基于多元硫属合金半导体纳米材料的太阳能电池制备及其性能研究

由于合金半导体材料在新型可调谐光电子器件上的重要应用，半导体合金纳米结构已成为半导体纳米材料和器件领域的研究热点和近期的主要发展方向之一。本申请在已成功制备CdSxSe1-x,ZnxCd1-xSe，Cu-Bi-S等新型一维多元硫属合金半导体纳米结构的基础上，采用竖直衬底移动沉积技术在透明导电基底上制备出CdSxSe1-x合金组份沿ZnO纳米线表面径向呈梯度分布的核-多壳层纳米线薄膜阵列，研究这种复合纳米结构中壳层组份与禁带宽度，光学性质以及光伏响应之间的渐变关系；研究该复合结构薄膜电极的光电化学性能和光伏太阳能电池性能；基于以上n-型复合结构与p-型铜基窄带隙合金半导体(如：Cu-Bi-S和Cu2ZnSnS4)的结合，构造PN双结叠层太阳能电池，并研究这种叠层太阳能电池的基本性能参数(如：I-V曲线，量子效率和光电转换效率等)，为设计高性能的光伏太阳能电池提供指导和实验依据。

纳米合金半导体由于其可调谐的禁带宽度，在新型光电子及微纳能源器件方面有重要的潜要在应用。本项目以多元硫属合金半导体纳米材料为基础，探索硫属合金半导体材料在光电能源器件方面的应用，系统研究了其作为光电化学太阳能电池吸收层的优缺点。实验证明合金硫化物，如:CdSxSe1-x, Cu(InxGa1-x)S2等这些合金材料的光吸收性能和由相关材料构筑的光伏器件的光电转换性能与其化学组份有密切的关系，同时揭示了不同硫属合金化合物光电化学太阳能电池中光生电荷分离与复合效率。初步建立了ZnSe/CdS/ZnSe@TiO2等多重敏化宽光谱半导体光伏薄膜的光管理模型。我们系统研究了CdSSe体系以及CdSTe体系与TiO2纳米线阵列所构成的异质结材料的光电转换性能，系统研究了Cu(InxGa1-x)S2系列薄膜器件的光电性质，成功制备出具有中间带隙的Ti掺杂的CuGaS2并表现出了优良的光电性能。在纳米半导体光电化学太阳能利用方面提出了一种集析氧电催化与吸光基质为一体来综合提升复合异质结光化学电池性能及稳定性的新方法。研究表明通过在CdS/TiO2光电极表面修饰一层具有自修复能力的立方烷结构Co-Pi，可以将复合光电极的光电转换效率提高至纯TiO2的3.4倍，同时其持续工作能力依然保持在初始时刻的72%，这种方法类似于植物光合作用的析氧过程，通过人工控制界面反应动力学过程来提高CdS/TiO2电极材料的光电转换效率和抗光腐蚀能力。在改良TiO2及其复合结构材料的空穴传输性能方面做出了初步尝试并取得可靠的实验结果，我们发展的Co-Pi可以在较宽的PH值范围内较大地提升TiO2的光电性能。这些工作对研制具有自主知识产权的高转换效率光电化学太阳能光伏器件提供了一定的实验依据，也为本课题小组在未来科研方面起到了很好的导向作用。