【文章內(nèi)容簡介】 預(yù)期取得的進(jìn)展、 項(xiàng)目預(yù)期取得的進(jìn)展、 預(yù)期取得的進(jìn)展 突破及其科學(xué)價(jià)值： 突破及其科學(xué)價(jià)值： 電轉(zhuǎn)換效率為主線，進(jìn)行納米光伏材料制備和器件研究。課題的內(nèi)容包括了對新 型納米材料和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)， 材料中光電轉(zhuǎn)換過程和光在材料中的傳輸特性和頻譜 特性的調(diào)控研究。通過對納米材料和結(jié)構(gòu)薄膜的設(shè)計(jì)、制備、特性和功能調(diào)控的 綜合研究，在理論上弄清納米材料和結(jié)構(gòu)薄膜中光電轉(zhuǎn)換的機(jī)理，通過對關(guān)鍵科 學(xué)問題的解決和關(guān)鍵性原理的認(rèn)識(shí)，實(shí)現(xiàn)納米材料和結(jié)構(gòu)薄膜在設(shè)計(jì)、制備、方 法和光電轉(zhuǎn)換性能等方面的創(chuàng)新和突破。 實(shí)施本項(xiàng)目將使我國在光電轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)研究的源頭掌握核心知識(shí)和關(guān)鍵技術(shù)， 明顯提高我國的光伏研究水平， 使我國在面向新一代光伏器件的納米材料和結(jié)構(gòu) 制備、設(shè)計(jì)，及核心原理和技術(shù)的掌握上顯著縮小與工業(yè)發(fā)達(dá)國家的差距。在面 臨復(fù)雜和競爭日趨激烈的形勢下，通過研究取得新一代光伏領(lǐng)域的持續(xù)創(chuàng)新能 力，并通過所形成的研究平臺(tái)和團(tuán)隊(duì)不斷產(chǎn)生原創(chuàng)性，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的研究 成果，以滿足包括產(chǎn)業(yè)在內(nèi)的國家在光伏領(lǐng)域不斷增大的需求。 因?yàn)橐恍┗驹砗头椒◣в邢喈?dāng)?shù)钠毡樾裕?研究中產(chǎn)生的對納米材料和結(jié) 構(gòu)薄膜中光電過程原理的新認(rèn)識(shí)、 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備的新方法， 將能夠被有效地用 于第三代光伏器件和其他納米技術(shù)領(lǐng)域，尤其在光電子器件研究領(lǐng)域。 具體的考核指標(biāo)和人才培養(yǎng)計(jì)劃 通過本項(xiàng)目的實(shí)施將產(chǎn)生一系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的原創(chuàng)性成果， 其主要形 式是方法、材料、原型器件、論文和專利。同時(shí)形成一支活躍在光伏領(lǐng)域的優(yōu)秀 團(tuán)隊(duì)和未來更深層次上承擔(dān)國家光伏研究任務(wù)的平臺(tái)。 通過人才隊(duì)伍的培養(yǎng)為國 家光伏領(lǐng)域的研究和產(chǎn)業(yè)輸送本領(lǐng)域的碩士和博士。具體形式和指標(biāo)如下。 1 獲得 10 種以上納米光伏薄膜材料樣品 其中包括： 10 種以上納米量子點(diǎn)材料，部分材料穩(wěn)定量子效率達(dá)到 50％； 3 種以上介孔材料。 2 提高光伏效率的器件和方法 具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，基于納米結(jié)構(gòu)對光電轉(zhuǎn)換特性調(diào)控的方法； 具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，基于納米結(jié)構(gòu)對光傳輸和頻譜特性調(diào)控的方法； 10 種結(jié)構(gòu)新穎的光伏器件，5 種轉(zhuǎn)換效率在 10％以上，2 種在 2025％以上。 3 論文和專利 在國內(nèi)外雜志發(fā)表 SCI 和 EI 研究論文 50 篇以上。 