【基金标书】2011CB201600-宽光谱高效薄膜太阳电池的基础研究

项目名称： 宽光谱高效薄膜太阳电池的基础研究 首席科学家： 戴松元 中国科学院合肥物质科学研究院 起止年限： 托部门： 中国科学院 二、预期目标 项目总体目标 面向国家对洁净能源的重大战略需求，选择具有材料丰富、环保和良好研究基础的高性价比薄膜太阳电池为突破点，通过深入研究，将在以下方面获得突破性进展，达到国际领先或先进水平，使光伏发电在国家能源布局中占有重要地位。 前沿的基础研究成果 本项目将发展高稳定、宽光谱吸收的高效电池用关键材料，全面揭示电荷分离、 输运和复合机理，建立高效宽光谱薄膜电池光管理的理论模型，宽谱高效薄膜电池设计模型，深刻认识实用化电池中效率与稳定性的内在联系，揭示工作环境对组件性能的影响机制，为真正实现薄膜太阳电池的大规模光伏发电应用，提供科学依据和技术基础。 高水平技术研究成果 探索研究拥有自主知识产权的高效染料敏化太阳电池制备技术，效率高于15%；研发面积大于 300率达 10%的染料敏化太阳电池组件及产业化制备关键技术，获得使用寿命 20 年以上制备技术路线。研发基于全光谱利用的新型硅基薄膜吸收材料体系和宽光谱新型透明导电薄膜，探 索研究具有自主知识产权的全光谱高效硅基薄膜叠层太阳电池制备技术，效率高于 提供可实现产业化的技术方案。培养和造就一批年富力强薄膜太阳电池领域的学术带头人和高素质研究团队，提高我国在薄膜太阳电池领域的科学研究水平和技术创新能力，建立有国际影响力的研究平台，满足节能减排重大国策及可再生能源普及应用的重大需求。 五年预期目标 (1) 利用自主知识产权的纳米结构和有机光电功能材料实现转换效率达15%的染料敏化太阳电池，实现基于凝胶电解质电池转换效率达 13%的染料敏化太阳电池和基于有机空穴传输材料转换效率达 8%的全固态染料敏化太阳电池。 (2) 建立染料敏化太阳电池微观尺度界面电荷转移、复合及传输的完整动力学模型，为提升器件效率提供理论指导。 (3) 完成电池组件制备中关键设备的研制，获得使用寿命 20 年以上，工业制作成本低于 元 /峰瓦的染料敏化太阳电池组件 技术路线 （面积大于300率达 10%）及产业化制备关键技术。 (4) 建立高效全光谱硅基薄膜太阳电池基于全面 “光管理工程 ”的理论模型及其实现途径与方案，获得适于宽光谱高效硅基薄膜电池的透明导电薄膜。 (5) 基于能带工程和高效全光谱硅基薄膜太阳 电池的模拟计算，构建适于宽谱吸收硅基薄膜光伏材料体系及其制备技术。 (6) 利用具有自主知识产权的新型光伏材料，获得宽光谱高效硅基薄膜电池，转换效率 上，提供可实现产业化的技术方案。 在国内外杂志发表 00篇以上，申请专利 20项以上，培养博士生和硕士生 80 名，培养和造就 5 名优秀学术带头人，形成若干个在相关领域中有研究特色和国际影响的研究团队。 三、研究方案 面对国家对洁净能源的重大战略需求，紧密围绕高性价比薄膜太阳电池在基础研究和规模化应用中所面临的若干关键问题，从材料学、 物理、化学、纳米科学以及电子学等多学科交叉的角度，充分利用原有的工作基础，在染料敏化太阳电池和硅基薄膜太阳电池的研究上取得突破。电池效率与稳定性是项目成果的集中体现。为了最终实现薄膜太阳电池的实用化，本项研究必须做好以下四方面的工作：一是宽谱吸收染料敏化太阳电池和硅基薄膜电池用关键新型材料的研究，二是先进光管理设计、电池机理和界面动力学的研究，三是高效电池和组件结构的设计、优化计算与低成本的实现，四是组件关键材料与环境稳定性的关联机制。本项目的总体研究思路如下图所示： 1、 染料敏化太阳电池研究 1） 宽谱吸收染料敏化太阳电池关键材料的研究 基于量子力学原理的电子结构方法，利用密度泛函理论方法、含时密度泛函理论（ 法，包括最近发展起来的解析能量梯度算法，把 考虑电解质（ 液的环境效应，研究染料基态及激发态所具有的电子结构性质， 通过定量分析分子基态和激发态的分子轨道先进光管理和界面动力学 组件材料与稳定性 高效电池结构设计 宽谱吸收关键材料 全光谱高效薄膜电池 成分、电子云密度分布、原子电荷布居和总电荷等性质，从微观上了解吸收和发射光谱性质以及吸收和发射过程中的跃迁机制，探索染料分子结构对其光 谱的微观机制的影响规律，为实验上的材料设计提供理论指导，缩短染料开发周期。 研究基于多吡啶钌基配合物的宽谱吸收染料分子，通过对联吡啶配体进行功能化修饰，可以获得对太阳光更高吸收效率的敏化剂；通过合理分子结构的调控可以获得高摩尔消光系数的全有机染料，在前期研究基础上，研究更强电子给体，比如以吡咯为核心的电子给体，结合前期开发的高摩尔消光系数、良好自组装行为的 单元和氰乙酸受体，实现吸收光谱显著红移、增大光吸收、提高电池效率。 