量子点中间带太阳能电池的制备和特性研究

Quantum dot based intermediate band solar cells have attracted a lot of attention in the field of photovoltaics for the last few years. Power conversion efficiency as high as 63% can be achieved by only using one intermediate band. The objective of this project is to develop a new type of quantum structure and employ new materials for hihg efficiency intermediate band solar cells. The project is aiming to solve the current quantum dot solar cell issues, such as low absorption of the sub-bands, of current quantum dot solar cells, which largely undermine the performance of intermediate band solar cells. Thi is project is proposed to using molecular beam epitaxy to explore the opportunities of realizing high efficiency intermediate band solar cells. The project will pave the way for development of the third generation high efficiency intermediate band solar cells by employing novel quantum structures and new materials.

基于量子点的中间带太阳能电池是近年来光伏领域的一个研究热点。仅有一个中间带的中间带太阳能电池的理论值就可以高达63%，是实现高效率太阳能电池比较有前景的手段之一。本项目的目标是通过设计和制备新的量子点材料和新结构，以期解决目前量子点太阳能电池子带吸收较弱等难以实现高效率中间带太阳能电池的部分问题。本课题将通过应用分子束外延生长研究开发实现高效率量子点中间带太阳能电池的可行性。本研究有望利用新的量子点结构和新的太阳能电池结构，在高效太阳能电池方面取得突破。

量子点等半导体纳米材料被广泛的用于下一代光电器件的研发中，包括量子点激光器、量子点探测器和量子点太阳能电池等。然而由于应力的限制，利用量子点做为吸光材料的太阳能电池和光电探测器面临量子效率效率低等问题，特别是基于量子点子带间跃迁的吸收率极低，因而如何提高量子点的吸收，进而实现高效率的量子点太阳能电池是当前急需解决的研究重点之一。本项目主要生长制备半导体纳米材料用于量子点太阳能电池的应用，特别是通过液滴外延生长方法制备新型的无应变量子点和通过表面等离子激元结构等两个途径提升量子点的吸收效率。研究主要内容集中于研究利用液滴外延技术探索新的材料体系，研究在新材料基础上实现在室温下获得基于中间带的双光子吸收，提升太阳能电池效率；同时研究金属微纳结构与量子点太阳能电池的耦合，并实现表面等离子体激元增强的量子点太阳能电池；通过新的表面超结构等手段实现针对子带间跃迁的长波光子吸收。项目重要结果、关键数据及其科学意义包括：在国际上率先报道了可以再室温下实现基于双光子吸收的实验证据，该研究不仅利用液滴外延制备了无应变量子点和低应变的量子点太阳能电池，直接证明了无应变量子点在光电器件中的优势和应用前景，并且首次在室温下研究并展示了无应变量子点应用于中间带太阳能电池的可行。从理论和实验分别研究了通过表面等离子体激元增加光吸收，通过采用多种不同的金属纳米结构，系统地研究表面等离子体对量子点太阳能电池的增强作用，探索利用表面等离子体在量子点光学薄层中光束缚作用，进而实现高转换效率的中间能带太阳能电池。本项目目首次制备和实现了利用星形纳米金颗粒耦合在量子点太能电池表面，并实现了明显的宽谱增强，为实现高效率的量子点太阳能电池提供新的思路和方法。本研究实现的新的量子点太阳能电池和表面光子结构将能够应用于研究开发下一代高性能薄膜太阳能电池器件。