硫化镉/硅纳米异质结构阵列的光伏特性研究与太阳电池制备

对新型太阳能电池的研究和探索具有重要的科学意义和应用前景。在前期研究中，我们以具有规则三重层次结构的硅纳米孔柱阵列（Si-NPA）为功能性衬底，通过原位多相化学反应制备出一种大面积均匀、形貌规则的CdS/Si纳米异质结阵列（CdS/Si-NPA），并获得了良好的整流特性。在此基础上，本项目拟通过改变样品制备条件和界面处理条件，实现对CdS/Si-NPA的微观结构精细调控；充分利用Si-NPA的宽波段高效光吸收特性和CdS高光透过性，以及两种材料较高的空穴、电子迁移率，采用双面电极技术制备出基于CdS/Si-NPA的太阳能电池；通过对电池结构特征以及开路电压、短路电流、能量转换效率等光伏性能的测试和分析，系统探讨来自CdS/Si-NPA中各功能组元（由CdS和Si纳米晶组成的纳米异质结）的光生载流子收集和输运机理，最终实现具有较高光电转化效率的新型太阳能纳米电池。

本项目以硫化镉/硅纳米异质结构阵列（CdS/Si-NPA）的光伏特性研究与太阳电池制备为主线，针对可能对纳米异质结构体系光电特性和光伏效应产生重要影响的因素，从材料体系设计与构建、结构表征与性能测试、物理机制探索等三个方面进行了系统研究，项目取得的主要研究进展如下。（1）基于对CdS/Si-NPA界面化学组分和微结构的实验表征和分析，提出了非传统多界面纳米异质结的概念，建立了其清晰的空间物理图像。（2）通过改变Si-NPA制备条件以及对其表面进行可控氧化、氮化和碳化处理，实现了对Si-NPA表面化学组成、纳米晶粒尺寸及分布的调控；结合硫化镉沉积过程中元素的原位掺杂和条件控制，实现了对CdS/Si-NPA界面结构、能带结构和光电特性的调控。（3）制备了基于CdS/Si-NPA的新型太阳电池和发光二极管（LED）原型器件，并通过界面结构优化实现了对太阳电池光电转化效率的提升，获得了具有高显色指数且色温可调的白光LED。（4）作为对多界面纳米异质结概念的拓展实验验证，可控制备了GaN/Si-NPA纳米异质结构阵列。以此为基础，制备了基于GaN/Si-NPA的近红外和黄光LED、纳米太阳电池等原型器件，获得了优异的LED器件性能和较高的电池光电转换效率。多界面纳米异质结概念的建立以及对其界面结构和性能的调控，将为未来纳米光电器件研制奠定重要的物理基础。