申請專利 40 項(xiàng)以上，成果鑒定 5 項(xiàng)以上。 4) 人才隊(duì)伍建設(shè) 形成由 30 位教授、研究員和副教授、副研究員構(gòu)成的光伏領(lǐng)域光電子研究 人才隊(duì)伍，并培養(yǎng)約 50 余名優(yōu)秀青年科研人才（博士、碩士研究生） 。 5) 研究平臺(tái)建設(shè) 通過本重大專項(xiàng)的支持和對現(xiàn)有分散的實(shí)驗(yàn)條件的整合， 形成跨研究所和大 學(xué)的研究網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，完善上海太陽能研究與發(fā)展中心的建設(shè)。平臺(tái)將成為我國光 伏研究的中心，為我國對潔凈能源的需求解決核心科學(xué)技術(shù)問題。 三、研究方案 學(xué)術(shù)思路： 再利用 學(xué)術(shù)思路 利用納米材料和結(jié)構(gòu)的優(yōu)良光子俘獲性能俘獲光子能量， 異質(zhì)結(jié)電場突變的整流效應(yīng)或 pn 結(jié)的內(nèi)建電場將電子和空穴分開而形成光伏效 應(yīng)。 攻關(guān)目標(biāo)： 取得具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)降 攻關(guān)目標(biāo) 通過對五個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題的深入研究， 低光伏器件成本和提高光電轉(zhuǎn)換效率的方法， 取得一系列具實(shí)用價(jià)值和前景的納 米光伏太陽能轉(zhuǎn)換技術(shù)，為太陽電池的應(yīng)用提供技術(shù)積累。 創(chuàng)新點(diǎn)： 創(chuàng)新點(diǎn)：主要體現(xiàn)在關(guān)鍵科學(xué)問題的提煉、學(xué)術(shù)思路、技術(shù)途徑和子課題間 合作模式四個(gè)方面。 1 學(xué)術(shù)思路方面－我們的學(xué)術(shù)思路是將納米結(jié)構(gòu)同異質(zhì)結(jié)或薄膜 pn 結(jié)組合 起來，利用各自的優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)高效率的光伏轉(zhuǎn)換。納米材料和結(jié)構(gòu)具有非常強(qiáng)的光 子俘獲能力，因此量子點(diǎn)常被稱為“光子天線”。但俘獲光子產(chǎn)生電子空穴對還不 夠，還需要將電子和空穴在空間上分開才能實(shí)現(xiàn)光伏效應(yīng)。傳統(tǒng)的太陽電池是借 助 pn 結(jié)內(nèi)建電場實(shí)現(xiàn)這一過程的，但這對納米結(jié)構(gòu)來說有一定難度。我們將通 過納米復(fù)合結(jié)構(gòu)材料體系和器件結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)構(gòu)筑界面電勢和內(nèi)建電勢場。 同 時(shí)，充分利用納米材料的帶隙可變特性進(jìn)行全光譜光電轉(zhuǎn)換，以及利用納米材料 對雜散光的高俘獲性能實(shí)現(xiàn)陰天條件下光伏轉(zhuǎn)換。 2 技術(shù)途徑方面－實(shí)現(xiàn)上述學(xué)術(shù)思路需要考慮具體材料和方法。 根據(jù)我們前 期工作的積累和經(jīng)驗(yàn)，我們選擇半導(dǎo)體量子點(diǎn)作為光子俘獲材料，利用薄膜硅 pn 結(jié)的內(nèi)建電場，納米硅/多晶硅界面勢壘，CdSe/ TiOCdSe/ZnO 等異質(zhì)結(jié)勢 壘突變驅(qū)動(dòng)電子和孔穴的擴(kuò)散。具體的材料涉及到納米 Si、CdSe、CdTe 量子點(diǎn)， TiOZnO 等導(dǎo)電透明材料以及廉價(jià)的多晶硅等作為電子和空穴的通道。這在實(shí) 現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)光伏器件的技術(shù)途徑上是創(chuàng)新。 