加强探索研究高效量子点敏化剂的开发：通过湿化学合成制备系列 子点材料，如 现对材料化学组分、形状和尺寸的控制，采用共价键分子连接、化学浴沉积以及连续离子层吸附反应等方法实现量子点在纳晶电极上的高效沉积，进一步提高量子点材料在纳晶薄膜电极表面的覆盖率，通过尺寸控制实现量子点与纳晶电极之间的最佳能级匹配，引入共敏化染料调节电荷的注入，通过光电调制技术研究电荷的传输机理，发展新的可代替碘对的空穴传输材料等，开展进一步提高量子转换效率的研究。 用一维氧化钛材料或其阵列结构、反蛋白石等三维有序网络结构来改善电子传导的路径，提高薄膜光散射 性，提高电池的光电转换效率：用水热法制备氧化钛纳米线，此纳米线长从几个微米到几十个微米，甚至更长，外径小，热稳定性高。用不同含量的氧化钛纳米线和纳米颗粒混合制备浆料，制备成工作电极，氧化钛纳米线均匀地分布在纳米颗粒中，能在薄膜顶端收集的电子直接通过一根纳米线传导到基底，更有效的收集电子。减小薄膜的孔洞率，提高染料的吸附量；用水热法制备氧化钛纳米带。研究适用于大面积太阳电池的基于斜式透明纳米管阵列的多孔薄膜电极，这种新型纳米管具有光吸收强，电子扩散长度长，阻挡层薄，可以正面光入射等优点，将会有效地提升染料敏化 太阳电池的光电转换效率。可控、宏量制备基于一维 导体单晶纳米线阵列的高比表面介孔薄膜表面包覆、致密的超宽带隙半导体金属氧化物或绝缘体钝化半导体电极。 高性能多孔薄膜半导体的电子结构计算和物理图像模拟：借助日渐成熟的现代量子化学计算方法和材料计算软件，通过已经开发的模型模拟分子在半导体纳米晶表面的姿态以及染料分子吸附在纳米晶表面的电子态分布，探索染料分子在半导体纳米晶表面的自组装姿态、染料分子的能级变化等对半导体纳米晶的电子态的影响规律。 通过部分 +整体的方法和动力学手段研究光电稳定性。将染料、 解质和 料 +解质、电解质 +料 +电解质等。通过动力学手段结合原位拉曼、红外等表征手段，研究最小系统中的稳定性因素，找出小体系最薄弱的环节，研究 从分子角度出发，研究材料分子微观结构与宏观理化性能间的关系；从材料角度出发，明确材料不同特性对 终通过分子结构的设计对材料的各项理化性能加以调控，得到 体可分以下几个方面： a. 研究联苯类液晶晶体生长动力学特性以 及其在固化液体电解质过程中自组装成晶原理；通过分子结构设计对联苯类液晶分子官能团进行修饰及改造，研究不同分子结构对液晶的结构、形貌及液晶电解质中的电荷输运影响；通过理论计算分析液晶电解质中液晶结构对陷光性能的影响，并筛选出适用 b. 高空穴迁移率的无挥发快离子导体材料的研究。以咪唑啉、吡咯啉等为阳离子，以四氰基硼酸根、双氟磺酰胺等为阴离子设计合成新型离子液体，通过对所得材料进行组分、结构和微尺度凝聚态物性表征，引入纳米团簇改变离子液体的传输特性，从而获得高离子迁移率的软物质，达 到提升电荷传输效率的目的。 c. 通过改变凝胶剂的量实现对准固态电解质微观结构和热稳定性的控制，通过检测准固态电解质的微观自组装三维网络结构，检测新型固态电解质的溶液 凝胶转变温度 (了解准固态电解质的固化机理，对电导率随温度变化的关系进行理论拟合，分析准固态电解质中碘离子的传输机理，制备基于准固态电解质的电池器件，优化电池的各项工艺参数，研究电池的电流 /电压特性。 d. 通过密度泛函计算研究有机空穴材料分子结构对空穴输运性能的影响，通过分子剪裁对有机空穴输运材料的结构进行精细能级调控，发展先进的固态离 子型有机空穴输运材料，实现离子和空穴双向传输，从而大幅提高电荷迁移率。 e. 通过电化学快扫描循环伏安法加速老化铂电极，对比自然老化铂电极，找出两种老化方法对电极产生影响的异同。通过检测铂电极的微观结构，研究铂对电极表层薄膜成分的变化。对 、添加剂等 作用 对铂电极的老化分析测试，明确各组分对铂电极老化性能造成的影响，最终得到明确的铂电极老化机理。同时降低载铂量，提高铂电极催化活性，延长铂电极的使用寿命。 2） 电池机理和界面动力学的研究 以高性能染料敏化太阳电池为研究对象，利用电 /光 调制阻抗技术，研究器件电压 /电流对施加正弦电压信号的响应，获得载流子输运与复合的关键物理参数，如：纳米 导体薄膜化学电容、电子寿命、扩散系数、扩散长度，纳米受限环境中无溶剂离子液电解质和有机空穴输运材料的载流子输运电阻和扩散系数，纳米尺度界面电荷转移电阻和电容；在稳态光照基础上，对器件施加正弦光调制信号，测量其电压或电流响应，获得介孔 导体纳晶薄膜中电子寿命、扩散系数、扩散长度等物理参数；对上述器件入射稳态的背景光，在此基础上施加快速的方波扰动光，测量器件光电压或光电流的衰减过程，得到纳米尺度 导体薄膜中电子的复合速率常数、化学电容等物理信息。