一维有序硅纳米（微米）核壳结构径向p/n结光伏材料及器件研究

Photovoltaic technology is one of the important ways in the development of renewable and clean energy. The related researches have become an important forefront in the field of energy research. In the current solar cell systems, the bottleneck is commonly thought to be the high unit cost for solar electrical energy generation. Aiming at solving the above problem, this application proposes an innovative methodology of using the one-dimensional ordered silicon nano/micro- core-shell raidal p-n junction structure as photovoltaic materials for high performance devices. The one-dimensional ordered core-shell silicon nanostructure shows good Light trapping for high light absorptivity; as well as the radial p/n junction can improve the carriers’ dissociation and mobility. In view of these advantages, we plan to develop efficient solar cell with energy conversion efficiency of 15-19%; moreover, the mass and purity of Si materials will be 30 % and 1 magnitude less than the current single crystal silicon solar cell, respectively. Such breakthrough in this field will provide both the theoretical and experimental basis for the development of efficient and low cost solar cell.

利用太阳能发电的光伏技术是发展可再生能源，解决清洁能源供给问题的重要途径之一，相关研究已成为当前能源研究领域的重要前沿。目前，限制太阳能光伏技术更大规模产业应用的瓶颈问题是单位发电成本过高，本申请针对以上光伏技术瓶颈问题，提出发展一维有序硅纳米（微米）核壳结构径向p/n结光伏材料，构筑低成本、高效光伏器件的研究思路。拟通过利用一维有序硅纳米（微米）阵列结构的陷光效应能够大大提高硅材料的光吸收效率，以及径向p/n结结构能够改善载流子的分离及迁移效率等优异特性，发展电池效率达15-19%，硅材料用量少于30%以下或硅材料纯度低于1个数量级（与目前晶硅电池相比）的低成本、高效太阳能电池技术。此方面的研究突破将为发展低成本、高效太阳能电池技术提供理论和实验依据。

利用太阳能发电的光伏技术是发展可再生能源，解决清洁能源供给问题的重要途径之一，限制太阳能光伏技术更大规模产业应用的瓶颈问题是单位发电成本过高。本项目针对太阳能光伏技术发电成本高这一关键科学问题，提出了发展一维有序硅纳米（微米）核壳结构径向p/n结光伏材料和相关器件的研究思路。通过利用硅材料可见光区较宽的光谱吸收，优异的光电性能，以及一维有序核壳p/n结阵列结构的陷光效应以及径向载流子分离的特点，构筑低成本、高效光伏器件。本项目的研究取得了突破性的进展，重点工作及成果如下：. （1）发展了控制制备一维硅纳米（微米）结构的方法。在前期对VLS生长硅纳米结构的持续、深入研究的基础上，在本项目执行期间，提出了一维硅纳米结构的表面曲率振荡生长模型，最终完整地解决了VLS生长的机理问题。在该机理的指导下，我们能够理性的控制一维硅纳米结构的直径和长度等几何参数，实现可转移硅纳米线阵列以及超长硅纳米线等新型硅材料的规模制备。这些研究为一维硅纳米（微米）核壳阵列径向p/n结的构筑奠定了材料基础。. （2）研究了通过界面修饰对一维硅纳米（微米）核壳结构径向p/n结进行界面调控的方法。掌握了利用有机小分子、金属氧化物、石墨烯量子点等有机和无机材料修饰对p/n结界面性能的影响规律，实现了对一维硅纳米（微米）核壳阵列径向p/n结的性能调控和优化，为提高光伏器件效率提供了新的方法。. （3）设计和制备了低成本高性能的光伏器件。通过选择不同的有机分子或无机半导体材料作为壳层，控制修饰层的最佳厚度，并优化电极结构和器件结构，构建了多种高效率的光伏器件。利用一维硅纳米阵列结构的陷光效应和载流子径向分离的特点，在超薄硅片上制备了高性能的光伏器件，大大降低了器件成本。. 本项目发表SCI论文41篇，申请和授权发明专利9项。培养博士研究生9人。