InGaN/GaN中间带光伏电池能带工程的理论、工艺及其在聚光技术中应用的研究

With the rapid development, the massive photovoltaics applications cost has decreased to 0.112 $/kWh, as lower as the average electricity price in the United State. The high efficiency third-generation photovoltaic has great potential to further drive the wide commercial applications. Benefit from the adjustable energy bandgap, the high light absorption coefficient, the high electron mobility, and the stable chemistry/physics properties, the InGaN/GaN quantum dot becomes a powerful candidate for developing intermediate band photovoltaics. .We propose to study the InGaN/GaN intermediate band photovoltaics. Our plan focuses on the interband-intraband transition theory, sub-10 nm Top-down process and the concentration technology. The innovations lie on the quantum theory applications and developments in GaN materials system and the scientific design discipline and easy-handle process. This novel optoelectronic device will push researches on breaking the efficiency bottleneck of Si photovoltaics, and also has potential applications in harsh environments such as high-dose-rate irradiation, large temperature difference, strongly corrosion and high energy demand.

随着光伏技术的迅猛发展，大规模光伏发电成本已经降至每千瓦时11. 2美分，低于美国平均电价。更高效率的第三代光伏电池将为大规模商业应用提供充沛驱动力。得益于可调节的禁带宽度、高的光吸收系数和电子迁移速率，以及稳定的化学物理特性，InGaN/GaN量子点成为研制中间带光伏电池的理想材料。.申请者提出研制一种新型的InGaN/GaN中间带光伏电池，并着重解决能带工程的带内-带间量子跃迁机制、sub-10 nm Top-down工艺、和聚光技术中的应用等数个关键问题。主要创新在于深化量子能带工程在GaN体系的理论研究和应用拓展，并为InGaN/GaN中间带光伏电池的研制提供科学的设计定律和易操作的工艺制程。该器件将为硅基光伏电池突破理论极限提供技术参考，且在高辐照、大温差、强腐蚀、高能量密度需求等特定环境中有潜在应用价值。

中间带太阳能电池是一种备受瞩目的第三代太阳能带电池。得益于可调节的禁带宽度、高的光吸收系数和电子迁移速率，以及稳定的化学物理特性，InGaN/GaN量子超晶格成为研制中间带光伏电池的理想材料。本项目旨在研制一种新型的InGaN/GaN中间带光伏电池，并着重解决器件能带理论、Top-down工艺、和聚光技术等数个关键的科学和技术问题。.项目的开展为InGaN/GaN 中间带太阳能电池的设计提供了一套包含压电本构方程-泊松-薛定谔方程组的器件理论模型，首次揭示了太阳能电池中光跃迁的皮秒级动态过程、非均匀压电光电子学效应和压电极化-等离子激元耦合效应等新的物理机制；发展了金属有机物外延生长工艺和Top-down微纳器件加工工艺的完整技术方案，研制了原型InGaN/GaN 中间带太阳能电池器件，器件性能达到同类器件的国际先进水平；首次提出并证实了了压电电子学-等离子激元耦合增强技术，光电流增幅达到40%，为太阳能电池性能增强提供了有效、低成本的全新技术路线。该项目的实施不仅加深了人们对第三代太阳能电池中光电转换物理机制的理解和认识，更重要的是提供了氮化物太阳能电池的理论设计、器件加工和表征的完整方案，在空间太阳能应用中有潜在应用价值。.项目执行期间，在Nature Communications、Science Advances等权威期刊发表标注基金支持的论文31 篇，其中影响因子10以上21篇，引用975次，申请专利4项。研究成果引起了国内外学术界广泛关注，项目负责人应邀在美国MRS 2019春季会议做讲座，并在AsiaNano 2018、MRS 2017、ENGE2016等5个重大国际学术会议上做邀请报告。.