宽光谱高效非对称吸收平面热载流子太阳能电池

Hot carrier solar cells can make full use of the energy of incoming photons larger than the semiconductor forbidden band. Without introducing multi-level separation system, the single junction structure hot carrier solar cells can achieve the solar energy conversion efficiency beyond the Shockley-Queisser limit. This project first presents a new type of metal/insulator/metal (MIM) structure thermal electronic photoelectric conversion device, which is composed of multilayer different materials, and has efficient asymmetric absorption characteristics in wide spectrum and large angle. This project will focus on the key problems affecting the efficiency of hot carrier solar cells, such as the influence of geometrical and material parameters of each functional layer on the spatial distribution of light absorption and absorption spectrum, the design of metal absorption layer and dielectric layer thickness and dielectric coefficient, the optimal difference range of work function between the metal absorption layer and the dielectric insulating layer, and the electronic wavevector impedance matching between the hot electrons in the transition metal layer and dielectric layer. In this project, we will also make the prototype device of the hot electronic photoelectric converter, and analyze and characterize the optical absorption and photoelectric response characteristics of the device, and achieve high performance metal/insulating/metal structure hot carrier solar cells.

热载流子太阳能电池可以充分利用大于半导体禁带的入射光子的能量，在不引入多能级分离系统的前提下，用单结结构实现超越Shockley-Queisser极限的太阳能电池转换效率。本课题首次提出了一种基于金属/绝缘体/金属(MIM)结构的新型热电子光电转换器件，这种结构由不同材料的多层平面所组成，同时具有宽光谱大角度高效非对称吸收特性。课题将在理论上模拟各功能层的几何和材料参数对结构光吸收空间分布以及吸收光谱的影响，优化设计金属吸收层以及介质绝缘层的厚度及介电系数，探索在太阳宽光谱照射条件下获得最佳转换效率的金属吸收层与介质绝缘层两者之间的功函数差范围，分析热电子由过渡金属层穿越界面时金属层和势垒层两端电子波矢的阻抗匹配。在实验上制作所设计的热电子光电转换器件结构原型，并对器件光学吸收特性，光电响应特性进行测试分析和表征。实现高性能的金属/绝缘层/金属结构热载流子太阳能电池。

太阳能光伏电池是一种将光能量转换成电能的半导体器件。随着科学技术的进步，以及对太阳电池物理机制的进一步认识，研发转化效率高，成本低，材料丰富且无毒的第三代太阳电池成为人们的自然选择。第三代太阳电池中的热载流子太阳电池结构概念充分利用了大于半导体禁带的入射光子的能量，在不引入多能级分离系统的前提下，用单结结构实现超越Shockley-Queisser极限的太阳能电池转换效率，最大限度地将光能变成电能，因而受到人们的广泛关注。.本课题完成了改进型金属/绝缘体/金属(MIM)结构和金属/半导体(M/S)结构热电子宽光谱光电转换器件的设计。实现了金属层中光吸收的空间分布，及其与改进型MIM结构中其它膜层的关系，光吸收分布的优化。设计出了吸收光谱范围与太阳光谱完美匹配的太阳电池结构。所设计的过渡金属材料作为吸收层的超宽光谱高效非对称吸收热电子太阳电池，相比目前常见的TC/I/M结构和棱镜耦合的MIM结构，省却了金银等贵重金属，极大地降低了结构的成本。超宽光谱高效非对称吸收热电子太阳电池结构的吸收光谱，与太阳光谱完美地重合，从而极大地提高了结构的太阳能换效率，理论上在太阳光谱波段的转换效率可达10%以上。不同界面入射的双向电流引出超宽光谱高效非对称吸收热电子太阳电池，比单向引出结构的效率又可以提升近1倍。综合分析了入射光谱、太阳光入射角度、入射光吸收的吸收层中的空间分布、偏置电压、电子态密度、绝缘氧化层带隙、势垒高度、载流子平均自由程等对电子收集性能的影响。