有序硅量子点/有序硅纳米柱材料生长及其HEED实时监控研究和新型光伏器件研制

As the third generation of photovoltaic material,Silicon quantum dots/nano column has the unique photoelectric conversion properties,.When one photon with sufficient energy strike it can create two or more than two pairs of electrons and holes .thus can significantly improve the photoelectric conversion efficiency . This program aim to study the ordered silicon quantum dots/nano-column growth with high-energy electron diffraction(HEED) for real-time microstructure monitoring . optical parameters of Si rich nitride films will be obtained from real-time spectroscopic ellipsometry(RTSE).study the correlation of preparation for technical parameter and evolution of the films’ microstructure together with the optical properties will be explored.further study the adjustable technology of ordered silicon quantum dots/nano-column,such as the size and spacing. we plan to adopt molecular dynamics simulation to study the formation mechanism of quantum dots and the multi-exciton mechanism of Si quantum dots.Prepare high photoelectric conversion efficiency ordered silicon quantum dots/nano-column solar cells with optimizing technological parameter, which depends on the relationship of microstructure and photoconductivity property.On this basis we will explore the development of stransverse pin and silicon-peroveskite composite structure solar cell.

第三代光伏材料之一硅量子点/硅纳米柱材料具有独特的光电转换特性如可使一个高能光子产生两个或两个以上的电子空穴对，从而可大大提高光伏等器件的光电转换效率。本申请项目提出采用带两级差分抽气系统的高气压反射式高能电子衍射仪(HEED)实时监控有序硅量子点/硅纳米柱生长并研究生长模式和微结构变化等信息；采用椭圆偏振光谱实时监控富硅氮化物薄膜生长并研究薄膜光学常数变化等信息；研究上述微结构信息和该薄膜光学常数等特征参数与制备工艺参数的相关性;研究有序硅量子点/硅纳米柱参数即大小和间距等可调的工艺；采用分子动力学等模拟方法研究这光电转换材料的形成机制并理论分析硅量子点能产生多激子对的机制；理论研究有序硅量子点/硅纳米柱参数与光电转换效率理论值的关系，从而优化工艺参数制备出具有高光电转换效率的有序硅量子点/有序硅纳米柱光伏器件。在此基础上对横向pin结电池和硅基钙钛矿光伏电池研制进行原创性探索研究。

项目的背景：量子点/微纳米柱材料应用于光伏器件属第三代光伏器件，其研究对可再生能源领域有重要价值，本项目重点研制有序硅量子点薄膜材料/有序硅微纳米柱及其光伏器件和新型钙钛矿光伏电池等。.主要研究内容：有序硅量子点/有序硅微纳米柱材料研制; 采用带两级差分抽气系统的高气压反射式高能电子衍射仪(RHEED)实时监控有序硅量子点薄膜生长并研制其光伏电池；研制硅微纳米柱及其光伏电池；研制新型钙钛矿光伏电池等；研究在这些研制中所涉及到的物理问题。.重要结果：研制出准有序硅量子点和有序硅微纳米柱材料，并制备出有序硅微纳米柱光伏电池，其光电转换效率为12.5%；采用带两级差分抽气系统的高气压反射式高能电子衍射仪(RHEED)可实时监控PECVD法制备薄膜生长，该实时监控方法可推广应用于其他在工作气压环境下真空镀膜设备中如磁控溅射设备等；研制出含硅纳米棒新型钙钛矿光伏电池，其光电转换效率达15.4%；研制出一种新工艺即诱导结晶法制备出钙钛矿光伏电池，其光电转换效率为17.6%并具有重复性。.关键数据：采用带两级差分抽气系统的RHEED实时监控有序硅量子点薄膜生长，其工作气压应在为1Pa以下；温度梯度和工作气体定向流动有利于制备准有序硅量子点；以三角阵列排布有序硅微纳米柱阵列并且微纳米柱径高比为1:4，其陷光效果好；采用诱导结晶法制备掺溴钙钛矿薄膜光伏电池其光电转换效率达17.5%，并具有重复性和大提升空间。.科学意义：有序硅纳米柱阵列以三角阵列排布和径高比为1:4，陷光性能表现优异，可制备出光伏电池，其光电转换效率为12.5%，该电池具有原创性，有深入研究价值和科学意义。采用诱导结晶法制备掺溴钙钛矿薄膜光伏电池其光电转换效率达17.6%，并具有重复性和大提升空间而且具有原创性，有深入研究价值和科学意义。