【文章內容簡介】 預期取得的進展、 項目預期取得的進展、 預期取得的進展 突破及其科學價值： 突破及其科學價值： 電轉換效率為主線，進行納米光伏材料制備和器件研究。課題的內容包括了對新 型納米材料和結構的設計， 材料中光電轉換過程和光在材料中的傳輸特性和頻譜 特性的調控研究。通過對納米材料和結構薄膜的設計、制備、特性和功能調控的 綜合研究，在理論上弄清納米材料和結構薄膜中光電轉換的機理，通過對關鍵科 學問題的解決和關鍵性原理的認識，實現(xiàn)納米材料和結構薄膜在設計、制備、方 法和光電轉換性能等方面的創(chuàng)新和突破。 實施本項目將使我國在光電轉換基礎研究的源頭掌握核心知識和關鍵技術， 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構 制備、設計，及核心原理和技術的掌握上顯著縮小與工業(yè)發(fā)達國家的差距。在面 臨復雜和競爭日趨激烈的形勢下，通過研究取得新一代光伏領域的持續(xù)創(chuàng)新能 力，并通過所形成的研究平臺和團隊不斷產(chǎn)生原創(chuàng)性，具有自主知識產(chǎn)權的研究 成果，以滿足包括產(chǎn)業(yè)在內的國家在光伏領域不斷增大的需求。 因為一些基本原理和方法帶有相當?shù)钠毡樾裕?研究中產(chǎn)生的對納米材料和結 構薄膜中光電過程原理的新認識、 結構設計和制備的新方法， 將能夠被有效地用 于第三代光伏器件和其他納米技術領域，尤其在光電子器件研究領域。 具體的考核指標和人才培養(yǎng)計劃 通過本項目的實施將產(chǎn)生一系列具有自主知識產(chǎn)權的原創(chuàng)性成果， 其主要形 式是方法、材料、原型器件、論文和專利。同時形成一支活躍在光伏領域的優(yōu)秀 團隊和未來更深層次上承擔國家光伏研究任務的平臺。 通過人才隊伍的培養(yǎng)為國 家光伏領域的研究和產(chǎn)業(yè)輸送本領域的碩士和博士。具體形式和指標如下。 1 獲得 10 種以上納米光伏薄膜材料樣品 其中包括： 10 種以上納米量子點材料，部分材料穩(wěn)定量子效率達到 50％； 3 種以上介孔材料。 2 提高光伏效率的器件和方法 具有自主知識產(chǎn)權，基于納米結構對光電轉換特性調控的方法； 具有自主知識產(chǎn)權，基于納米結構對光傳輸和頻譜特性調控的方法； 10 種結構新穎的光伏器件，5 種轉換效率在 10％以上，2 種在 2025％以上。 3 論文和專利 在國內外雜志發(fā)表 SCI 和 EI 研究論文 50 篇以上。 申請專利 40 項以上，成果鑒定 5 項以上。 4) 人才隊伍建設 形成由 30 位教授、研究員和副教授、副研究員構成的光伏領域光電子研究 人才隊伍，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) 研究平臺建設 通過本重大專項的支持和對現(xiàn)有分散的實驗條件的整合， 形成跨研究所和大 學的研究網(wǎng)絡平臺，完善上海太陽能研究與發(fā)展中心的建設。平臺將成為我國光 伏研究的中心，為我國對潔凈能源的需求解決核心科學技術問題。 三、研究方案 學術思路： 再利用 學術思路 利用納米材料和結構的優(yōu)良光子俘獲性能俘獲光子能量， 異質結電場突變的整流效應或 pn 結的內建電場將電子和空穴分開而形成光伏效 應。 攻關目標： 取得具有自主知識產(chǎn)權降 攻關目標 通過對五個關鍵科學問題的深入研究， 低光伏器件成本和提高光電轉換效率的方法， 取得一系列具實用價值和前景的納 米光伏太陽能轉換技術，為太陽電池的應用提供技術積累。 創(chuàng)新點： 創(chuàng)新點：主要體現(xiàn)在關鍵科學問題的提煉、學術思路、技術途徑和子課題間 合作模式四個方面。 1 學術思路方面－我們的學術思路是將納米結構同異質結或薄膜 pn 結組合 起來，利用各自的優(yōu)勢實現(xiàn)高效率的光伏轉換。納米材料和結構具有非常強的光 子俘獲能力，因此量子點常被稱為“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現(xiàn)光伏效應。傳統(tǒng)的太陽電池是借 助 pn 結內建電場實現(xiàn)這一過程的，但這對納米結構來說有一定難度。我們將通 過納米復合結構材料體系和器件結構的創(chuàng)新設計構筑界面電勢和內建電勢場。 同 時，充分利用納米材料的帶隙可變特性進行全光譜光電轉換，以及利用納米材料 對雜散光的高俘獲性能實現(xiàn)陰天條件下光伏轉換。 2 技術途徑方面－實現(xiàn)上述學術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，我們選擇半導體量子點作為光子俘獲材料，利用薄膜硅 pn 結的內建電場，納米硅/多晶硅界面勢壘，CdSe/ TiOCdSe/ZnO 等異質結勢 壘突變驅動電子和孔穴的擴散。具體的材料涉及到納米 Si、CdSe、CdTe 量子點， TiOZnO 等導電透明材料以及廉價的多晶硅等作為電子和空穴的通道。這在實 現(xiàn)納米結構光伏器件的技術途徑上是創(chuàng)新。 