3 關(guān)鍵科學(xué)問題的提煉－為實(shí)現(xiàn)上述學(xué)術(shù)思路和技術(shù)途徑， 本項(xiàng)目組成員經(jīng) 過反復(fù)討論和爭論， 在前期工作的基礎(chǔ)上提出了實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)光伏器件應(yīng)用必須 解決的 5 個(gè)關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題，并提出了相應(yīng)的解決思路。這 5 個(gè)關(guān)鍵科學(xué)技術(shù) 問題也是制約納米結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用于光伏轉(zhuǎn)換的主要障礙。 通過本項(xiàng)目的實(shí)施將能 形成克服這些障礙的解決方案。 實(shí)用光伏器件目前依然是體硅材料和少量薄膜材 料的天下。納米材料用于光伏器件無疑有許多新的問題，利用納米材料和技術(shù)獲 得高效光伏轉(zhuǎn)換首先必須解決這些問題。 4 各子課題合作模式－經(jīng)多次討論和爭論提出了實(shí)施本課題時(shí)子課題間的 合作模式：圍繞同一個(gè)總目標(biāo)，采取同一個(gè)學(xué)術(shù)思路，不同的技術(shù)途徑尋找提高 光電轉(zhuǎn)換效率的方法和手段。圍繞各子課題的特色，本課題所涉及的三類材料： 納米材料，電子/空穴傳輸材料、異質(zhì)結(jié)和 pn 結(jié)薄膜都將在子課題之間共享。 針對各課題組的研究目標(biāo)和內(nèi)容設(shè)立研究方案， 將采用以下技術(shù)路線和可行 性方案開展研究： 第一部分：具有高光電轉(zhuǎn)換性能的納米材料和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制備 第一部分：具有高光電轉(zhuǎn)換性能的納米材料和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制備 主要思路是：利用量子點(diǎn)薄膜的優(yōu)越“光子天線”性能俘獲光子，再利用異質(zhì) 結(jié)的勢壘突變和 pn 結(jié)的內(nèi)建電場將電子和空穴分開而行成光伏效應(yīng)。第一部分 工作旨在為實(shí)現(xiàn)這一思路設(shè)計(jì)和制備納米材料和結(jié)構(gòu)，是本項(xiàng)目的基礎(chǔ)。 1 納米硅薄膜材料的生長 等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)是一種廉價(jià)、高效的薄膜生長方法，現(xiàn) 廣泛用于制備非晶硅薄膜。通過一定的生長條件控制，如濺射功率、生長溫度、 氫稀釋比、反應(yīng)氣壓、沉積時(shí)間，以及后退火等，可以調(diào)控生長過程中氫原子與 硅原子的相互作用，從而控制等離子體密度及成膜細(xì)微過程，生長均勻有序納米 硅薄膜材料，使室溫電子遷移率超過 100 cm2/Vs。這部分的工作主要面向提高納 米晶薄膜的性能，包括低成本，大面積、快速生長（生長速率～2nm/s）的納米 薄膜的厚度和晶粒大小的控制，缺陷和漏電流的抑制。這些均可以通過提高等離 子體激發(fā)頻率改變電子能量分布，加快氣體源分解，改善有效摻雜來實(shí)現(xiàn)。 生長大面積納米硅薄膜材料的襯底大都采用導(dǎo)電玻璃，根據(jù)本課題的需要還 將在多晶硅襯底上制備可控的納米硅薄膜。導(dǎo)電玻璃的表面是比較穩(wěn)定的，但多 晶硅的表面有一層 SiO2 薄膜， 這里需要特別關(guān)注的是納米硅薄膜同多晶硅襯底之 間的界面。前期研究已完成了廉價(jià)多晶硅的生長，可利用這一技術(shù)將納米硅生長 在多晶硅材料上形成突變結(jié)。 2 量子點(diǎn) 介孔材料復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜的設(shè)計(jì)和制備 量子點(diǎn)/介孔材料復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜的設(shè)計(jì)和制備 將采用化學(xué)溶液法， 以很低的成本制備各種類型的量子點(diǎn)。 