项目负责人所在的郑州大学“千人计划”研究平台、“河南省低碳及环境材料国际联合实验室”晋升为国家级国际合作研究平台“低碳及环境材料智能设计国际联合研究中心”。