3 關鍵科學問題的提煉－為實現(xiàn)上述學術思路和技術途徑， 本項目組成員經(jīng) 過反復討論和爭論， 在前期工作的基礎上提出了實現(xiàn)納米結構光伏器件應用必須 解決的 5 個關鍵科學技術問題，并提出了相應的解決思路。這 5 個關鍵科學技術 問題也是制約納米結構材料應用于光伏轉換的主要障礙。 通過本項目的實施將能 形成克服這些障礙的解決方案。 實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獲 得高效光伏轉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施本課題時子課題間的 合作模式：圍繞同一個總目標，采取同一個學術思路，不同的技術途徑尋找提高 光電轉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、異質結和 pn 結薄膜都將在子課題之間共享。 針對各課題組的研究目標和內容設立研究方案， 將采用以下技術路線和可行 性方案開展研究： 第一部分：具有高光電轉換性能的納米材料和結構的設計和制備 第一部分：具有高光電轉換性能的納米材料和結構的設計和制備 主要思路是：利用量子點薄膜的優(yōu)越“光子天線”性能俘獲光子，再利用異質 結的勢壘突變和 pn 結的內建電場將電子和空穴分開而行成光伏效應。第一部分 工作旨在為實現(xiàn)這一思路設計和制備納米材料和結構，是本項目的基礎。 1 納米硅薄膜材料的生長 等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)是一種廉價、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、反應氣壓、沉積時間，以及后退火等，可以調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，改善有效摻雜來實現(xiàn)。 生長大面積納米硅薄膜材料的襯底大都采用導電玻璃，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多晶硅的生長，可利用這一技術將納米硅生長 在多晶硅材料上形成突變結。 2 量子點 介孔材料復合結構薄膜的設計和制備 量子點/介孔材料復合結構薄膜的設計和制備 將采用化學溶液法， 以很低的成本制備各種類型的量子點。 化學溶液法制備 CdSe 量子點有著和分子束外延法制備的量子點相同的光學和電學性能，而其方 法本身具有物理高真空方法無法替代的優(yōu)點：設備簡單、成本低廉。表面包覆鈍 化層可以提高量子點的熒光效率和抗光褪色能力。 常用的包覆材料有有機絡合劑 和寬禁帶（相對于 CdSe 體材料）無機材料。相比較而言，無機材料包覆的量子 點具有更高的穩(wěn)定性，也使植入固態(tài)結構中工作的量子點具有更好的適應性。 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包覆層材料。ZnS 包覆的 CdSe 量子點（CdSe/ZnS 核殼量子點）顯示出增強了的帶邊熒光和室溫下高達 50%的量子熒光效率。在非 水溶劑中，量子點 ZnS 包覆層的制備一直采用有機鋅、有機硫化合物為前驅體， 在 CdSe 核生成反應完成后，加入前驅體進行熱解，控制反應條件，實現(xiàn) ZnS 在 CdSe 核上生長。在用溶劑熱方法制備 ZnS 材料時，控制反應條件可以實現(xiàn)材料 在襯底表面生長。用這種方法制備 CdSe/ZnS 核殼量子點的 ZnS 包覆層反應條 件溫和，成本也低。 采用“化學剪裁”方法，將模板合成法、solgel 過程和電化學方法相結合制備 高活性、孔徑分布均一的 TiOZnO 介孔粉體和介孔膜?？紤]到量子點結構薄 膜的導電性要求，將選擇 ZnO 和 TiO2 兩種介孔材料來組裝 CdSe、CdS 和 CdTe 量子點。針對 Zn2+具酸、堿敏感性的特點，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、濃度或共聚反應時 HEMA/EGDMA 的配比來控制 ZnO 介孔材料的孔徑大小。研究 Zn 前驅體與所選的添加劑、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。此工作擬分兩步進行。首先將金屬醇鹽熱解 法無機半導體量子點生長工藝和溶熱法相結合，在 ZnO 介孔孔道中原位合成、 組裝半導體量子點。采用真空技術、超聲化學、Schlenck 技術等將已制備的尺寸 可控的半導體量子點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 體量子點復合材料，通過摻雜提高材料對可見光的響應。復合納米結構中導電的 納米線作為半導體納米 TiO2 復合薄膜光陽極的“內部納米導線”有可能降低電極 的內部電阻，實現(xiàn)光生電荷的快速傳輸與分離。預期該類半導體與導電的納米管 （線）復合材料會具有新的光電轉換特性。 3 面向寬光譜光電轉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行光電轉換，光譜利用率不 高，影響了轉換效率。用