掠角沉积II-VI族化合物/硅复合纳米结构阵列薄膜及光电转换性能研究

To resolve the problems in the second generation of Group II-VI semiconductor and Si thin film solar cells, this project plans to introduce some new concepts of the third generation solar cells, including one-dimension and organic-inorganic hybrid, etc., to conventional thin film solar cells, proposing an idea of the Group II-VI semiconductor/Si composite nanostructured array films and studying some scientific and technological problems in the materials synthesis, characterization and design/assembly of solar cells. This project intends to utilize electron-beam glancing angle deposition technique to controllably synthesize II-VI binary and multiple compounds and their heterojunction nanoarray films, and construct Group II-VI semiconductor/Si composite radial P-N and Type-II junction, and axial P-N junction/organic composite nanoarray film solar cells. We try to reveal the effects of light trapping of nanostructures with different characteristics on the performance of photoelectric conversion, and the generation, diffusion and recombination mechanism of photogenerated carriers, developing the wide-spectrum response, low-cost and high-stability solar cells. This proposal not only provides a new synthesis route for group II-VI semiconductor nanoarray films, but plays a certain role in promoting the development of thin film solar cells.

针对第二代II-VI族半导体和硅基薄膜太阳能电池中存在的问题，本项目拟把第三代太阳能电池中的新概念，包括一维纳米结构和有机无机复合等，引入传统的薄膜电池中，提出II-VI族半导体/硅复合的纳米结构阵列薄膜的概念，系统研究在材料制备、表征以及太阳能电池设计与组装过程中的科学和技术问题。本项目拟采用电子束蒸发掠角沉积技术，可控制备II-VI族二元、多元化合物及其异质结等一维纳米结构阵列薄膜；构筑II-VI族半导体/硅复合的径向分布P-N结和Type II结，以及轴向分布P-N结/有机复合的一维纳米结构阵列薄膜太阳能电池。揭示不同特征参数纳米结构的陷光效应对光电转换性能的影响，纳米结构中光生载流子的产生、扩散和复合机理；实现宽光谱响应、低成本和高稳定性的太阳能电池目标。本项目研究不仅为II-VI族半导体一维纳米结构阵列薄膜的制备提供了新途径，而且对于薄膜太阳能电池的发展起到一定的促进作用。

提高太阳能电池转换效率需要解决的主要问题是如何控制载流子的产生、分离、传输和收集。针对如上问题，本项目的主要研究内容包括：1）发展了原子层沉积、离子交换、微波水热等技术制备II-VI族化合物及其硅和钙钛矿复合的一维纳米结构阵列薄膜。研究了材料的形貌、物相和微结构、缺陷等受实验参数的影响规律。2）设计了一系列半导体三维异质结结构，不仅提高光的捕获能力，而且拓宽光谱响应范围，从而提高器件的光利用率。3）通过界面异质结的设计和界面钝化，提高载流子的界面分离效率，钝化界面的缺陷态，以此设计高转换效率的光电转换器件，包括太阳能电池和光电化学电池。4）发展表面修饰与钝化技术，提高材料的表面活性以及载流子的注入效率，减小电荷的表面复合率。5）研究了金属氧（硫）化物/碳材料复合调控载流子在其界面的传输规律，拓展应用到电化学电池领域。本项目研究为II-VI族半导体一维纳米结构阵列薄膜的制备提供了新途径，阐明了载流子传输与复合的相关机制，为提高太阳能电池转换效率提供了理论和实验参考。