化學(xué)溶液法制備 CdSe 量子點(diǎn)有著和分子束外延法制備的量子點(diǎn)相同的光學(xué)和電學(xué)性能，而其方 法本身具有物理高真空方法無法替代的優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡單、成本低廉。表面包覆鈍 化層可以提高量子點(diǎn)的熒光效率和抗光褪色能力。 常用的包覆材料有有機(jī)絡(luò)合劑 和寬禁帶（相對于 CdSe 體材料）無機(jī)材料。相比較而言，無機(jī)材料包覆的量子 點(diǎn)具有更高的穩(wěn)定性，也使植入固態(tài)結(jié)構(gòu)中工作的量子點(diǎn)具有更好的適應(yīng)性。 ZnS 的禁帶寬度為 ， CdSe 為 eV， 而 它們之間的晶格失配約為 %。 ZnS 是研究得最多的無機(jī)包覆層材料。ZnS 包覆的 CdSe 量子點(diǎn)（CdSe/ZnS 核殼量子點(diǎn)）顯示出增強(qiáng)了的帶邊熒光和室溫下高達(dá) 50%的量子熒光效率。在非 水溶劑中，量子點(diǎn) ZnS 包覆層的制備一直采用有機(jī)鋅、有機(jī)硫化合物為前驅(qū)體， 在 CdSe 核生成反應(yīng)完成后，加入前驅(qū)體進(jìn)行熱解，控制反應(yīng)條件，實(shí)現(xiàn) ZnS 在 CdSe 核上生長。在用溶劑熱方法制備 ZnS 材料時(shí)，控制反應(yīng)條件可以實(shí)現(xiàn)材料 在襯底表面生長。用這種方法制備 CdSe/ZnS 核殼量子點(diǎn)的 ZnS 包覆層反應(yīng)條 件溫和，成本也低。 采用“化學(xué)剪裁”方法，將模板合成法、solgel 過程和電化學(xué)方法相結(jié)合制備 高活性、孔徑分布均一的 TiOZnO 介孔粉體和介孔膜?？紤]到量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)薄 膜的導(dǎo)電性要求，將選擇 ZnO 和 TiO2 兩種介孔材料來組裝 CdSe、CdS 和 CdTe 量子點(diǎn)。針對 Zn2+具酸、堿敏感性的特點(diǎn)，采用中性或弱酸、堿性條件，采用 非離子型表面活性劑或共聚物 gel 為模板劑合成 ZnO 介孔粉體和介孔膜。通過 改變表面活性劑的種類、濃度或共聚反應(yīng)時(shí) HEMA/EGDMA 的配比來控制 ZnO 介孔材料的孔徑大小。研究 Zn 前驅(qū)體與所選的添加劑、螯合劑、溶劑、PH 值 及模板劑（含量、組成和劑量）間的關(guān)聯(lián)，制備介孔尺度分布均一、排列整齊的 ZnO 介孔基底，用于定位量子點(diǎn)。此工作擬分兩步進(jìn)行。首先將金屬醇鹽熱解 法無機(jī)半導(dǎo)體量子點(diǎn)生長工藝和溶熱法相結(jié)合，在 ZnO 介孔孔道中原位合成、 組裝半導(dǎo)體量子點(diǎn)。采用真空技術(shù)、超聲化學(xué)、Schlenck 技術(shù)等將已制備的尺寸 可控的半導(dǎo)體量子點(diǎn)直接組裝到已修飾的 ZnO 介孔孔道中。 此外，將利用陽極氧化、電泳沉積、電沉積等方法制備納米管（線）/半導(dǎo) 體量子點(diǎn)復(fù)合材料，通過摻雜提高材料對可見光的響應(yīng)。復(fù)合納米結(jié)構(gòu)中導(dǎo)電的 納米線作為半導(dǎo)體納米 TiO2 復(fù)合薄膜光陽極的“內(nèi)部納米導(dǎo)線”有可能降低電極 的內(nèi)部電阻，實(shí)現(xiàn)光生電荷的快速傳輸與分離。預(yù)期該類半導(dǎo)體與導(dǎo)電的納米管 （線）復(fù)合材料會(huì)具有新的光電轉(zhuǎn)換特性。 3 面向?qū)捁庾V光電轉(zhuǎn)換的多帶隙光伏材料 現(xiàn)有的太陽電池只局限對一定波長范圍的光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，光譜利用率不 高，影響了轉(zhuǎn)換效率。用