硅基径向核壳纳米线太阳电池的物理与器件研究

新概念太阳电池物理性质与器件应用的探索研究是当代凝聚态物理学科前沿。本项目提出进行径向单晶硅/非晶硅、单晶硅/纳米硅核壳纳米线阵列太阳电池物理与器件创新基础研究，主要借助于硅基核壳结构与径向p-n结纳米线太阳电池概念在光子吸收和光生载流子收集方面的互补优势。通过建立硅基径向核壳纳米线太阳电池光电理论模型，透彻了解表面复合、缺陷、掺杂、各层厚度、线直径、长度和密度等对光吸收及载流子输运的影响；在实现硅基核壳纳米线阵列结构可控生长和能带调控基础上，开展硅基核壳纳米线结构中有效表面修饰探索研究，减小表面复合损失；设计、制备出硅基径向核壳纳米线太阳电池原型器件结构，解决其中最优光陷阱效应和最佳光生载流子收集路径等核心问题；为新概念硅基径向核壳纳米线太阳电池的未来应用作贮备，推动半导体光伏科学与技术的发展。

新概念太阳电池原理与器件应用探索研究是当代凝聚态物理学科前沿。本项目借助硅纳米线结构及其径向p-n结核壳太阳电池概念在光子吸收和光生载流子收集方面的互补优势，详细研究了硅纳米线结构在新型硅纳米结构太阳电池上的应用。透彻了解单根硅芯—非晶硅壳共轴纳米线吸收性质及光伏器件物理，基于Lorenz-Mie光散射理论，成功地用漏膜共振概念解释了产生共振吸收的原因，结合漂移扩散输运模型建立了Si/a-Si/SiO2同轴纳米线光伏器件物理模型。利用改进的金属辅助化学刻蚀方法（MACE），成功实现表面光滑硅纳米线阵列的可控生长及有效陷光与减反效应，采用等离子体化学气相沉积方法（PECVD），合理控制等离子体密度及成膜细微过程，成功实现有序均匀纳米硅薄膜的可控生长。深入开展了硅纳米线结构中有效表面修饰介质钝化研究，设计、实现一种在大面积硅纳微米结构上同时具有优异光学和电学性能的有效方法，通过载流子复合通道抑制实现高效纳米结构太阳电池，成功实现转换效率达20%的优异宽光谱响应硅纳微米结构太阳电池。项目还进一步探索了突破传统平面电池效率极限的单根竖直纳米线太阳电池，证明其不仅可以通过光学天线效应突破平面电池的Shockley-Queisser开路电压极限，还可以通过其内部的光场分布特性避开平面电池掺杂层复合对短路电流的降低。四年来在硅纳米线径向p-n结核壳太阳电池器件物理、硅纳米线阵列及纳米硅薄膜可控生长、器件陷光效应和光生载流子收集优化、以及高效硅纳米结构太阳电池实现等四个方面取得一系列研究成果。