CuInS2 纳米管/线阵列的可控制备及其新型三维异质结太阳能电池的构筑与性能研究

CuInS2 based thin-film solar cells are known as one of the most promising solar cells for large-scale applications, because of their high light absorption coefficient, direct band gap (1.5eV) well-matched to solar spectrum, good structural defect tolerance, intrinsic self doping, wide composition range, strong anti-radiation ability and long term stability. In this project, based on nanochannel-confined galvanic displacement technique, we propose and realize a new three-dimensional (3D) heterojunction solar cell composed of size-tunable (inner, outer diameters and heights of nanoutbes/nanowires) CuInS2 nanotube/nanowire arrays embedded in the cadmium-free buffer layers. Such novel 3D solar cells can realize high light trapping and enhance the effective separation and collection of electron-hole pairs. The physical mechanisms of carrier generation, transport and recombination can be well achieved by the study of carrier-excitation dynamics processes, transport and recombination of electrons and holes. We also perform experimental and theoretical research on light absorption and performances (quantum efficiency, open circuit voltage, short circuit current and conversion efficiency) change of solar cells with the geometry size, defects, crystallinity and composite of CuInS2 nanotubes/nanowires and their embedded height in the buffer layer. This study may provide the scientific basis for the design and production of high efficiency, low cost and environmentally friendly CuInS2 nano solar cells.

铜铟硫（CuInS2）薄膜太阳能电池，因其材料具有高的光吸收系数、直接带隙、好的结构缺陷容忍度、本征缺陷自掺杂、允许成分偏离化学计量比范围宽、强的抗辐射能力和长期的稳定性等特点, 被认为是最具发展前景的薄膜太阳能电池之一。本项目中，基于熟悉纳米孔道限域的原电池沉积技术，提出并实现一种由尺寸可调节（内、外径和高度）CuInS2纳米管/线阵列与无镉缓冲层构筑的新型三维异质结太阳能电池，实现高陷光，增强电子-空穴对的有效分离和收集效率。 研究光照下载流子的激发动力学过程及其在体系内部和界面处输运性质与体系微观结构的关系，获取该结构中载流子产生、输运与复合等丰富物理信息。从理论和实验上研究该纳米太阳能电池的光吸收率和电池性能参数随CuInS2纳米管/线的几何尺寸、缺陷、结晶性、成分及其在缓冲层中的嵌入深度等的变化规律，为绿色、低成本、高效CuInS2纳米太阳能电池的设计和生产提供科学依据。

有序纳米结构（如纳米线、管、点阵列）由于其优异的物理化学性质及其在光电、光伏、光催化、光传感、高密度数据存储以及自旋电子器件等方面的潜在应用价值，引起了科学界和产业界的极大关注。因此，寻求高效、低成本、可控的方法合成有序纳米材料，并研究其相应物理化学性质，将推动纳米材料在未来新型纳米器件的设计和开发方面的应用。CuInS2材料由于其直接带隙、高的光吸收系数、强的稳定性和抗辐射能力以及高的光电转化效率，被认为是薄膜太阳能电池吸收层的首选材料。.本项目中，基于熟悉纳米孔道限域的原电池沉积技术，提出并实现一种由尺寸可调节（内、外径和高度）CuInS2纳米管/线阵列膜的制备方法；研究光吸收率随CuInS2纳米管/线的几何尺寸、禁带宽度等的变化规律；研究CuInS2电池的性能参数随随电池结构参数，吸收层禁带宽度等的变化规律。本项目在执行过程中获得的主要成果包括：（1）基于多孔氧化铝模板，利用纳米通道限制原电池沉积技术，建立了一种简单的CuInS2纳米管/线阵列薄膜的生长方案，实现了CuInS2纳米结构在尺寸上的可控生长。（2）利用时域有限差分方法，研究并获得了CuInS2纳米线/管阵列光学性质随纳米结构的内、外径、壁厚、高度等的变化规律。并研究和获取了波长为750nm的TE模垂直入射到CuInS2纳米管/线阵列上，|E|2在CuInS2纳米管横截面上的分布随纳米结构参数变化的规律。（3）利用AFORS-HET软件研究和获取了基于CuInS2薄膜的太阳电池的性能（I-V曲线，开路电压、短路电流、填充因子和转化效率等）随电池结构参数，吸收层禁带宽度等的变化规律。获取了光激发条件下，电池材料的能带结构、载流子浓度、产生和复合信息。研究了基于ZnOS无镉缓冲层的CuInS2薄膜的太阳电池的性能，进一步研究、设计和开发CuInS2新型光伏、光化学等器件提供了科学依据。. 在研究过程中，共发表研究论文5篇，参加国内学术会议并做报告1次，并申请1项(审理中)发明专利。