将上述三种技术相结合，可以深入研究染料敏化太阳电池中载流子输运的工作机理。 染料敏化太阳电池内部存在至少 7个接触界面和 2个扩散薄层，每个界面和薄层之间电荷转移速度对应一个动力学常数。染料敏化太阳电池体系的动力学常数涉及时间范围非常广，大约在 100有动力学常数之间匹配电池才能实现能量的输出。要使染料敏化太阳电池最大限度的输出能量，各个动力学常数需要进行互相调控。电子收集的速率常数与电子复合速率常数差决定开路电压大小，而各个动 力学常数的最慢步骤限定着短路电流的大小。我们将建立一个涉及到 9个时间常数的动力学模型，将各个动力学常数的决定因素、边界条件和变化范围综合考虑，并且将界面动力学常数与宏观参数如开路电压、短路电流、填充因子和电池效率等结合到一起，对电池的界面动力学进行调控。通过计算机模拟找出限制电池效率瓶颈，获得电池最佳运行状态时各个参数的最佳范围。确定各个动力学常数的最优范围；通过技术手段来调整或优化电池中 2个薄层和 7个界面，加快电子传输和转移速度，电子收集和扩散速度，降低电池中有负面影响的电子复合速率，最终达到接近理论上的 能量最大输出。 3） 高效电池和组件结构的设计与优化计算 采用热注入法等湿化学合成法制备 量子点材料，改变反应温度、气氛、反应物配比等控制量子点材料的生长，实现对产物形貌和尺寸的控制，采用巯基羧酸等双功能团分子连接实现量子点在纳晶电极上的高效沉积，采用化学浴沉积或者连续离子层吸附反应等方法直接在纳晶薄膜电极表面生成量子点，通过 “种子层 ”等方法提高量子点材料在纳晶薄膜电极表面的覆盖率，通过形貌及光吸收性能测试研究量子点与纳晶薄膜电极的吸附，通过尺寸控制实现量子点与纳晶电极之间的最佳能级 匹配，引入共敏化染料调节电荷的注入，通过电化学阻抗谱、调制光电压（流）谱等光电调制技术的研究提高器件性能。 探索制备一维纳米材料的最佳实验条件，研究微观结构对染料吸附性质以及电池性能的影响，用光电调制技术研究载流子的传输以及在界面上的分离、复合等反应动力学。建立基于一维纳米材料光阳极结构的电池模型，分析材料参数对过拟合得到优化参数。选择合适的双功能分子对碳纳米管表面改性，改性碳纳米管对 过形貌和光吸收性能研究获得高吸光性能的光阳极并应用到太阳电池上。 通过在光阳极上增加上下转换材料，使紫外或红外光转变成可见光，增加染料对光的吸收。探索研究引入阴极敏化，增加光的吸收。 通过理论对电池电场的性质进行研究，结合经典的 得电池组件能量产生、损失与收集的数学模型，通过模拟研究电池组件在各种几何结构下的能量损失。经优化设计后的电池组件将能 量 达到损失最小、输出最大。为高效率大面积电池组件制作提供理论指导，为电池工业化应用提供依据。 4） 组件关键材料与环境稳定性的关联机制 研究实用化宽谱吸收染料敏化太阳电池关键材料和密封材料。开展组件密封和稳定性的 研究，通过新工艺技术对组件进行改进和提高。为了使该项技术走向实用化，拟采用以下的技术途径解决未来产业化生产急需的关键材料和技术： a) 大面积陷光结构纳米半导体多孔薄膜的制作：解决薄膜均匀性和大批量制作陷光结构纳米半导体材料中的工艺技术问题； b) 高耐候性电解质材料研究：获得性能稳定的共熔离子液体、内陷光结构的高效准固态液晶电解质和先进固态离子型有机空穴输运材料； c) 组件电池稳定性研究：结合老化过程中半导体微观机制参数变化规律和组件电池界面稳定性，阐明实际环境对组件电池稳定性影响机制； d) 组件电池的密封与工艺技术：着重解 决组件电池的耐腐蚀密封及其工艺； e) 低融度高透明的有机 /无机复合密封材料制备及其工艺技术：解决组件电池密封、保护电极材料和材料制备及工艺技术问题； f) 制造中的成套工艺装备实用化技术：解决各项关键技术的配套、优化组合和提高成品率工艺。 通过上述研究的开展，解决高耐候性组件关键材料和组件电池稳定性问题，为组件电池实用化提供必要的条件和保障。 创新点与特色 : (1) 自主知识产权的高效钌染料和有机染料的分子设计思路和合成技术专利。 (2) 首次提出了可控和宏量制备基于纳米 极；适用于大面积太阳电池的基于斜式透明纳米管阵列的多孔薄膜电极的制备方法。 (3) 从电解质层的结构设计出发，首次提出具有内陷光结构的新型高效液晶准固态电解质体系，有效的提高电池对太阳光的吸收效率。 (4) 将具有自主知识产权的 “共熔离子液体 ”新概念应用到 ，实现 (5) 从微观角度获得染料敏化太阳电池的信息，获得影响电池性能的内因所在，了解电池的微观结构。 (6) 利用电 光电化学技术等对老化过程中电池微观参数变化规律和界面性能进行研究，构建极端环境下电池界面电荷传输和复合微观过程；通过集成、优化所取得的关 键技术研究结果，获得大面积产业化组件电池研制技术。 