纳米薄膜太阳能电池的研究

本项目探索纳米技术在可再生能源领域的应用，研究基于纳米材料的新一代低成本高效率的太阳能电池。采用具有优异光电性能的一维纳米材料（如碳纳米管和半导体纳米线）制备透明导电薄膜和异质结器件，开发大面积均匀薄膜电池。项目将对纳米薄膜电池的基础问题和关键技术进行系统深入的研究，探讨异质结的特性及能带结构，控制纳米材料的电子结构和光电性能，抑制载流子的复合，优化光吸收、载流子的传输和收集等关键过程，降低薄膜内阻，从而提高电池的能量转换效率和稳定性。项目将开发具有低成本大规模生产潜力的纳米制造方法和薄膜器件工艺，使纳米材料电池的效率达到5-10%，在空气中有良好的稳定性。项目研究完全基于纳米材料的薄膜电池，具有创新性。该电池可用于建筑物、车窗玻璃的发电涂层及柔性器件，具有实际的应用及产业化前景。

碳纳米管具有优良的光电和力学性能，是开发第三代高效率、低成本太阳电池的候选材料之一。当前面临的一个首要任务是如何利用碳纳米管及其它半导体材料构建新型电池并获得良好的性能（高的能量转换效率）。本项目以制备高性能纳米材料太阳电池为目标，合成了导电、透明、均匀大面积的单壁碳纳米管薄膜以及柔性纺丝，研究了以下两个方向的应用：1）作为对电极材料应用于纤维型染料敏化或有机物电池，2）作为异质结材料与常规半导体构建新的电池结构,与碳纳米管结合的半导体包括晶体硅以及化学气相沉积法合成的CdSe纳米带等。项目取得了丰硕的成果，报道了一系列新型电池并研究了机理，包括碳纳米管-CdSe纳米带、石墨烯-CdSe纳米带、碳纳米管-CdS体相异质结、碳纳米管薄膜（或纺丝）-染料敏化（或有机物）纤维电池、碳纳米管（石墨烯）-晶体硅杂化电池等。其中，最具代表性的成果是对高效率碳纳米管-硅电池的研究。项目组建立了异质结界面控制、化学掺杂、凝胶减反层等组装方法和器件制备工艺，使得能量转换效率稳步提高到了10%以上。尤其是采用二氧化钛凝胶作为这种电池的减反层，使得外量子效率从60%提高到90%，短路电流提高了30%，电池效率分别达到15.1%（碳纳米管-硅）和14.5%（石墨烯-硅），为目前同类电池的最高水平，引领了一个小规模的研究方向。Nature杂志及多家媒体评述了这项成果。和传统硅电池相比，碳纳米管-硅电池具有简化工艺、不引入金属栅格电极等特点，其效率仍有提升的空间，是一种有产业化前景的电池结构。共计发表项目资助的SCI论文19篇（均为通讯作者），包括1篇Advanced Materials, 3篇Nano Letters, 4篇ACS Nano，3篇Nano Research及1篇EES等期刊，获得2项专利授权，培养了2名博士研究生、1名硕士研究生。