超薄金属电极的彩色/透明太阳能电池研究

The study on colored/transparent solar cells is an innovation and expand of the silicon solar cells and thin-film solar cells, which diversifies the applications of the solar cells and widens the study of the solar cells. The transparent electrod based on ultrathin metals is of great importance for the colored/transparent solar cells. In this project, ultrathin metal electrods including the formation property of the films, doping property of the metal materials, design of the metal elctrodes and so forth, will be deeply and systematically investigated and the tansparent electrode with high transmission and low resisitance will be prepared. The optoelectronic and optical properties of the colored/transparent solar cells will be systematically explored to build the evaluation mechanism of the general features and based on the particle swarm optimization method, the design platform for the colored/transparent solar cells is constructed, which optimizes the optical property and the optoelectronic property simutaneously. With the help of this design platform, taking the advantage of the relevant principles and effects(localized surface plasmon resonance, induced effect by high refractive index material, confinement effect of the light, anti-reflection effect by graded index profile), the solar cell with the specific structure will be designed, which can achieve relatively high conversion efficiency by increasing the absorption and present the featured transmission/reflection spectrum to realize the colored/transparent solar cell. So this work can have groundbreaking significance for the new multifunctional solar cells.

彩色/透明太阳能电池研究是对现有晶硅太阳能电池、薄膜太阳能电池的创新和拓展，实现了太阳能电池的多样化用途，为太阳能电池研究拓宽了广度。而超薄金属透明电极又是彩色/透明太阳能电池中至关重要的一环。本项目对超薄金属电极展开深入而系统的研究，涵盖金属材料成膜特性、金属材料掺杂特性、金属电极设计等，从而制备出高透过率低阻抗的透明电极。本项目对彩色/透明太阳能电池的光电特性和光学特性进行系统性探究，建立总体特性的评价机制；借助粒子群优化算法，搭建同时优化光学特性和光电特性的彩色/透明太阳能电池设计平台。利用相关原理和特性（局域表面等离子体谐振、高折射率介质诱导、光线会聚限制效应、渐变折射率减反等），基于上述设计平台，设计特殊光学结构，既确保太阳能电池较高的光电转换效率，又具有特定的反射/透射光谱，从而实现彩色/透明太阳能电池功能，并从实验上进行论证。本研究工作对于新型多功能太阳能电池领域具开创意义。

彩色/透明太阳能电池研究是对现有晶硅太阳能电池、薄膜太阳能电池的创新和拓展，实现了太阳能电池的多样化用途，为太阳能电池研究拓宽了广度。本项目研究了超薄金属透明电极以及彩色/透明太阳能电池的关键膜层技术及其影响，结果表明TiO2或ZnS层单独替代ZnO作为电子传输层并不可取，而TiO2/ZnO的膜层替代是可行的，而合适的退火温度及时间，则可以大大提高器件性能，使得替代后的器件与标准器件性能接近。而空穴传输层MoO3层的厚度，对器件特性有一定影响，很大程度上是由其光学吸收性能的改变引起的，因此在MoO3层厚度一定时，可以通过整个器件的膜系设计达到高光学吸收，从而保证器件效率。提出了Ag-SiOx-Ag薄膜结构来实现不同波长的谐振从而得到不同的结构颜色。通过合适的SiOx材料满足其折射率与Ag材料的消光系数吻合，三基色（青品黄）可以得到。提出了一种反射式红绿蓝三基色辐射制冷滤光片，从仿真和实验测试两个角度讨论了三种颜色滤光片在可见光波段的镜面反射光谱、在可见近红外波段的吸收/辐射光谱以及在中远红外波段的吸收/辐射光谱，还提出了一种基于紧凑薄膜结构的辐射制冷太阳能电池，该辐射制冷太阳能电池结构简单，制备方法简便，在不影响其基本太阳能电池的最优光电转换效率的情况下，大幅降低太阳能电池工作温度，提高太阳能电池的性能稳定性，扩展太阳能电池的使用寿命。设计并研究了不同结构的彩色/透明太阳能电池，制备了光电效率高达20.6%的钙钛矿/有机太阳能电池器件。本研究工作对于新型多功能太阳能电池领域具开创意义。