薄膜太阳能电池吸收层用合金半导体纳米棒阵列催化生长及机理研究

Grain boundaries within the absorber layer of thin film solar cells become the active recombination center, which greatly decreased the power conversion efficiency. To gain thin film solar cells with high quantum efficiency, the one important strategy is constructing freeway to dissociate exciton and transfer carriers within the absorber layer. Aiming to this, the project is planned to design the microstructure of absorber layer of thin film solar cells, based on our experience in the growth of the nanowire catalyzed by Ag2S and Cu1.75SSe. The microstructure is expected to be constructed by nanomaterial arrays with continuous tunable compositions within AAO template, which are synthesized by the catalytic growth of fast ionic conductors. Furthermore, together with the design of microstructure, the controlled adjustments on the parameter of nanowire arrays, such as diameters, length, and density, will facilitate the realization of thin film solar cells with high performance. The project will provide theoretical guideline for the design and construction of absorber layer in thin film solar cells.

薄膜太阳能电池光吸收层内普遍存在的晶界成为光生载流子复合的活性中心，大大降低了电池的光电转换效率。因此，在太阳能电池光吸收层中构建有利于光生载流子分离和传输的结构和通道，是高量子效率薄膜太阳能电池的重要研究方向。本项目依据一维纳米材料的单晶特点和纵向维度特性所提供的理想载流子输送通道，结合本课题组采用快离子导体Ag2S、Cu1.75SSe等实现的一维单晶纳米材料催化生长的研究基础，针对如何构筑光生载流子复合几率低、载流子高效传输光吸收层的薄膜太阳能电池的关键科学技术问题，提出在多孔氧化铝模板中快离子导体催化生长一维CuInSxSe2-x、Cu(InxGa1-x)(SSe)2梯度单晶纳米材料阵列。结合纳米材料阵列直径、长度、密度的调控，实现光生载流子高效分离、输运的光吸收层结构设计，获得高量子效率薄膜太阳能电池。本项目的实施能够为快速分离和传输载流子的光吸收层设计和构建提供新思路和理论指导。

在吸收层材料中构建有利于光生载流子分离和传输的结构和通道，是高效太阳能电池的重要研究方向。本项目首先以有机金属盐为前驱体在有机配体作用下，采用热分解法合成出多种快离子导体Ag2S、Ag2Se、Cu2S、Cu2Se，利用快离子导体在适宜温度下具有的离子导体作用特性催化生长光吸收层材料，快离子导体催化剂首先溶解铟镓等硫化物中间产物，饱和后逐渐析出CuInS2、AgInS2、Cu(InxGa1-x)(SSe)2纳米材料；利用多孔氧化铝模板孔道控制生长出组分梯度变化的纳米材料阵列，通过组分变化和掺杂同步调控半导体纳米材料的能级结构和缺陷浓度，构建载流子快速迁移通道；以CuInS2、AgInS2、Cu(InxGa1-x)(SSe)2纳米材料作光吸收层预制层，经高温硒化后形成大尺寸晶体，晶界的减少缩小了载流子复合几率，达到高效输运的目的，获得高效太阳能电池。项目研究结果表明，薄膜太阳能电池的光电转换性能与吸光层组分和组成分布紧密相关，高温硒化热处理后晶粒与晶界在光吸收过程发挥重要作用，影响载流子复合、分离和输运全过程，因而对太阳能电池的光电转换性能有决定性影响。