金属掺杂非晶碳基太阳能电池与界面调控光伏效应研究

Photovoltaic (PV) energy is regarded as one of the most important new energy sources in this century due to its enormous stock and high safety. As a potential low-cost photovoltaic materials，carbon has been shown to have a good application potential. Amorphous carbon (a-C) is the first successful carbon-based semiconductor studied in solar cell and has a growing concern nowadays.In this study, based on our previous research, by combining theoretical and experimental methods, the core problem in amorphous carbon-based solar cell such as the p-type dopant and the intreface manipulation will be explored.The main contents include: 1) The preparation processes of iron/cobalt doped that could be another possible amorphous carbon p-type dopant and nitrogen doped n type carbon-based film will be studied . The doped film that its optical band gap and conductivity are well matched to the solar photovoltaic effect is expected to be obtained.2) By repetively modulating the p,n-type amorphous carbon layer，and the interface Al2O3 layer, the type of the electrode, a full carbon-based solar cell is expected to be successfully designed. 3) The influence of interfae manipulation on carrier transportation, built-in electric field and other aspects will be studied and the mechanism of alumina interface manipulation on the PV performance will be revealed, and the influence of the layer thickness, interface structure and the electrode will be discussed.

光伏能源因其充足性和安全性被认为是本世纪最重要的新能源之一。碳作为潜在低成本光伏材料已表现出良好应用潜质，非晶碳(a-C)作为率先实现光伏效应的碳材料日益受到关注。本项目以对非晶碳电池的预研究为基础，实验与理论相结合，着重考虑碳膜的p、n 型掺杂、界面调控光伏效应增强等问题，开发出新型低廉碳基薄膜电池。主要致力于：1）探索铁/钴等金属作为可能非晶碳膜良好p 型掺杂剂的制备工艺，探索氮气n型掺杂的制备工艺，得到光学带隙、电导性能良好匹配于日光光伏效应的p、n型非晶碳膜。2）通过插入氧化铝膜于电池的p、n 结界面，实现p、n 层与界面层的调控，获得具有明显光伏性能的C/Al2O3/C 结构电池。研究各层厚度、界面结构、电极种类对光伏性能的影响。3） 探索界面调控对载流子传输、内建电场等方面影响，揭示氧化铝界面调控光伏增强的相关机理，为实现低廉碳基薄膜太阳能电池应用提供基础。

本项目围绕碳材料作为光伏材料进行了碳基太阳能电池的结构设计与可控制备等关键问题研究。特别的对以非晶碳(a-C)材料为研究对象，分别用磁控溅射、等离子体化学气相沉积法制备了不同掺杂类型的多功能非常碳薄膜，对非晶碳薄膜的光学性能，光电转化性能、界面调控光伏效应增强问题进行了系统性研究。同时，改用石墨烯代替非晶碳，探究了石墨烯/硅太阳能电池性能及光电转化效率提升。具体的，分别以金属粒子负载和加入固态电解质两种方式，使发明的石墨烯/硅太阳能电池器件性能提升提升到了10%以上。为了实现无硅电池的制备，我们以具有更好光电转化性能的石墨烯膜为空穴传输层，以硫化锑薄膜代替硅基底，制备出了硅材料被完全替代的碳基薄膜太阳能电池，得到了具有光电转换效率为1.65%的FTO/TiO2/Sb2S3/Gr(网状)太阳能电池原器件,文章以封面文章被 Solar PRL报导。为了弄清相关结构电池的发电机理并进一步提高薄膜电池的吸光性能，我们用有限元计算方法开展了专门针对对薄膜电池的光吸收增强的研究，理论实验相结合，制备出了仅有市场上十分之一厚度的晶硅薄膜电池，光电转化效率达到16.4%，相关研究成果引起了广泛关注并被数百家网站报导。总之，本项目的开展为促进碳基材料在可能替代硅基太阳能电池方面做出了积极探索，为碳基材料在光伏领域的应用奠定了研究基础。项目执行期间产生成果69项，在 Phys.Chem.Chem.Phys., Optics Express,Journal of Alloys and Compounds 等刊物发表论文27篇（SCI论文19篇），专利 19项，其中已获得中国授权发明专利11项，承办国际会议1次，参加国内学术会议20余人次，邀请国内外专家交流15人次，与美国密苏里大学陈晓波教授组、密西根大学易亚沙教授组、德国卡尔斯鲁厄大学严文生团队及清华大学朱宏伟教授组建立了稳定的学术合作关系，与清华大学联合培养硕士研究生2人，与密西根大学联合培养硕士研究生2人，本人在项目执行期间，获批湖北省优秀博士后称号，团队引进湖北楚天学者讲座教授一名，培养骨干教师两名，其中一名在碳基材料方向获批青年国家自然科学基金一项，本项目实施对三峡大学新能源领域的发展起到了积极的带动和引领作用。