具有光伏增强效应的多层次有序结构材料构筑及其在铜铟镓硒薄膜太阳电池中的应用

There is a tradeoff between the light absorption and the collections of photo-generated carriers in the thin film solar cells, which is the main bottleneck for further improving their efficiencies. Aimed to resolve this problem, the design and fabrication of the hierarchical ordered structure materials are proposed in this applicant. By introducing the hierarchical ordered structure materials into the thin film solar cells, the light absorption can be enhanced in the macroscopic ordered structures. Meanwhile, the separation efficiency of the photo-generated carriers can be enhanced in the microscopic ordered structures. Such photovoltaic enhancement based on the hierarchical ordered structure materials offers great promise for improving the conversion efficiencies of the thin film solar cells. The CIGS will be chosen as the research object. The nanoimprint lithography (NIL), molecular-assembly, and reactive-ion etching (RIE) will be employed to fabricate the hierarchical ordered structure materials. The microscopic optoelectronic separation and transport mechanisms in the nanoscale will be explored. The coupling effects among the different hierarchical ordered structure will be illustrated. The mechanisms of the photovoltaic enhancement will be clarified. The conversion efficiency of the CIGS thin film solar cell will be improved greatly based on our hierarchical ordered structure materials. The theoretical foundation and new technical methods will be established for the structural enhanced thin film solar cells.

在薄膜太阳电池中普遍存在光吸收和光电荷分离传输相互制约的问题，这成为目前阻碍进一步提高其光电转化效率的主要因素。针对这一关键问题，本项目提出设计构筑从纳米到微米的多层次有序结构材料，把宏观有序的光吸收增强和微观有序的载流子分离增强结合起来，实现多层次有序结构光电增强，全面提高薄膜太阳电池的效能。本项目以CIGS薄膜太阳电池为具体研究体系，利用纳米压印、分子组装、离子束刻蚀等微加工技术实现多层次有序结构材料的设计与构筑，深入研究纳米尺度下微观表界面光电分离与传输机制，以及不同层次结构间的耦合效应，阐明其光电增强机理；通过多层次有序结构的引入，实现CIGS基薄膜太阳电池光电效率的有效增强，为发展结构增强型高效薄膜太阳电池建立理论基础和全新的技术途径。

针对薄膜太阳电池中普遍存在光吸收和光电荷分离传输相互制约这一关键科学问题，项目提出设计构筑从纳米到微米多层次有序结构材料，把宏观有序的光吸收增强和微观有序的载流子分离增强结合起来，实现多层次有序结构光电增强，全面提高薄膜太阳电池的效能。经过四年的项目实施，项目计划书中所列各项研究目标已圆满完成。采用两种不同的技术方案进行了单靶磁控溅射法制备CIGS吸收层材料，并对其制备条件及其硒化工艺条件的探索和研究，两种技术方案所制备的CIGS吸收层材料都组配了完整的光伏器件；在此基础上还利用双靶磁控共溅射的技术方案，对制备高性能的CIGS吸收层的工艺流程进行了进一步的探索和优化，这些高质量CIGS吸收层的制备和优化为我们下一步开展纳米结构增效CIGS薄膜光伏器件奠定了较好的材料基础；在多尺度有序结构增效CIGS薄膜光伏器件的研究工作中，将高度有序的ZnO空腔结构引入到铜铟镓硒（CIGS）薄膜光伏器件中，利用高度有序ZnO空腔结构独特的光学特性实现了CIGS薄膜光伏器件的光吸收增强，对其光反射、光捕获能力进行了测试，了解了光子和微纳有序结构间的相互作用机制；利用一种简单的水热合成和离子交换的方法制备了超长超细的CdS/Cd(OH)2核壳结构纳米线，并将其利用在CIGS薄膜光伏器件中，其纳米线结构的特点使得其和CIGS吸收层具有较大的接触面积，可以有效地增加pn结的面积，可以为光生电子-空穴对提供较多的分离界面和途径。其较宽的带隙也为近紫外区光的充分利用提供了较好的条件；采用简单可靠的溶剂热法，通过改良的多元醇还原工艺，可控制备银纳米线，实现CIGS光伏器件的效率及稳定性的同步提高。如上所述，项目申请书和计划书中所列的研究目标已全部实施完成，取得了较好的研究成果，为发展有序结构材料增效薄膜太阳能电池提供了可行的方案和途径，并在项目实施过程中熟练掌握了实验方法和研究技能，梳理了研究思路，形成了新的研究思想。