GaN/InN（QD）量子点复合结构载流子倍增太阳能电池材料与器件研究

太阳能电池未来发展与广泛应用的关键是提高效率和降低成本。最新研究结果表明，在有机/无机量子点复合体系中，一个高能光子可以激发窄禁带半导体量子点产生多个激子。这一单光子激发多个激子的载流子倍增过程，将可能成为发展新型、高效太阳能电池的新方案。然而如何将量子点中产生的倍增载流子取出是目前人们所面临的严峻课题。本项目提出利用无机半导体p-n结内建电场强、载流子迁移率高，有利于倍增激子离化合和载流子取出的优势，开展GaN/InN（QD）体系p-i-n结构太阳能电池材料的MOCVD生长研究，量子点中倍增载流子的激发机制、激子离化机制、能量转移与驰豫过程等物理规律研究，相关过程调控研究，以及载流子倍增太阳能电池原理型器件研制等。预期本项目的研究将在揭示新规律、设计新结构、发展新型太阳能电池器件等方面取得突破，并通过取得核心自主知识产权，为我国新型、高效太阳能电池的发展奠定基础。

太阳能电池未来发展与广泛应用的关键是提高效率和降低成本。最新研究结果表明，在有机/无机量子点复合体系中，一个高能光子可以激发窄禁带半导体量子点产生多个激子。这一单光子激发多个激子的载流子倍增过程，将可能成为发展新型、高效太阳能电池的新方案。然而如何将量子点中产生的倍增载流子取出是目前人们所面临的严峻课题。本项目针对目前有机/无机量子点体系中，单光子激发量子点中倍增激子难于离化与取出等问题，提出利用无机半导体p-n 结内建电场强、载流子迁移率高，有利于倍增激子离化和载流子取出的优势，开展GaN/InN（QDs）体系p-i-n 结构太阳能电池研究。本项目的主要研究内容包括，GaN材料，InN量子点，GaN/InN(QDs)载流子倍增复合结构材料以及GaN/InN(QDs)太阳能电池器件结构的MOCVD生长研究；GaN/InN(QD)体系利于倍增载流子离化和取出的物理机理研究；GaN/InN（QD）p-i-n 结构载流子倍增太阳能电池原理型器件研制。项目实施过程中取得的主要研究进展包括： 采用“三步合并”的方法生长了高质量GaN外延层，详细研究了生长参数对GaN材料质量的影响，并将GaN材料制备成MIS型探测器，通过对探测器性能表证，验证了材料质量。优化InN量子点生长参数，获得了密度可控，大小分布均匀的InN量子点。在高质量GaN材料以及InN生长研究的基础上，生长了GaN/InN量子点复合结构并实现了GaN/InN量子点复合结构太阳能电池器件结构的MOCVD生长；对GaN/InN(QD)体系利于倍增载流子离化和取出的物理机理进行了深入分析，设计并成功研制GaN/InN（QD）p-i-n 结构载流子倍增太阳能电池原理型器件。项目实施期间，在Advanced Materials, Applied Physics Letters, Nanoscale research letters、半导体学报等国内外学术期刊上共发表SCI、EI检索论文18篇。申请国家发明专利4项，获得授权1项。培养博士研究生4名，硕士研究生1名。