基于量子结构的高效太阳电池及其光电转换机理

量子结构太阳电池已成为第三代新机理高效太阳电池研究的热点。基于量子结构的太阳电池中,光吸收、载流子产生、复合、分离和输运过程是决定其光电转换效率的关键因素。通过综合考虑热载流子热化、碰撞电离和俄歇等量子过程的微观机制，研究这些过程对内量子效率的影响。以此为基础，提出一个可减少热载流子能量损失并能充分利用太阳光谱的新型高效量子结构太阳电池的结构模型。通过基于量子效应的理论分析和建模，运用数值计算，模拟其光电转换特性。基于细致平衡理论分析计算其理论效率极限，为量子结构太阳电池的实验研究提供理论依据。量子结构太阳电池是多尺度复合系统，对其中载流子输运等微观过程的理论分析、建模和计算是一个复杂问题，但对研发新概念量子结构太阳电池至关重要。采用多尺度模拟方法进行数值计算，研究量子结构太阳电池光电转换相关过程影响电池效率的机理，通过电池结构优化设计，探索提高量子结构太阳电池效率的新途径、新方法。

背景和方向：晶硅太阳电池的实验室效率和商品化效率日益接近其理论和工艺极限，再提升的难度很大。探索基于新机理、新结构的新型髙效太阳电池已成为太阳能光电转换领域的国内外研究前沿热点，被认为是太阳电池未来发展方向。量子结构太阳电池是其中最具挑战性的一种，其光电转换机理的分析基于量子力学原理，理论依据准确、可靠，制备工艺也更加复杂精细，对其进行理论和实验研究都具有很重要的科学意义和应用价值。本课题的基本思想是将太阳电池可看作光子、载流子、声子、激子等粒子在微观、介观和宏观尺度间运动和转化的复合系统，以多粒子系统的量子物理和统计力学、固体电子学为基本理论依据，采用理论分析和数值模拟相结合的方法，通过研究太阳电池光电转换过程中的载流子输运规律，探索提高太阳电池光电能量转换效率的新的微观机理，建立一种新型髙效太阳电池理论模型，为实验研究提供依据。.主要内容：（1）第一原理计算和有效质量近似相结合，量子输运、半经典输运模型、经典输运模型相结合，采用多尺度策略进行模拟计算，研究量子结构尺寸对其子带、载流子倍增机理和热载流子驰豫过程影响；（2）基于理论分析和模拟计算结果，建立一种具有量子结构的太阳电池光电转换过程的数学模型；（3）通过细致平衡分析，计算其最大理论效率；（4）结合具体材料和结构，深入研究热载流子热化机理，探索提高热载流子能量利用率以提高光电转换效率的材料、模型结构。.主要结果：（1）非晶硅薄膜电池。数值模拟表明，背接触势垒高度和n层掺杂浓度是pin结太阳电池外部特性参数和转换效率的敏感参数，对电池性能有显著影响；背表面反射率的增加对电池性能的改善有一定的贡献，从0.2增至1.0时，短路电流和效率的增幅分别为7.2%和7.4%；背接触界面载流子表面复合速率、n层厚度、n层迁移率隙和载流子迁移率等参数对电池性能的影响甚微。（2）电极材料ZnO纳米线。第一原理计算结果显示，纤锌矿结构ZnO（0001）纳米线具有宽直接带隙,其价带顶和导带底均位于布里渊区G点，导带电子和价带空穴的有效质量较大，它们的迁移率非常低，表明纯的无缺陷ZnO（0001）纳米线的导电能力很弱；随直径增加，其带隙逐渐减小，从1.942 eV降至 1.421 eV，这意味着在纳米尺度范围内其量子尺寸效应明显。进一步将研究ZnO纳米线的电子结构与其光吸收、载流子输运、复合的影响。