基于梯度带隙CIGS纳米管阵列的新型三维异质结太阳能电池的构筑与性能研究

铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池因其光电转换效率居各种薄膜光伏电池之首，被国际上称为最有希望获得大规模应用的太阳能电池之一。本项目中，基于掌握的纳米通道限域的原电池原理生长技术，提出并实现一种由尺寸可调节（内径、外径和长度）、梯度带隙的CIGS纳米管阵列与纳米多孔缓冲层镶嵌结构构筑的新型三维异质结太阳能电池，实现对宽光谱光子的俘获，提高光吸收率，实现电子空穴对的有效分离和载流子的传输控制。研究光激发下CIGS纳米管阵列体系的光生载流子的激发规律以及与微结构及杂质缺陷等的相互关系，研究该新型三维异质结的界面输运行为与界面微观结构的关联，提取该体系中载流子产生、输运与复合的机制等丰富物理信息。从实验和理论模拟两方面研究该结构太阳能电池的性能随CIGS纳米管的几何尺寸、排列周期、带隙、成分及缓冲层的嵌入深度的变化规律，为高效低成本新型CIGS纳米结构太阳能电池的设计及生产提供科学依据。

用Ga部分取代CuInSe2（CIS） 中In 元素可获得Cu(In1−xGax)Se2（CIGS） 四元半导体材料。CIGS 化合物半导体因其具有较高的可见光吸收率、可调的带隙和长期的稳定性已成为制备薄膜太阳能电池的理想材料。由于薄膜太阳能电池的吸收层往往很薄，使得进入薄膜太阳能电池的光的光程很短而不能很好地被薄膜电池所“俘获”，电池的效率因而也会受到极大限制。有序纳米管/线阵列结构因其独特的光电性能，已成为设计构建高效薄膜太阳能电池的理想纳米结构。 然而由于CIGS 是四种元素形成多元化合物，其纳米结构的制备相比CIS更困难，到目前为止关于CIGS纳米材料的报道并不多。我们基于四周带铝环多孔金属膜包覆的多孔氧化铝（AAO） 模板，利用纳米通道限制的原电池沉积技术，在含Cu2+、 In3+、Ga3+ 和SeO32-离子的电解液中实现了均匀的CIGS(CIS) 纳米管/线阵列的可控制备。CIGS(CIS) 纳米管/线的尺寸（外径、内径、壁厚）可以通过调节AAO 模板和多孔金属膜的孔径来调控，而CIGS(CIS) 纳米管/线的化学成分则由溶液的参数（如溶液的组成、pH值等）来调节。该制备方法既不需要使用电源，又不需要添加任何有机表面活性剂，也不需要对纳米孔模板孔壁进行复杂的敏化与活化处理，与其它方法相比，制备出的纳米棒和纳米管阵列膜的有序性强，在纳米孔模板中有几乎100%的填充率，丰富了CIGS (CIS)纳米结构的制备方法，为以后进一步的性质和器件研究提供了材料支持。利用FDTD 方法，获取了CIGS(CIS) 纳米管的UV-vis 光吸收性质随纳米管/线的几何尺寸（外径、壁厚和高度）、在AAO 模板里的嵌入深度以及Ga 含量等的变化规律，为进一步研究基于CIGS(CIS) 有序纳米结构的高陷光的光电器件提供理论依据。此外，围绕纳米孔阵列模板、窗口层和缓冲层的制备及其性能调控进行了系统研究。本项目过程中，发表SCI论文14篇，申请发明专利1项，有6名博士生和3名硕士研究生及1名博士后从事与该课题相关的研究工作，已毕业博士生4名，已毕业硕士生3名。