2、全光谱硅基薄膜叠层太阳电池 学术思路和技术途径 1）基于全太阳光谱利用的新型硅基薄膜吸收材料的基础研究 叠层电池各吸收层的带隙匹配是叠层电池设计中的关键技术。前期 973研制的硅基薄膜叠层电池仅利用硅薄膜晶化比来调节吸收层带隙，而含有结晶相的材料生长速率较低，将影响电池的制备成本。为提高效率，需在叠层电池中引入 “薄膜带隙工程 ”与 “光管理工程 ”的概念，构建可在较宽范围内有序调控不同带宽的吸收层材料和提高光谱利用率的上转换和中间带材料、乃至具有 目前硅基薄膜叠层电池，双结为非晶硅 /非晶硅（或非晶硅锗，微晶硅），三结为非晶硅 /非晶硅（或非晶硅锗，微晶硅） /非晶硅锗（或微晶硅）。能量大于 采用非晶硅（ 顶电池时，那些光子能量大于 热化效应而无谓地损失掉，未能加以利用 。对这部分损失掉了的光子能量加以利用，一种可行的思路是开发具有良好光电特性的宽带隙材料，直接吸收太阳光子后，转化成高开路电压，以提高叠层电池效率。为此，需探寻更宽带隙、 器件质量级（ 如 硅基薄膜材料。通过 在硅薄膜中添加小原子序数的氧、碳的方法，只需用常规等离子体增强化学气相沉积技术，通过在反应气体 2中调控添加 可实现硅基薄膜材料带隙与光电特性的调制。其关键是要针对 C、 究对薄膜结构、带隙以及光电特性造成不同影响的因素，以掌握材料特性与带隙调制的可控规律与理论，为宽带隙顶子电池奠定基础。 对中间子电池，拟采用 对其存在光致衰退效应导致稳定性较差的问题，拟采用：优化薄膜沉积参数，在过渡区靠 近非晶硅一侧获得高稳定非晶硅材料，并在叠层结构中通过光管理设计达到 “电薄 ”而“光厚 ”的电流匹配结构，增强内电场，提高效率并抑制其光致衰退效应。 在非晶硅材料中掺入适当的锗，形成非晶硅锗材料，通过调节锗含量来实现对带隙调控的目的。锗的加入，可使器件质量的非晶硅锗材料的带隙从 为全光谱高效叠层电池的设计与实现，提供了另一种中间子电池吸收层材料。微晶硅薄膜是由尺寸在 10晶硅材料带隙略大于单晶硅（ 而且微晶硅薄膜 电池稳定性高，可拓展叠层电池的长波响应。 为进一步 拓宽太阳光谱的利用率 ， 开发禁带宽度小于 微晶硅锗的长波限可延伸到 1200吸收系数大、稳定性佳。采用微晶硅锗既有利于提高光谱利用，又可避免厚本征层导致内建电场的降低，有利于载流子收集，且微晶硅锗具有高的沉积速率， 可 节省工艺时间、降低成本。亦 采用 控反应气体 现对 微晶 采用分别调变反应气源与稀释气源的方式，将窄带隙微晶 控制尽量分开进行，以便于控制微晶 性能仍达到器件质量级，从而拓展光谱的长波响应。 对于波长大于 1200采用纳米上转换材料，以更拓宽谱阈提 高电池效率。 大晶粒尺寸的薄膜多晶硅，与微晶硅材料具有相近的带隙宽度，但其更高的迁移率与稳定性，成为有潜力的高效硅薄膜电池吸收层材料之一。目前具有多种实现薄膜多晶硅生长的方法，为了满足在玻璃衬底上实现薄膜的低温沉积以及随后叠层制备的相容性，拟采用金属诱导籽晶层结合 00 的固相晶化法，通过对籽晶层沉积 工艺和特性、吸收层的生长和特性、晶化过程和工艺以及薄膜多晶硅材料性能的内在关系进行研究，研发出在玻璃衬底上采用低温制备高质量薄膜多晶硅材料，为实现高效薄膜多晶硅太阳电池的研制与产业化应用提供技术基础。 中间带材料是探索全光谱利用的一种新型光伏材料，区别于由不同能隙宽度材料组成的叠层电池，它是在单一材料的价带、导带能隙之中引入一个中间能带。其作用是提供光子的多个吸收通道，可大幅提高电池长波光响应，提高效率。通过引入深能级杂质浓度超过 变或者 其电子波函数重叠，原来的 局域能级形成能带。此时的深能级杂质将表现出与通常相反的行为，不再是非辐射复合中心，而成为像导带和价带一样的扩展带。研究将从 探寻合适的深能级掺杂材料入手，采用有效的 掺杂技术，如 离子注入过渡金属， 进行高浓度掺杂；之后很好地去除掺杂带来的缺陷， 在保证宽的吸收光谱的基础上，有效地抑制非辐射复合，提高材料迁移率和少子寿命。 2） 先进光管理设计及其实现的基础研究 为达到对光子的高效利用，需加强全光谱精细规划利用的 “光管理工程 ”设计及其实现的研究，以达到 “电薄 ”与 “光厚 ”的效果，从而提高电池效率。 （ 1）针对先进光 管理的设计方面：拟采用几何光学与光子学相结合的方法，进行宏观光学设计；通过麦克斯韦方程，进行微观光学设计。从增加光子吸收的角度，通过光学模拟计算，实现光子在有源层中光程或有效途径的增加。建立全光谱硅基薄膜电池的光管理设计模型。从透明导电薄膜（ 璃增加光透过的角度，提出减少光反射损失及拓展紫外到红外的全光谱高透过率的适于全光谱高效硅基薄膜电池应用的 拓宽光谱吸收范围和光利用率角度，提出减少光损失并提高电池相关构件材料性能以及电池结构的优化设计；从增加背电极反射率、提高光子利用率角 度，设计高效复合背反射电极结构；从减少掺杂层吸收，提高光子利用率角度，提出改善掺杂层和隧穿过渡途径。 （ 2）针对先进光管理的实现方面： 全光谱、高散射绒度 光谱高效硅基薄膜叠层电池要求：一方面 电极要宽光谱透过，以使电池的光吸收谱域展宽；另一方面，表面形貌要具高散射绒度和适当散射角度分布，增加光在器件中的光程以实现电池高效。从成本、材料、环保考虑进行原材料的选择。现有 00在紫外区有显著的本征吸收，而长波（ 800于自由载流子的 吸收使透过率显著降低。R. 4003%，而 7002%， 300%将不能被现有电池吸收，原因之一就是 为增加 通过向 g，形成如 宽禁带材料。如何增加 膜的红外吸收，更是本项目研究重点。结合基于第一性原理计算与实验的初步结果，拟引入掺杂原子 B、 a、 W、 到 高迁移率，在保证相同电导特性前提下降低自由载流子数目，从而提高长波光透过率。除拓宽 透过光谱范围，还需要高散射绒度和适当散射角度分布，以实现良好的陷光特性。拟采用 超声喷雾技术，通过调节宏观沉积参数，控制 料晶粒尺寸、成核密度和结晶取向与形貌，经多层生长，直接可控制备高散射绒度和适当散射角度分布的 时尝试采用溅射结合后腐蚀的方法，获得合适散射绒度和角度分布的 高效复合背反射电极的获得：背反射电极和前电极构成光在器件中的陷阱作用。选择与器件沉积 兼容的生长技术进行背反射电极制备。拟采用磁控溅射或用沉积电池 过引入上述材料，结合金属 用表面等离子激元的作用，在周围形成 强散射中心， 在纳米尺度上实现对光的调控， 形成纳米陷光结构。 低吸收掺杂层材料获得：就单结微晶硅电池而言，掺杂层光吸收损失就占5%。若是多结电池，由掺杂层所带来的吸收损失将成为影响电池效率的一个重要因素。基于对薄膜沉积机理的认识，提出高沉积气压制备掺杂层材料，从 调整材料结构特性的角度，实现掺杂层材料的高电导和低吸收。 减反射、增透薄膜的获得：拟采用低成本的超声喷雾法连续制备 膜，通过对谐振频率和其它沉积参数的调控，来实现薄膜的厚度和折射率的规律变化，获得能够至少降低 5%反射的增透薄膜。 光谱转换材料的获得：基于电池中有源吸收层材料带隙的限制，拟采用上转换材料实现长波长光上转换为可见光。 拟采用水热技术合成高转换效率的时提出实现上转换材料在电池中应用的具体技术途径。 3）全光谱高效硅基薄膜电池的基础研究 以先进光管理和能带工程为基础，建立全光谱硅基薄膜叠层电池模型，结合材料制备技术与结构相容性，提出新型高效三至四结全光谱高效硅基薄膜电池设计方案，开展新型全光谱硅基薄膜叠层电池研发。 为提高顶电池的带隙宽度，拟开展基于硅碳、硅氧宽带隙薄膜材料为有源层的薄膜顶电池的研究工作。深刻认识氧、碳含量对硅基薄膜材料带隙的调制作用，及其对电池开路电压和短路电流密度的影响机制。重点解决因氧、碳 的引入，导致材料缺陷态（悬键态、受主态等）增多，光敏性变差问题。通过调节宏观沉积参数，有效地钝 化和抑制各种缺陷态，以及平衡带隙与光敏性之间的关系，获得高开路电压下的高短路电流密度。 非晶硅电池作为中间的子电池，主要开展新型高效、高稳定非晶硅电池的研究工作。拟在非晶 /微晶硅过渡区靠近非晶硅一侧，采用高反应气压、高辉光功率的沉积条件，探寻高速沉积、低 拟采用带隙为 对硅锗含量比与材料带隙宽度间关系开展深入研究，构建硅锗合金材料带隙宽度随硅锗含量比、氢稀释率的相图，及其与电池开路电压和短路电流密度的制约关系，以期获得带隙 可调的非晶硅锗中间子电池。 采用 过调节 2稀释比、优化宏观沉积参数，采用高压、高功率沉积方式，在非晶 /微晶硅过渡区靠近微晶一侧，获得带隙可控（ 件质量微晶硅材料，以期获得带隙可调的微晶硅子电池。 拟采用窄带隙的微晶硅锗薄膜制备底电池。研究不同锗含量对带隙的调节作用及对电池效率和光谱响应的影响，深刻认识微晶硅锗薄膜的晶化率及氢、氟含量对电池稳定性的影响。解决微晶硅锗薄膜太阳电池 能隙的匹配。设计合理的电池结构，增强内建电场，增加少子收集，提高电池效率。 全光谱利用的新型硅基薄膜吸收材料体系制备叠层电池后，电池中材料带隙范围从 叠层电池中顶电池与中电池或底电池之间是异质或异构结构，形成能带失配和结构失配。拟研发能带渐变缓冲、材料成分或结构渐变缓冲、掺杂浓度渐变缓冲等的多种缓冲层材料，解决可能引入的失配问题；同时多结叠层势必引入更多的 向结，需高复合、低阻抗的适于多结叠层电池的隧穿结，以提高电池效率。基于带隙工程和光管理工程的研究， 优化各子电池的光 /电学厚度，合理调控子电池电流，实现 高效全光谱硅基薄膜叠层电池。 创新点与特色 : （ 1）首次提出过渡区微晶硅锗材料的概念，应用于微晶硅锗材料的研究中，以期获得器件质量级微晶硅锗材料。 （ 2）研发掺杂过渡金属 的 中间带硅基薄膜材料，探索可全光谱利用的新型光伏材料 。 （ 3）提出将高散射绒度 （ 4）提出基于低折射率 复合背反射电极的设计与实现，同时通过对纳米金属颗粒尺寸的控制，利用其表面等离 子激元的特性来形成纳米陷光结构。 （ 5）基于优化的光管理设计和薄膜带隙工程，研制全光谱高效硅基薄膜叠层太阳电池，并提出高效硅基薄膜叠层电池制备的技术路线。窄带隙的微晶硅锗底电池和背电极处构建的近红外光上转换，拓展了硅基薄膜电池长波响应范围，为实现硅基薄膜叠层电池全光谱吸收奠定基础。 可行性分析 本项目立足于国家对洁净新能源的战略需求，选择高性价比薄膜太阳电池作为突破点，结合多学科的研究优势集中攻关。项目组在相关领域具有多年研究工作积累和良好基础，主要学术骨干已主持过多项相关的国家重大、重点攻关项目和基金等项 目，取得一批具有自主知识产权的重要研究成果，为项目研究任务的完成打下基础。在前期研究工作的基础上，本期项目将根据项目指南的要求，集中研究目标，深化理论认识，强化基础研究，推动我国薄膜太阳电池的基础研究和规模化应用。 课题设置 各课题间相互关系 根据项目制定的总目标和研究内容，本项目共设置 6个课题，进行联合研究，共同完成本项目的研究任务。 课题 1、课题 2和课题 3主要完成染料敏化太阳电池的所有研究任务和研究目标。其中，课题 1主要进行新材料的设计和计算，基础理论的研究和模拟，为课题 2合成和制备新材料提供设计思想和 新材料的结构；课题 2主要进行新材料的合成与制备和测试与分析，并进行新材料性能的研究，为课题 3高效大面积电池的研究提供材料；课题 3主要进行新材料的应用和大面积电池制作，关键设备和技术的研究以及电池实用化的研究，为该电池的产业化提供技术支持。 课题 4、课题 5和课题 6主要完成硅基薄膜太阳电池的所有研究任务和研究目标。其中，课题 4主要进行基于全太阳光谱利用的硅基薄膜材料的设计与制备研究，获得器件质量级宽谱吸收硅基薄膜材料，为课题 6提供宽谱吸收材料工艺技术支持；课题 5主要进行光管理设计及其实现技术的研究，为课题 6提供 适于高效电池生长的宽光谱透过 璃，以及相关的高效光管理实现技术支持；课题 6在课题 4和课题 5的基础上，开展全光谱高效硅基薄膜电池的设计与实现研究。 6 个课题将协同工作，共同完成本项目所制定的薄膜太阳电池研究的总目标。 课题 1、窄能隙太阳电池染料及器件界面理论计算 预期目标： 1）获得适合于染料、纳晶 /染料 /电解质复杂系统计算的理论方法，获得光电材料与器件性能的内在本质关联。 2）设计出 3 5种高性能有机染料，具有突出的光电流 和 光电压特性，推动染料敏化太阳电池器件性能突破。 研究内容： 1） 研究染料敏 化剂基态及激发态所具有的电子结构，分析不同电子态分子轨道的分布情况以及它们在吸收过程中的跃迁机制，确定电子态间的跃迁本质。从微观尺度认知吸收和发射光谱的性质以及吸收和发射过程中的跃迁机制，探索染料分子结构对其光谱的微观 作用 机制的影响规律。 2） 基于密度泛函理论和非绝热分子动力学方法，发展时域从头算电子动力学方法，考虑分子间相互作用和环境介质效应，模拟染料分子在半导体表面的姿态以及染料 /纳晶组装体的电子态分布，探索染料分子在半导体表面自组装姿态、染料分子的能级变化及介质环境等对半导体陷阱态影响的微观图像。 3） 模拟染料分子 /半导体组装体及其电解质介质环境下光诱导电荷转移动力学，结合瞬态吸收光谱实验结果，分析染料敏化太阳电池光诱导电荷转移微观机理，为高性能电池材料的开发和器件优化提供理论指导。 经费比例： 5% 承担单位： 北京理工大学、聊城大学 课题负责人： 李泽生 学术骨干： 张宪玺 课题 2、染料敏化太阳电池新材料及规模制备 预期目标： 1）利用自主知识产权的纳米结构和有机光电功能材料实现转换效率达 15%的小尺寸染料敏化太阳电池。 2）实现基于凝胶薄膜转换效率达 13%的高稳定小尺寸染料敏化太阳电池。 3）实现基于 有机空穴传输材料转换效率达 8%小面积全固态染料敏化太阳电池。 研究内容： 1） 以研发高吸收系数、宽光谱响应、能级匹配的金属配合物和全有机染料为重点，开发对太阳光子充分俘获的敏化剂。结合已知化学结构模块，并构建奇异的富电子给体、贫电子受体和具有高平面性、不同电子特性的芳杂环共轭单元，制备窄能隙和高吸收率全有机染料；增大共轭性的同时引入合适辅助非电子功能基，调控染料极性、偶极及纳晶表面的分子间作用；开发新型多吡啶钌配合物敏化剂；研究高性能染料的低成本、低能耗、高安全、绿色化工合成和光电材料深度纯化工艺，实现 染料规模制备，获得在大尺寸光伏组件应用。 2） 高电子收集效率的纳米结构薄膜。