ZnS:Mn量子点嵌入SixGe1-x光子晶体复合结构的构筑及其光学特性研究

In the project, studying the physical mechanism of light extraction and control of SixGe1-x photonic crystals for properties of ZnS:Mn quantum dots and solar spectrum and optimizing ZnS:Mn/SixGe1-x composite structure for enhanced high efficiency of silicon tandem solar cells are one of key scientific issues. The SixGe1-x three-dimensional photonic crystals are directly fabricated by colloidal crystal template-assisted electrodeposition method from ionic liquids and ZnS:Mn quantum-dot-based SixGe1-x composite materials are assembled by infiltration method. The growth mechanism of co-deposition process of SixGe1-x photonic crystals in ionic liquids is studied and the influence of deposition conditions on silicon germanium alloy band gap is discussed. The optical constants of SixGe1-x films are measured by Ellipsometer, based on an effective medium model for obtaining the dispersion relation of the SixGe1-x films. Further we study spontaneous emission from ZnS:Mn quantum dots embedded in SixGe1-x photonic crystals. The spectral distribution and time-dependent decay of light emitted from ZnS:Mn quantum dots are controlled by the host SixGe1-x photonic crystal. We will also optimize the ZnS:Mn/SixGe1-x photonic crystal intermediate reflector with inverse opal structure and make it satisfy the characteristic of selective reflection and transmission for solar spectrums. The study on the scientific issues mentioned above will lead to theoretical and technological development in the next generation solar cell photovoltaic devices.

本项目研究SixGe1-x光子晶体对太阳光谱和ZnS:Mn量子点发光的复合调控和收集光子的物理机制，优化ZnS:Mn/SixGe1-x复合结构是获得高效硅叠层太阳电池的关键科学问题。本项目将胶体晶体自组装和离子液体中电沉积法相结合，提出原位构筑反蛋白石结构SixGe1-x三维光子晶体的新方法；在此结构的空隙处填充ZnS:Mn核壳量子点组装成ZnS:Mn/SixGe1-x的复合结构。研究SixGe1-x光子晶体在离子液体中共沉积过程的生长机理，分析沉积条件对硅锗合金能带结构的影响。研究利用椭偏仪测试和拟合获得硅锗合金膜的色散关系；基于有限时域差分法模拟计算SixGe1-x光子晶体的光谱特性。研究SixGe1-x光子晶体的光子带隙对ZnS:Mn量子点的发光强度、荧光寿命的调控效应；分析此复合结构对太阳光谱的利用效率。上述科学问题的研究，为研制新一代太阳能光伏器件提供理论依据和实验基础。

利用热注入法合成了MnS/ZnS、CdSe/ZnS、Eu3+:MnS/ZnS、MnS/ZnSe、MnS/ZnSeS,以及CuInS2、CuZnInS、CuMnInS/ZnS核壳量子点，研究了量子点合成条件和组分对其晶体结构、形貌、热稳定性及发光性质的影响，也研究了量子点薄膜与电荷传输材料之间的电荷转移过程。发现ZnS厚壳层可以提高量子点的发光强度和热稳定性。在CuInS2/ZnS量子点中，随着Cu/In比例的减小，其发光效率和荧光寿命先增大后减小。在CuZnInS量子点中，Zn/Cu的摩尔比从1/5增加到3/5，其发光峰位蓝移。在CuMnInS/ZnS量子点中，由于引入Mn2+离子，导致量子点的发光效率降低、发光峰位红移、荧光寿命变短、热稳定性高。热处理可以提高量子点与TiO2膜之间的电子转移数, 量子点与MoO3界面对空穴有着更低的注入势垒。.在[EMIm]Tf2N离子液体中发现SiGe的共沉积是受扩散控制的非可逆过程。设计了一套原位光谱研究了Ge和SiGe电沉积过程，发现吸收光谱的强度随着沉积的进行而增强，Ge和SiGe膜的分别有有26 nm和 51 nm的红移。利用椭偏仪测试和拟合组分为1:1、2:1、3:1、1:2、1:3的SiGe非晶态薄膜在 310-2100 nm波长范围内的色散关系。. 提出了光子晶体量子理论的算法，发现了一维光子晶体量子阱禁带内存在光子束缚态。研究了一种新型的函数光子晶体，发现在光子晶体中引入缺陷层后的电场分布强度明显提高；并设计出了光子晶体三极管，研究了周期数、介质层厚度、折射率、入射角、泵浦光强度以及照射方式对其放大倍数的影响。.提出利用脉冲激光辅助离子液体电沉积技术，沉积出晶态的半导体材料；研究了激光能量和辐照时间对Ge,Si,SiGe,Ga材料的影响，初步探究其生长机理。发现激光能量可诱导半导体材料的生长结构，偏振影响生长取向。.通过优化PECVD的工艺参数，制备出带有ZnO:B透明导电层的PIN型非晶硅太阳能电池，其光电转化效率近9%，短路电流密度（Jsc）为11.89 mA/cm2.并构筑ZnS基量子点与孔径可调的光子晶体的复合结构，发现基于ZnS基量子点和500 nm复合光子晶体，电池的Jsc为14.17 mA/cm2；基于ZnS量子点和408 nm复合光子晶体，电池的光电转化效率达到9.72%，外量子效率近80%