硅纳米线能带弯曲的尺寸效应对太阳能光电转换性能的影响

因其优异的减反射性能，硅纳米线在太阳能电池、太阳能光催化等太阳能光电转换应用领域被寄以厚望。从目前该领域的研究现状看，硅纳米线太阳能电池尚未显示出与其优异减反射性能相称的光电转换效率，也尚未达到块体硅电池的水平。因此，探索影响硅纳米线太阳能光电转换器件效率的因素，从而提高硅纳米线太阳能光电转换器件的性能具有非常重要的现实意义。目前硅纳米线太阳能光电转换领域的研究主要集中于其优异减反射性能的应用以及电荷收集方式的设计。对此现状，本课题拟进行以下研究：（1）从尺寸角度入手，构造硅纳米线内部能带弯曲的尺寸效应模型；（2）研究能带弯曲程度对载流子寿命和硅纳米线导电性能的影响，进而研究能带弯曲尺寸效应对光电转换性能的影响，从而建立硅纳米线太阳能光电转换应用中的尺寸效应模型；（3）在尺寸效应模型基础上构造具有二级结构的新型硅纳米线太阳能电池原型，旨在提高硅纳米线太阳能电池性能。

本项目研究硅纳米线能带弯曲的尺寸效应对硅纳米线光电转换性能的影响。我们发现，虽然硅纳米线的反射率随着硅纳米线直径的减小而降低，硅纳米线的性能却随之先升高再降低。研究表明，硅纳米线的直径越大，其可容纳的能带弯曲越大，将更有利于光生电子和空穴的分离。另一方面，我们发现硅纳米线表面缺陷态密度对其光电转换效率有重要影响。在当外加电势接近平带能级时，硅纳米线的能带弯曲程度很小，能带弯曲程度可不受硅纳米线的尺寸限制。此时表面缺陷态可俘获硅纳米线内部产生的电子空穴对并使之复合，降低了电流-电压曲线的开路电势和填充因子。我们揭示了形貌因素对硅纳米线表面缺陷态密度的影响；合成了硅纳米线/石墨烯复合结构降低硅纳米线内光生载流子的复合，复合结构光电转换效率是硅纳米线的5倍；合成硅纳米线/硫化钼复合结构，通过硫化钼电催化剂提高硅表面化学反应速度使电子快速通过硅纳米线表面而降低它被表面缺陷态俘获的几率。硅纳米线/硫化钼复合结构的光电转换效率是硅纳米线的57倍。此外，我们合成开发了电化学制备硅纳米线/金核壳结构的方法；开发了低成本大规模制备硅纳米线的方法；以及硫化物、硒化物半导体颗粒的可控合成方法。