基于多尺度计算的硅量子点掺杂对太阳能电池性能的影响

第三代量子点太阳能电池以其潜在的高光电转换效率，已成为太阳能电池设计与制备中的一个重要概念和研究热点。由于硅量子点相对其它的量子点具有制备工艺相对简单成熟，原材料成本低，无毒无污染等优势，同时硅基太阳能电池具有光电转换效率高、稳定性好、无毒、易获得、易沉积等特征，因此，硅量子点太阳能电池正日益受到关注。当前，该方面的理论、计算和实验还处于初级阶段，虽然对硅量子点尺寸的影响已有一些报道，但在掺杂组分的影响方面几乎还是空白。因此，本项目拟以介观尺度（原子层次）的量子点掺杂结构为核心，通过耦合微观尺度（电子层次）和宏观尺度（电池层次）建立多尺度计算方法，深入考察掺杂硅量子点其组元成分和电子结构因素对太阳能电池性能影响的规律，为高效率量子点太阳能电池的开发、设计和制备提供理论指导和参考。

第三代太阳能电池以其潜在的高光电转换效率已成为当前太阳能电池设计与制备中的一个重要概念和研究热点，但该方面的理论、计算和实验还处于初级阶段。该项目利用多尺度计算方法学从微观、介观、宏观三个层次出发研究硅量子点其电子结构因素和掺杂组元成分对太阳能电池性能的影响规律。在这一过程中，针对三个计算尺度及其耦合在理论计算与模拟方面做出了一些较有成效和影响力的工作。在微观的电子结构层面，为了阐释量子点与基体之间界面的影响以及验证多尺度计算模式的可行性，设计了多种不同的晶体界面，通过量子力学计算获得的电子态密度研究了不同界面载流子复合性能对太阳能电池的影响规律。在介观的原子尺度，为了加快分子动力学模拟的运算速度，基于硬件加速设备GPU的计算特性，设计了三种针对晶体硅的GPU算法，取得了优良的加速性能。同时基于问题、模型、软件和硬件一致性的原则建立了其高性能并行运算平台，取得了国内大规模应用程序的最高计算性能，创造了全球最快的分子动力学模拟速度。在宏观的电池尺度，开发了针对太阳能电池的半导体性能模拟程序，并对不同掺杂的硅量子点电池的光电性质进行了探索。项目共发表SCI收录论文5篇，负责人作为第一作者3篇，英文专著一部（其中一章），奖项2次，会议报告3次，其中邀请报告1次。