拟采用斜式透明纳米管阵列做光阳极，提高纳米结构无机半导体薄膜中电子迁移率和纳米受限环境中有机输运材料的空穴迁移率，以进一步提高染料敏化太阳电池的光电转换效率。 3） 新型空穴输运材料的开发。设计新型离子液体、电解质添加剂，着重研究其与纳晶、染料、对电极的界面匹配性，实现太阳电池器件效率和稳定性提升；获得高离子迁移率的固态快离子导体；设计并合成新型能级匹配、高迁移率具有微尺度自组装、高介电的固态离子型有机空穴输运材料；研究电解质关键 材料的低成本、低能耗、高安全、绿色化工合成和纯化工艺，实现电解质规模制备，获得在大尺寸光伏组件应用。 经费比例： 16% 承担单位： 中国科学院长春应用化学研究所、南开大学 课题负责人： 董献堆 学术骨干： 王鹏、张敏、程方益 课题 3、染料敏化太阳电池机理与组件技术及其应用研究 预期目标： 1） 建立染料敏化太阳电池微观尺度界面电荷转移、复合及传输的完整动力学模型，为提升器件效率提供理论指导。 2） 完成电池组件制备中关键设备的研制，获得具有自主知识产权的高效组件规模化制备的全套关键技术。 3） 获得使用寿命 20 年以上，工业制作成本低于 元 /峰瓦的染料敏化太阳电池组件（面积大于 300率达 10%）。 研究内容： 1） 利用光电调制阻抗和光电瞬态等技术系统地研究不同温度、不同光强、不同外加偏压下高性能电池纳米界面的电荷复合动力学以及微尺度载流子浓度、寿命、迁移率和扩散长度等电子特性。 2） 研究 高效大面积电池中电极及活性区域的几何结构设计，分析组件的结构连接与输出功率的关系，关键技术的研究，建立组件的等效电路模型。 3） 解决低电阻耐腐蚀电极材料的制备及成形过程中的物理问题，高透明低熔融温度低成本高 分子密封材料的制备及改性，低成本有机无机复合密封材料的设计及制备，密封材料的老化机理。 4） 组件的批量快速连接及封装技术，组件规模化制备过程中的关键设备，规模化制备过程中的在线检测技术。 5） 高温高热条件下光伏组件的输出特性与电路模型，极端环境条件与光伏组件工作稳定性的关联机制 。 经费比例： 29% 承担单位： 中国科学院合肥物质科学研究院、武汉工程大学、合肥工业大学 课题负责人： 戴松元 学术骨干： 汪建华、王孔嘉、孔凡太、胡林华、张昌能、霍志鹏、史成武、方霞琴 课题 4、基于全太阳光谱利用的新型硅基薄膜吸 收材料的基础研究 预期目标： 1） 在衬底温度 电导 101电导 101110制出硅薄膜中间带原型电池。 3）获得带隙 缺陷态密度 103的宽带隙硅基薄膜材料。 4）在玻璃衬底上，研制出平均晶粒尺寸 1m，扩散长度 1m，缺陷态密度达到 1016/ 研究内容： 1）研究杂质种类、掺杂工艺及后处理工艺对中间带硅基薄膜材料的光谱特性和电输运特性的影响。研究光生载流子的复合机制，建立中间带硅基薄膜的光吸收模型及载流子输运模型，探索抑制非辐射复合的技术路线，探索提高中间带电池光电转换效率的途径。 2） 深刻认识微晶硅锗薄膜宏观沉积参数对材料性能的影响，建立低温多元合金微晶生长 的物理模型。 揭示 量的加入以及对 硅锗 薄膜微结构的影响、进而带来光电特性变化的微观机制以及相应的表征体系，提出 钝化和抑 制各种缺陷态的技术路线。研制 微 晶硅锗 底 电池。 3） 阐明金属诱导晶化过程机理，研究籽晶层、外延沉积参数对 延生长后续薄膜质量的影响，实现高质量大晶粒薄膜的高速沉积。在低于 600究固相晶化参数对薄膜多晶硅性能影响。 揭示多晶硅薄膜内各类缺陷态产生与钝化机制，提出实现高效电池的途径。 4）研究硅氧、硅碳薄膜的沉积机理，实现硅氧、硅碳材料可控制备；探寻材料内部缺陷及杂质等 成因与分布规律，提出抑制的有效途径。 经费比例： 承担单位： 中国科学院研究生院、南开大学、保定天威集团有限公司 课题负责人： 刘丰珍 学术骨干： 张建军、麦耀华、周玉琴、许盛之 课题 5、先进光管理设计及其实现的基础研究 预期目标： 1） 建立基于高效全光谱硅基薄膜太阳电池 用的 光管理工程的理论模型，为提升器件效率提供理论指导； 2）获得适合硅基薄膜太阳电池用 池短路电流密度提高 10%以上； 3）获得迁移率大于 30射绒度大于 30%、 4000%的宽光谱透过的透明导电薄膜。 研究内容： 1）建立全光谱硅基薄膜电池的光管理设计模型，研究有效延长光程、减小无谓反射或透射损失，可实现全 太阳 光谱高效吸收和转换的薄膜电池光管理的优化途径。 2）选择合适的高效掺杂源，实现 用 声喷雾和溅射结合后腐蚀方法，研究宏观沉积参数与 寻多层可控直接生长宽光谱 得适于全光谱硅基薄膜电池的宽光谱 3）研发低成本太阳电池表面减反射膜 制备技术，减少太阳电池玻璃表面对阳光的反射损失；研发高反射复合背电极，进一步提高太阳光的利用率。 4）进行宽光谱红外光上转换为可见光的材料设计，探索宽光谱上转换材料可控制备技术，深 入 认识其转换机制，以及实际用于电池的相容技术。 