基于硅量子点的宽光谱响应纳米结构及其在光伏器件中的应用

Due to the non-full spectrum absorption, the silicon-based solar cells have low power conversion efficiency. So it is necessary to investigate the solar cells with wide spectral response in order to enhance the conversion efficiency. In this subject, the silicon quantum dots and nano-patterned structures based on the galss substrate are investigated for wide spectrum response and enhancement of absorption, which is used to improve the efficiency of silicon-based solar cell. By using experimental and theoretical methods, the effect of quantum confinement on the band gap of silicon quantum dots will be studied to widen the spectral response, especially in the range of UV to visible light. Meanwhile, by using hydrogen plasma and annealing treatment, the silicon quantum dots with better optical and electrical transport properties will be investigated. In order to further improve the absorption and conversion efficiency of solar cells, the nano-patterned silicon structures with antireflection and light absorption enhancement is constructed by using self-assembly and hydrothermal synthesis methods. Then the p-i-n type photovoltaic cells based on nano-patterned structure and silicon quantum dots will be constructed. By optimizing the nanostructures, the improvement of absorption and conversion efficiency of the solar cells will be obtained.

本项目针对当前硅基薄膜太阳能电池非全光谱吸收引起的转换效率低下的问题,通过对硅量子点的调控并与纳米陷光结构的结合，探索实现宽光谱响应和增强光吸收的有效途径，以期在廉价的玻璃衬底上获得高效率的硅基光伏电池。项目主要采用实验和理论计算相结合的方式，在玻璃衬底上构建硅量子点结构，利用量子限制效应，调控硅基量子点的带隙结构，拓宽量子点的光谱响应范围，特别是在紫外-可见光波段的吸收；同时,利用氢等离子体处理并结合激光退火技术，对量子点进行钝化处理，降低界面态密度，减少杂质自净化过程，获得具有良好光学和电输运特性的硅量子点薄膜；进而，利用自组装技术和水热合成法在玻璃衬底上构建纳米图形陷光结构，在此基础上，构建具有纳米图形结构的全量子点硅基p-i-n型光伏电池，深入理解相应结构中的光吸收和陷光机理，优化纳米结构，以期实现宽光谱响应及吸收增强，提高电池的光电转换效率。

针对硅基薄膜太阳能电池非全光谱吸收引起的转换效率低下的问题，本项目通过对硅量子点的调控并与纳米阵列结构相结合，探索实现宽光谱响应和增强光吸收的有效途径，以期获得廉价高效率的硅基光伏电池。项目的研究内容主要包括材料及器件的理论设计、量子点材料的构建及性能研究、纳米阵列结构及陷光特性研究、高效率太阳能电池的设计、构筑与研究等相互关联的几个部分。.在理论设计方面，模拟研究了硅量子点的生长及性能，获得了一定的纳米薄膜生长图像和性能优化的物理参数。运用一维微光电子结构分析模型AMPS_1D和二维器件模拟软件Medici和Comsol，并结合Matlab数值模型，模拟研究了电池表面阵列结构的陷光特性及电池器件的光电特性，为电池器件的设计提供了一定的理论基础。.采用甚高频等离子体增强化学气相沉积技术，结合常规炉温退火、快速退火以及激光退火等手段，实现了量子点材料的构建。通过光吸收特性、输运特性和发光特性等的研究，探讨了硅量子点的光谱响应特性和载流子的产生、输运和复合过程，深入理解了量子点中的光电转换机制。 .利用聚苯乙烯纳米小球自组装技术，以及氧化锌纳米柱阵列的可控制备，研究了纳米阵列结构的减反特性，探讨了纳米阵列结构与其减反特性的内在联系，提出了一种制备高密度纳米阵列结构的方法。.通过调控量子点尺寸、量子点密度、量子点分布以及阵列结构等研究了全量子点硅基PN以及PIN型太阳能电池器件的光谱响应；结合掺杂的调控以及界面与表面态的钝化处理等，优化了电池的结构设计，获得了具有较高转换效率的硅基薄膜太阳能电池。