高效Si基杂质中间带太阳电池材料及新型光电转换机理研究

高效(>50%)、低成本的Si基太阳能电池是全球关注的焦点，其实现的关键在于全光谱的利用。已有的思路是利用不同带隙宽度的材料制作叠层太阳电池，但是叠层电池内部易产生光激发死层，且存在电流匹配问题。相比之下，Si基杂质中间带将可见与红外波段响应兼容一体，无需电流匹配，器件制作简单。同时由于双光子接力吸收，在提高电流的同时，保持高的开路电压，可有效提高电池转换效率。.本课题将利用杂质工程探索实现Si基杂质中间带高光电转换效率的新型材料，采用离子注入或溅射方法在Si材料上实现深能级杂质有效可掺的非平衡生长方法和共掺技术，突破Mott相变极限形成半填满杂质中间带；通过测量基质材料和深能级中心对太阳能辐射光谱光电转换相关的电学和光学特性参数，研究杂质中间带材料的载流子传输过程和新型光电转换机制，包括影响载流子发射截面与俘获截面差异的物理机制；进而得到提高Si基太阳电池对近红外波段响应的方法与途径。

高效(>50%)、低成本的Si 基太阳能电池是全球关注的焦点，其实现的关键在于全光谱的利用。Si 基杂质中间带将可见与红外波段响应兼容一体，无需电流匹配，器件制作简单。同时由于双光子接力吸收，在提高电流的同时，保持高的开路电压，可有效提高电池转换效率。.本课题探索了利用杂质工程以实现 Si 基新型杂质中间带材料及器件的方法及途径，共计发表SCI文章10篇，EI文章1篇，申请专利5项，授权1项，全面完成了项目立项之初的各项指标。取得的主要成果如下：.1）利用细致平衡理论，研究了中间带位置、母体材料带隙等对硅基中间带电池效率的影响；利用修正SRH理论，研究了钛分别处于A能级（Ec-0.271eV）和B能级（Ev+0.255eV）时掺钛晶硅太阳电池的杂质光伏效应。发现在未形成杂质带前，由于这两个能级的电子和空穴的俘获截面较大），随着掺杂浓度的提高，尽管近红外响应有所增加，但器件可见光响应下降。.2）采用离子注入结合快速热退火，在单晶硅中制备出Ti掺杂浓度超过Mott相变浓度的硅基材料，并制作了横向pin结构的重掺杂Ti晶硅光电探测器，观察到1000-2000nm波段明显的响应，进而首次实验证实了高浓度Ti掺入硅材料后，能够对太阳的红外光谱产生光电响应。然而，实验中也观察到该材料对于太阳光谱可见光区域响应的明显下降，认为与未达到Mott相变浓度高掺杂的Ti带尾相关。.3）利用共溅射方式在非晶硅材料中制备了高掺Ti的非晶硅材料，系统研究了Ti的引入对a-Si薄膜材料的结构、光学及电学特性的影响。研究发现，少量Ti的引入，可以补偿非晶硅中的部分悬挂键，使非晶硅悬挂键密度下降、有序度提高，而Ti含量高于2%时，大部分Ti进入带尾，导致光学带隙下降、有序度变差。.4）利用UHV/CVD技术，对硅基量子点中间带材料及器件的研制进行了探索。发现Ge量子点引入后，QE红外波段响应增加，短路电池提高，而开压下降，电池效率降低。 低温下，在p型掺杂量子点电池中观察到明显的开压回复现象，与InAs/GaAs中间带量子点体系现象相似。研究认为，开压回复与低温复合中心抑制有关。