5）研发纳米金属颗粒表面等离子激元生长技术，认识纳米金属颗粒表面等离子激元 在 纳米尺度上的光学调控与电学特性 之间的内在联系 ，提出实用化技术。 经费比例： 承担单位： 郑州大学、南开大学 课题负责人： 张晓丹 学术骨干： 耿新华、陈新亮、 黄茜 、陈永生 课题 6、全光谱高效硅基薄膜 电池的基础研究 预期目标： 1）建立 基于全光谱的硅基薄膜叠层电池的高效器件设计模型。 2）制备出光学带隙从 征非晶硅锗材料的光暗电导比大于 103，暗电导达到 10结非晶硅锗电池效率大于 9%。 3）利用具有自主知识产权的新型光伏材料，获得全光谱高效硅基薄膜电池，转换效率 上；提出 可实现产业化的 高效硅基薄膜叠层电池 制备 技术 方案 。 研究内容： 1）进行基于全光谱的三到四结硅基薄膜叠层电池的高效器件设计， 通过拟合计算，绘出各层子电池之间能带匹配设计 方案； 模拟优化可提高电池效率 ，并减少串、并联损失的多种叠层连接方式， 提出无损叠层结构模型。 2）在非晶 /微晶硅过渡区非晶硅一侧，探寻制备高速沉积、低 识氧、碳含量对宽带隙硅基薄膜材料带隙及其顶电池性能的调制作用。 3）通过锗组分的添加比和硅锗材料的晶相调节，实现对硅基薄膜材料 进行 带隙调制；探索非晶硅锗材料组分、结构与性能之间的内在关系，掌握其制备中的生长动力学过程；研制非晶硅锗中间子电池。 4）开发低光学吸收、器件质量的硅基薄膜掺杂层材料；进行界面复合隧道结的设计，并采 用缓变结减小界面晶格失配，利用组分缓变减小能带失配。从理论上深入研究载流子输运机制，界面缺陷态、能带失配等所 起 的作用；优化各子电池的光学和电学厚度。 5）设计 出 等离子体表面 激 元、上转换等光管理技术实用化的电池结构，提出实用化的工艺技术。 6）研究 射角分布函数及绒度等参数对电池特性的影响，与模拟结果进行对照分析，提出高效电池提高光利用的结构设计和工艺技术方案。 经费比例： 22% 承担单位： 中国科学院半导体研究所、中国科学院电工研究所、南开大学 课题负责人： 赵 颖 学术骨干： 魏长春、侯国 付、任慧志、周春兰 四、年度计划 研究内容 预期目标 第 一 年 围绕材料光电性质计算需求，在已有软硬件基础上完善所需设备。结合已有现代量子化学计算方法，以已有高性能模型分子为基础，建立适合长程电子离域系统光电性质计算的理论模型。 结合已知化学结构模块，构建奇异的富电子给体、贫电子受体和具有高平面性、不同电子特性的芳杂环共轭单元，设计并合成窄能隙和高吸收率全有机染料；增大共轭性的同时引入合适辅助非电子功能基，调控染料极性、偶极及染料 /纳晶表面的分子间作用；通过化学功能化修饰，调整钌基母体材料的 对称性。 研究高效大面积电池中电极及活性区域的几何结构设计，分析组件的结构连接与输出功率的关系，关键技术研究，建立组件的等效电路模型；通过分子设计和材料改性角度出发，开发适用于染料敏化太阳电池的宽谱吸收材料；电池组件电学、光学、热等理论模型研究。 探索高浓度掺杂的方法，包括 离子注入、共溅射、共生长等掺杂技术， 在晶体硅和硅 基薄膜上 进行多种深能级杂质 (,系及铁磁性材料等）高浓度掺杂 ； 研究微晶硅锗薄膜 的 生长条件及低温结晶机制，重点研究为精确合理描述吸收特性为长程电荷转移型材料的理论计算提供完善的软硬件资源，建立适合此类材料光电性质计算的方法系统。 建立敏化剂结构与其光电性质之间的关系，揭示其微观机理；获得不同结构特性的分子对器件性能的影响规律；实现宽光谱、高消光的钌基染料的制备。 完成相关设计及组件等效电路模型等的建立，初步获得优化的电池结构设计，获得对电池微观作用机理的初步认识；在液晶电解质、准固态电解质和对电极等关键材料方面取得突破，开发出 实现杂质浓度 10181019得红外吸收好的具有中间带结构的晶体硅材料 ，确定合适的 深能级杂质 ； 在衬底温度 60%的微晶硅锗薄膜 ；确定高质量多晶硅籽晶层的最佳硅薄膜沉积工艺；实现多晶硅籽晶层晶化的低温 研究内容 预期目标 混合流量比和其它沉积条件 (如衬底温度、反应气体浓度、反应气压等 )对材料性能的影响 ；贯通金属诱导晶化籽晶层的工艺，研究硅薄膜沉积参数和结构、金属薄膜种类及制备条件和结构对金属诱导晶化籽晶层的影响。 采用几何光学与光子学相结合的方法，建立叠层薄膜太阳电池器件光学模型，并进行宏观光学设计 ； 采用磁控溅射技术制备 过不同掺杂源的引入及工艺调整，获得具有低电阻率的 采用热蒸发制备工艺实现具有表面等离子激元特性的纳米金属结构的制备，并对其特性进行表征 ； 采用细致平衡原理，对采用上转换器后硅基薄膜太阳电池的效率极限展开模拟。 进行基于全光谱的三 至 四结硅基 薄膜叠