无机全固态纳米阵列太阳电池构筑及光伏过程中的基础物理问题研究

无机全固态纳米阵列太阳电池突出优点表现在三个方面：一、可以通过结构设计，实现光吸收和载流子传输路径正交化，从而降低载流子复合几率，提高光-电转换效率；二、基于纳米阵列的光电极由于空穴扩散距离短（小于扩散自由程），从而对材料的纯度和洁净性要求远远低于传统的单晶硅太阳电池和薄膜太阳电池，所以纳米阵列太阳电池的成本有望大幅度降低；三、无机全固态纳米阵列太阳电池化学稳定性好，受温度影响小，使用寿命长。该领域面临的主要问题是光生载流子的产生、输运、捕获/脱离、复合等动力学行为非常复杂，器件构筑和结构-性能研究滞后，影响光电转换效率的关键因素尚不清楚。本课题拟通过强度调制谱和电化学阻抗谱研究无机全固态纳米阵列太阳电池的载流子动力学行为，澄清影响器件效率的关键因素，并通过纳米材料结构设计得到高效率的无机全固态纳米阵列太阳电池。该项目的实施对于推动纳米结构太阳电池的研究有重要理论意义和应用价值。

在本项目资助下，我们按计划对纳米阵列结构电极材料的可控制备方法、纳米结构太阳电池的构筑原理以及电池中界面对电池性能的影响机制等开展研究。三年来，项目进展顺利，已经超额完成预期的研究目标。主要研究成果以论文、著作章节、专利形式发表。共发表SCI检索论文12篇，1篇其它国际期刊论文，其中包括3篇特邀综述文章，撰写英文专著章节1章，申请发明专利12项。主要成果有：一、建立了纳米结构太阳电池器件构筑新方法，深入系统地研究了纳米结构太阳电池中的界面问题，澄清了界面结构对太阳电池关键性能参数，即开路电压、短路电流密度、填充因子以及转换效率影响的物理机制；二、提出采用原子层次修饰技术对纳米结构太阳电池界面的材料结构及电子结构进行调控的原理和方法，通过引入界面偶极层调控电池内部电场梯度，以解决纳米结构太阳电池中的载流子复合问题，显著提高了电池的光电转换效率；三、通过掺杂、构筑表面异质结等手段，调控载流子传输动力学行为，解决了部分n-型光电极材料中空穴平均自由程短的问题，显著提高了载流子的收集几率以及电池的光电转换效率；四、研究了纳米结构太阳电池的长期稳定性问题，提出界面结构对电池稳定性影响的微观机制，在此基础上提出了提高纳米结构太阳电池稳定性的方案，为纳米结构太阳电池的实际应用奠定了坚实的基础。