磷化铟纳米线的形貌与微观结构缺陷对其光伏性能影响机制的研究

It is well-known that the morphology and crystal defects can affect the photovoltaic performance of InP nanowires (NWs), in which all these have not been well addressed until now. In this proposal, the relationship among morphology (i.e. diameter, surface morphology), crystal defects (i.e. planer defects) and photovoltaic performance of InP NWs will be investigated. Specifically, NWs grown by solid-source chemical vapor deposition method using gold nanoparticles as catalysts will be carefully characterized by electron microscopy, optical and electrical characterization. The influence of synthesis conditions on the morphology and crystal structure of InP NWs will be studied to reveal the growth mechanism and make further efforts to achieve the controllable preparation of high-quality single crystal InP NWs. The contact properties of metal/InP nanowire (NW) are systematically evaluated in order to fabricate Schottky-barrier solar cells. The structure-property relationship among diameter, surface morphology, planar defects and photovoltaic performance of the fabricated InP NW solar cells will be studied as well. Notably, the effect of surface states on the photovoltaic performance of NWs will be further assessed by using ammonium sulfide solution, which can effectively reduce the surface defects of NWs in minimizing the surface carrier recombination. All these results are expected to provide scientific merits for designing high-efficiency InP NW based solar cells with low cost.

本课题针对磷化铟纳米线的形貌和微观结构缺陷如何影响其光伏性能这一基础性问题，拟采用金纳米颗粒作为催化剂，利用固相源化学气相沉积技术制备磷化铟纳米线，通过研究催化剂与纳米线的直径、表面形态及微观结构之间的内在关系，揭示其生长机理，并以此为依据优化合成条件，制备形貌和微观结构可控的磷化铟纳米线；通过研究不同金属电极与磷化铟纳米线的接触特征，确定金属-绝缘体-半导体型太阳能电池的结构；通过研究不同直径、表面形态和面缺陷密度的磷化铟纳米线的光伏性能，获得纳米线的形貌和微观结构缺陷对其光伏性能的影响机制；采用一定浓度的硫化铵溶液钝化纳米线的表面，进一步研究表面态对其光伏性能的影响规律。本课题的研究成果将有助于深化磷化铟纳米线光伏性能的基础理论研究，也将为其制备和应用提供重要的科学理论依据。

目前，随着能源危机和环境污染的日益严重，开发利用清洁、可再生能源，如太阳能，已成为各国研究的重点。利用太阳能的最直接方式就是太阳能电池。尽管硅基半导体技术日益成熟，但是其固有属性（低迁移率、间接带隙）限制了其进一步发展。与硅基材料（电子迁移率，1400 cm2/Vs）相比，III-V族半导体化合物，如InP和GaAs，载流子迁移率高（分别为5400，8500 cm2/Vs），具有直接带隙结构，在未来高集成密度等应用领域是替代硅基半导体材料的首选。纳米材料的构效关系是目前纳米材料科学研究中的基础性课题之一，可为材料的制备、性能的改善及应用提供有价值的过程参数和理论支持。本项目围绕磷化铟纳米线的形貌、微观结构及表面性能对其光电学性能的微观影响机制开展了系统的研究工作，并将研究成果拓展到III-V族纳米线及其他纳米结构材料中。在项目执行期间，着重完成了以下工作：1）利用金、银、铜纳米颗粒制备了高结晶度磷化铟纳米线，并研究了其生长机理、微观结构与金属催化剂内在关系；2）研究了磷化铟纳米线微观结构与光电学性能内在关系；3）制备了低缺陷密度砷化镓纳米线并组建了高性能砷化镓太阳能电池研究；4）探索制备合理的纳米结构以期实现优异的光电学性能。. 该研究的实施将为高效、低成本磷化铟纳米线太阳能电池的设计、制备和应用提供坚实可靠的研究思路和科学理论依据，这对于太阳能电池的发展具有非常重要的科学意义。