半导体量子点、量子阱体系对太阳能电池光电特性的调制

Due to a higher demand on the solar cell devices which is brought about because of the energy shortage and environmental pollution, the project will take quantum dots and quantum well system as the core part of the solar cells and be performed as: (1) combining with the Schrödinger equation and Poisson equation, We study the modulation of geometry, strain distribution and doping of the quantum dots and wells on potential and carrier states;(2) quantitatively analysis PL, I-V and PC spectrum of the actual solar cells with the actual size, limited operating temperature, electrode structure and the operating voltage being included, and clarify the physical origin of quantum dot on improving the device conversion efficiency of the proposed solar cells to find the way of optimization of quantum dot solar cells. The finial aim of the project is providing a basis for theoretical guidance to explore the high-efficiency solar cells.

能源危机和环保要求迫使人们寻求具有高效转换效率的太阳能电池。本项目以此为出发点，以量子点、量子阱体系为太阳能电池的核心组成部分：1）结合薛定谔方程和泊松方程，研究量子点、量子阱体系的几何结构、应力以及掺杂等特性对电场势和载流子态的调制；（2）以真实工作器件在真实工作状态下（量子点器件的实际尺寸、有限的工作温度、电极结构和工作电压）为例，定量分析实际纳米太阳能电池的光荧光谱、I-V和光电流谱等实验曲线，揭示影响光电相互作用以及光生载流子输运的主要因素，澄清量子点、量子阱体系对提高器件转换效率的物理起源，提出低维太阳能电池的性能优化方案。为探索高效率太阳能电池提供基础理论指导。

研究量子点、量子阱体系作为太阳能电池和其他纳米器件的核心组成部分已成为目前纳米电子学领域的主要任务之一。本课题基于太阳能电池中的量子点和量子阱体系在输运和光电性质进行了理论和实验研究，在项目执行期间取得了以下主要研究成果：（1）对于太阳能电池中经常用到的Al0.27Ga0.73As/GaAs多量子阱体系中的光电流谱的进行了研究，发现相对于当量子阱来自延展态到束缚态间的跃迁而导致光电流谱升高；然而来自空穴激发态-电子延展态的光电流要比来自空穴束缚态-电子延展态的光电流大得多；无限周期下平均单个量子阱对光电流的贡献为nA/cm2。这为量子阱的生长周期对光电流谱的贡献给出了定量描述。（2）采用第一性原理计算了GaN\AlGaN材料界面处原子的基态分布，得到了自发极化和压电极化的变化随着G面和N面的变化规律，发现在界面处自发极化占主导地位，但是G面和N面结构的不同，自发极化会有0.4 C/m2的变化。（3）对基于石墨烯硅基异质结的高效太阳能电池进行理论和实验研究。模拟结果表明非晶硅电池在温度升高过程中的光电转换效率下降幅度显著降低，与实验结果吻合。（4）实验室生长了CdSe\CdS量子点并组装了TiO2-CdSe\CdS量子点太阳能电池，得到了该太阳能电池的光电流谱。（5）通过使用有限差分时域方法计算研究位于电池背面半球形银纳米粒子的散射和耦合效率，为改善薄膜太阳能电池器件的光捕获提供了依据。（6）研究了由石墨烯量子点和石墨烯纳米带电极构成的全碳量子器件的自旋输运特性。结果显示这个简单的全碳量子器件在较宽的电压范围之内表现为理想的自旋过滤行为，并且在相对高压区域，出现了单自旋负的微分电阻行为；提出了一个有效的方法去增强全碳量子器件的自旋热电性能； 通过单个Si原子吸附在硅烯纳米带的表面，获得了自旋半金属特性；从而同时获得了高的自旋热电功率和弱的电荷热电功率。以上研究在太阳能电池应用和热自旋电子学领域具有一定的应用价值。