利用新颖微纳结构提高光伏和光热伏太阳能电池的效率

Photovoltaics and photothermovoltaics are two main means to convert sunlight into electricity. However, power conversion efficiencies of these solar cells are usually very low largely due to their quite inefficient sunlight absorptions. Therefore, we propose to develop novel micro-/nano-structures for these solar cells to greatly improve their sunlight absorption and thus the power conversion efficiencies. Besides the optical investigation, an opto-electronic model is incorporated to investigate the electronic behavior for photovoltaics. For photothermovoltaics, radiation from absorbers will be reasonably controlled and tuned on one hand; on the other hand, the heat conduct in the absorbers will be studied with an opto-thermal modeling. By investigating these physical mechanisms of opto-electric conversion, novel micro/nano structures will be designed and optimized for corresponding solar cells from both optical and electronic (or thermal) aspects. Finally, these structures will be fabricated with advanced micro/nano technologies. Optical and electrical performance testing will be performed to verify the theoretical efficiencies. The present proposal can be expected to provide novel and high-efficiency technologies for the solar industry.

光伏和光热伏太阳能电池是实现太阳能转换成电能的两种有效手段，然而太阳光吸收效率普遍偏低成为制约其光电转换效率的主要因素，直接影响它们的推广和应用。基于此，本项目研究面向光伏和光热伏太阳能电池应用的新颖微纳结构，旨在借助先进微纳光学理论提高它们对太阳光的收集及吸收效率，进而提高其光电转换效率。除了光学研究以外，对于光伏太阳能电池，我们还将建立光电物理模型探讨其电学行为；对于光热伏太阳能电池，我们还将对吸波器的辐射谱进行合理调控，并构建光热物理模型揭示吸波器中热能的传导行为。从而揭示相应太阳能电池的光电转换物理机理，从光、热/电等方面优化设计新颖的微纳结构。最后，采用先进的微纳制备工艺对微纳结构及相应的光伏/光热伏太阳能电池进行探索制作，从实验上验证微纳结构在光和电两方面的有效性，开发新颖的太阳能电池。本项目有望为太阳能产业提供新颖的、有效的理论和技术方法。

光伏和光热伏太阳能电池是实现太阳能转换成电能的两种有效手段，而太阳光吸收效率偏低成为制约其光电转换效率（PCE）的主要因素。为此，本项目主要研究了面向这两种太阳能应用的新颖微纳结构。针对光伏应用，我们制备出结构化硅材料，实现了对入射光的三维调控；基于该材料的光电化学电池的PCE比平面电池提高141.1%；制备出TiO2纳米管与纳米棒复合结构，以此为阳极的光电化学电池效率比纳米管提高了3倍；制备出随机金字塔绒面硅电池和随机结构化硅电池，相比平面电池，PCE分别提高了66.9%和32.1%。建立了光伏电池的光电混合物理模型，构建了基于金碗纳米结构的非晶硅薄膜太阳能电池，对光吸收、载流子产生、复合、传导行为进行了系统分析。对有机薄膜太阳能电池，提出了多种新颖结构设计，制备出的凹凸纳米结构将PCE提高30%；在缓冲层中引入银纳米球，将PCE提高19.2%。还建立了金属热电子跃迁模型，基于锥形TiO2纳米线将热电子太阳能电池的PCE提高1.87倍。针对光热伏应用，我们提出了多种吸波新机制，制备出金锥形同轴孔阵列、介质-金属交替多层薄膜及其锥形等多种宽带等离激元/超构材料吸波器，测得宽带（400 nm - 2.1 μm）、广角（> 60°）、偏振不敏感的高吸收响应（> 90%）。还制备出铁纳米结构和石墨纳米结构，测得两者吸收率在太阳光波段均大于95%。建立了太阳能热光伏系统的物理模型，提出了棋盘状选择性吸波器和核壳纳米小球阵列的选择性辐射器，优化设计出新颖的吸波-辐射纳米复合结构（吸波器：六角密堆的钨三角形阵列，辐射器：钽方块光子晶体），使得太阳能热光伏系统效率突破传统光伏电池的Shockley-Queisser效率极限。研制出可应用于太阳能热电发生器的大面积超薄太阳光加热器，基于吸收/辐射光谱选择性调控，获得高于商业黑漆的工作温度。总之，上述理论和实验研究论证了微纳结构应用于光伏和光热伏太阳能电池的可行性，为太阳能研究领域提供了新颖且有效的理论和技术方法，它们可拓展至集成光学、生物光子学等领域，具有重要的科学意义。