运用量子尺寸效应和杂质中间带提高硅基太阳电池效率的研究

硅是可大规模应用太阳电池的首选材料，但其带隙为1.1eV，太阳光中的近红外和近紫外光子能量不能被充分吸收利用，有效响应光谱仅在500-1000nm范围。本项目针对超越Shockley-Queisser效率极限获得高效率Si基太阳电池的关键问题，探索利用硅基纳米结构实现宽光谱响应的途径。拟采用我们发展的可控纳米硅制备技术，获得尺寸在3-10nm纳米硅，利用量子尺寸效应调控其带隙，制备出不同尺寸纳米硅多层结构以拓宽其光谱响应范围，特别是对紫外-可见光的利用；采用CVD、溅射或离子注入在Si材料上实现深能级杂质有效可掺的非平衡生长方法和共掺技术，突破Mott相变极限形成半填满杂质带，探索提高Si基太阳电池对近红外波段响应的方法及途径。同时研究纳米Si光生载流子经电介质实现高效隧道输运的方法途径；研究对纳米硅掺杂和纳米图形减反衬底的制备与应用，进而研制全硅基太阳能电池原理性器件结构实现宽光谱吸收。

本项目是利用具有量子尺寸效应的纳米硅材料和杂质中间带材料，来拓宽和提高硅基太阳电池的吸收和响应光谱，发展新型的太阳电池结构。项目取得了以下研究成果：1、利用PECVD技术结合热退火和激光晶化等手段制备出了高密度的纳米硅量子点结构多层结构，纳米硅尺寸最小可控制在2nm左右；提出了结合使用KPFM和CAFM定量研究在纳米尺度下纳米硅量子点中的电荷注入和传输特性的新方法，发展了相应的模型，获得了注入纳米硅的电荷面密度的定量结果。 2、在p型单晶硅衬底上连续沉积制备了p-i-n电池器件结构，面积约为1 cm2。观测到了电池的响应光谱随着纳米硅尺寸的相应变化，在280-1000nm的光谱范围内利用纳米硅量子点多层膜可以使得平均吸收率明显提高。3、发展了纳米小球刻蚀技术获得了具有良好减反效果的纳米图形硅衬底，结合纳米硅量子点多层结构，最高的加权平均吸收率可达到90.3%，从实验上说明了亚波长图形化结构可以实现宽光谱的减反和吸收增强。利用纳米图形衬底制作了异质结与量子点太阳电池，电池的特性相对于平整衬底电池有明显的提高，其中纳米硅量子点电池的转换效率达到9.7%。进而发展了化学腐蚀技术获得可大面积制作的图形衬底，提高了纵横比，电池效率进一步提高到11.4%。4、提出了渐变带隙的纳米硅量子点电池结构，利用渐变带隙进一步拓宽电池的响应光谱范围，结合纳米陷光图形结构使得电池的转换效率达到12.8%。我们同时也在廉价的玻璃衬底上，提出利用激光诱导晶化技术，获得了全硅的p-i-n电池结构，观测到了光伏效应，电池的开路电压为475mV，而短路电流密度则是0.2mA/cm2。5、采用离子注入结合快速热退火技术，成功地在单晶硅中制备出Ti掺杂浓度超过Mott相变浓度（5.9x1019/cm3）的硅基杂质中间带材料，制作了相应的光电探测器样品，在太阳辐射谱的近红外光1000-2000nm波段观察到明显的响应。6、制备了硅基Ge量子点薄膜中间带材料及太阳电池原型器件。器件在1200－1600nm红外波段QE响应显著提高了1－2个数量级。在研究的基础上，共发表论文47篇，其中在包括OE、Scientific Reports、APL, Nanoscale等在内的SCI论文45篇，申请和获得授权国家发明专利8项。