II-型能带结构复合纳米材料特性及中间带太阳能电池应用

In order to overcome the hurdle in developing intermediate band solar cell (IBSC) by traditional InAs and GaSb quantum dots (QDs), this project aims to exploit a novel hybrid (QD+QW) nanostructure with an InGaAs/InAlAs quantum well (QW) coupled to GaSb//InAlAs quantum dots (QDs) for achieving high efficient intermediate-band solar cells. The stacking hybrid (QD+QW) structures will work as active region to be monolithically integrated on InP substrates by epitaxy technology. It enables the flexibility to optimize the band alignment (band-gap, band-offset, and doping) according to IBSC design by tailoring the epitaxy growth conditions and the structure/composition parameters of the hybrid (QD+QW) structure. The carrier dynamics in this hybrid structure will be investigated by versatile optical and electrical measurements, the investigation results will work as the input of theoretical modeling for optimizing the IBSC device design. Finally, IBSC prototype devices will be fabricated and characterized. The correlation between the IBSC device performances and the hybrid (QD+QW) structures will be clarified..The unique features of this research project include : (1) the hybrid (QD+QW) nanostructure has an artificial type II band alignment that is specially designed to match with the requirements of IBSC; (2) the band alignment and the optical properties of this hybrid structure can be easily tailored via changing the growth condition and material structural parameters.It enables to increase the infra-red absorption as well as to decrease the optical recombination rate of the photon-generated carriers. It is an ideal candidate nanostructure for developing high efficiency IBSC devices.

本项目针对InAs和GaSb量子点材料在中间带太阳能电池研制中的局限性，提出研制新颖InP基(GaSb/InAlAs量子点+InGaAs/InAlAs量子阱)复合结构纳米材料，通过调控外延生长参数和材料结构组份参数，合理裁剪材料的能带结构，优化其光电特性，在深入研究光生载流子动力学过程基础上优化中间带量子点太阳能电池器件设计，制备基于新型量子混合材料的太阳电池原型器件，并确定复合材料与中间带太阳能电池光电转换参数的关联关系。项目的特色在于：(1) InP基(GaSb/InAlAs量子点+InGaAs/InAlAs量子阱)复合结构纳米材料是针对中间带太阳能电池理论设计要求而提出的一种新颖的纳米材料，具有独特的人造II-型能带结构；(2)通过独立裁剪材料的能带结构和及光电特性，既可以提高对红外波段辐射的吸收又同时降低光电载流子的复合，是为中间带量子点太阳电池器件量身定做的理想材料。

以量子点引入中间能带来制备中间带太阳电池是光伏研究领域的热点之一，但是常用InAs量子点的光生载流子容易辐射复合，而GaSb量子点的光吸收效率较低，限制了量子点中间带太阳电池应用。针对传统量子点材料在中间带太阳能电池研制中的局限性，本课题研制出多种具有独特II-型能带结构的量子点与量子阱的复合结构材料，既提高了对红外波段辐射的吸收，又同时降低光载流子的复合，为开发中间带量子点太阳电池器件提供了新的材料。主要研究内容集中于采用不同分子束外延生长模式制备得到量子复合结构材料，实现II型能带结构调控及深入了解材料内的光生载流子动力学过程，在此基础上制备量子混合材料的太阳电池原型器件，研究复合结构材料对电池性能的影响。课题取得的主要结果和科学意义包括：（1）制备了多种量子复合结构纳米材料，包括InP基 (GaSb/InAlAs量子点+InGaAs/InAlAs量子阱)和(InAs/AlAsSb量子点+GaAs/AlAsSb量子阱)、GaAs基(GaSb/GaAs量子点+InGaAs/GaAs量子阱)、(InAs/GaAsSb量子点+GaAsSb/GaAs量子阱)。这些复合结构材料具有独特的II-型能带结构，既可以提高对红外波段辐射的吸收，又降低光生载流子的复合几率。（2）研究了光生载流子的激发、弛豫、复合等动力学过程和激子局域化特性，为太阳电池器件的设计和优化提供了依据。（3）制备出(GaSb/GaAs量子点+InGaAs/GaAs量子阱)/GaAs复合结构材料和(InAs/AlAsSb量子点+GaAs/AlAsSb量子阱)/InP复合结构材料的电池器件，评估了复合结构材料中间能带对电池性能的影响，揭示出量子材料引入的非辐射复合中心和开路电压的降低仍是影响电池性能的主要因素。本课题获得的研究结果不仅为量子点中间带研究提供了直接的实验和理论依据，还为开发其他新颖光电器件提供了新的思路和材料选择。