V-Ga共掺TiO2光伏吸光层材料光电性能及器件研究

One of the new developments in photovoltaic device is the fabrication of the oxide heterojunction solar cell，which has the prominent advantages of abundant reserves, environment-friendly, resistance to oxidation and high stability. In this project, we plan to fabricate high quality TiO2 thin film with an intermediate band gap by employing a precise molecular beam epitaxial technique through adjusting the V-Ga co-doping ratio,and then produce a V-Ga:TiO2/Cu2O heterojunction by the epitaxial growth. With combination of multi analysis techniques, such as synchrotron radiation X ray absorption near edge spectrometry, ultraviolet photoelectron spectrometery, high resolution transmission electron microscopy and high resolution deep level transient spectroscopy, the doped-atom occupation, impurity level, defect types and their effects on the electric transport will be investigated systematically. The interfacial atom diffusion and the variation of chemical valence bonds will be also studied to understand the origination of the interface defects and interface states, which provides the foundation for reducing the carrier recombination at the interface, and thus enhances the photoelectric conversion efficiency. Finally, the prototype device will be fabricated and tested. A series of core technologies with independent intellectual property will be developed.

全氧化物异质结太阳能电池具有储量丰富、环境友好、抗氧化性，稳定性好等突出优点，是光伏器件的一个新的发展方向。采用高精密分子束外延技术（MBE）调控V-Ga共掺比例获得具有中等带隙高吸收系数的高质量TiO2薄膜，并通过外延生长制备V-Ga:TiO2/Cu2O异质结。结合同步辐射近边X-射线吸收谱、紫外光电子能谱、高分辨透射电镜、高分辨深能级瞬态谱仪等大型设备测试手段，研究薄膜中掺杂原子占位、杂质能级、缺陷类型对电输运性质的影响，并分析异质结界面原子间结合的化学价键和界面价带能的变化，理解界面缺陷及界面态的成因。探索消除和减少载流子在薄膜和界面复合的方法,为提高异质结光伏器件光电转化效率提供基础。完成异质结电池原型器件的制备和测试，并获得一系列具有自主知识产权的核心技术。

TiO2具有低成本、储量丰富、抗氧化性，稳定性好等突出优点，是能源和环境应用中的一个重要的环境友好材料。本项目主要主要研究TiO2自身不同混合晶相的界面生成、氧化钛与其他金属氧化物构成异质结的界面，及其对光吸收、催化产氢性能、氢气气敏特性的影响，和在太阳能电池中的应用。具体研究成果如下：.1、.制备了TiO2（B）二维超薄纳米片，研究了量子点anatase在TiO2（B）表面的取向生长和界面调控。在无助催化剂条件下产氢效率比P25提高23倍。能带结构分析表明，导带底到氢的氧化还原势距离高达0.9 eV， 为电子提供了足够的驱动力。.2、.通过调控前驱体中盐酸的浓度，实现了锐钛矿/金红石相TiO2异质结界面的调控。给出了界面面积与产氢效率及荧光强度的直接对应关系，提出了异质成核生长界面调控机制，解释了异质结界面并不随混合相相对比例增加而增大，而是存在一个W型关系。界面面积最大时对应产氢效率最高。.3、.通过水热法实现了亚纳米尺度Co3O4在超薄TiO2（B）薄膜表面生长。研究结果表明，当Co3O4团簇尺度降低到亚纳米尺度，TiO2(B) / Co3O4异质结的能带结构从II型转变成了I型，Co3O4团簇导电类型也由P型转变成能N型，在光解水过程中还原成金属钴，获得可替代Pt的光催化性能。.4、.通过制备不同表面暴露晶面的TiO2纳米棒阵列，研究其表面吸氢和放氢机制，获得了室温极低探测极限浓度下的高灵敏度响应。通过理论计算和实验相结合，将吸放氢过程分解成四个步骤，提出了氢气敏响应的新机制。.5、.研究了V-Ga共掺杂和对TIO2能带结构的影响。当V和Ga以等比例共掺时，费米能级位于禁带中间，为本征半导体，相应禁带宽度降低了25%。Mn 有效掺杂可以将TiO2的光吸收谱扩展到可见光波段，有效的提高了可见光波段催化降解性能。探索了LiF修饰TIO2表面对染料吸附性能的影响，分析了染料吸附机理。.6、.研究了以TIO2作为界面层和n型电子传输层，获得高质量Bi基钙钛矿光吸收层。组装的太阳能电池效率达到1.64%，成为目前世界铋基太阳能电池的最高纪录。