氧化锌纳米柱阵列在新型铜铟镓硒薄膜太阳能电池中的高效光子捕获与载流子收集

The global warming and environment pollutions raise up the demand of the economy and societies for a non-pollution and clean source of energy. Solar energy is one of the renewable clean energy sources. Compared to the traditional fossil energy, the fact that the performance-price ratio in solar cells remains low is a bottleneck for their enormous popularity. The development of next generation solar cells requires a much more efficient exploitation of the cost saving and efficiency potential. The efficiency can be increased by boosting the light absorption and the photo-induced generated carrier colletion. The implantation of nanostructures into traditional thin film photovoltaic devices aims to achieve an efficient photon capturing and carrier collection. In this proposal, zinc oxide nanorod arrays are implanted into the copper indium gallium diselenide solar cells. On one hand, the light harvesting and carrier transport process will be investigated by solving the Helmholtz equation, carrier transport equation, continuity equation and Possion equation. On the other hand, the technical process will be developed to optimize the cell architectures. The proposal aims to achieve the improvement of the efficiency in the novel copper indium gallium diselenide solar cells by enhancing the photon capturing and carrier collection as a result of the control of ZnO nanorod arrays' properties referring to the previous modeling results.

在对温室效应和环境污染的关注不断升温的背景下，经济和社会发展对于包括太阳能在内的非化石新型清洁能源的需求日益强烈。相比于传统化石能源，目前较低的性价比制约着太阳能电池的大规模应用。因此对于下一代太阳能电池要求进一步提升其转换效率，同时降低生产成本，从而提高其性价比。提升转换效率可以通过提高其光吸收和增强光生载流子收集来实现。在传统的薄膜太阳能电池中引入纳米结构阵列将有望在其中实现高效的光子捕获和光生载流子收集。本研究将氧化锌纳米柱阵列植入铜铟镓硒薄膜太阳能电池中。一方面将通过亥姆霍兹方程、载流子输运方程、连续性方程、泊松方程来研究这种新型铜铟镓硒薄膜电池中的光子捕获与载流子输运过程的科学问题，另一方面将通过工艺工程来优化电池结构。本项目的目标是依据模拟计算结果操控氧化锌纳米柱阵列，从而实现其在新型铜铟镓硒薄膜太阳能电池中的高效的光子捕获与增强的载流子收集，提升电池的转换效率。

本项目围绕“氧化锌纳米柱阵列在新型铜铟镓硒薄膜太阳能电池中的高效光子捕获与载流子收集”这一主题，在大面积制备高质量氧化锌纳米柱阵列材料、将纳米结构植入传统的铜铟镓硒薄膜太阳能电池、在新型纳米结构铜铟镓硒薄膜太阳能电池中实现高效的光子捕获与载流子收集等方面开展了研究工作。项目执行过程中，结合理论分析与实验，按照预定计划进行了研究方案中的研究内容与研究步骤，解决了相关的关键科学技术问题，圆满完成了项目主要内容，实现了预期目标。本项目使用低成本的非真空非高温生长方法在300×300平方毫米大面积衬底上成功制备出了氧化锌纳米柱阵列, 实现了操控氧化锌纳米柱阵列的几何尺寸（直径70-200纳米，长度200-1000纳米）和氧化锌纳米柱阵列的生长密度（10E8-10E9/平方厘米），氧化锌纳米柱的电导率超过450 西门子每厘米，内量子效率大于28%。植入氧化锌纳米柱阵列后，背反射和前窗口层反射的加权光损分别低于10%和3%，其中前窗口层反射率更低至2.06%。实现了氧化锌纳米柱阵列在铜铟镓硒薄膜太阳能电池中的高效光子捕获。制备出了新型纳米结构铜铟镓硒薄膜太阳能电池器件，新型纳米结构电池相比无纳米结构的电池，其短路电流密度提升达到11.2%，相对转换效率提升达到10.4%。进一步优化新型电池的结构和制备工艺，获得了转换效率高达17.03%的纳米结构铜铟镓硒薄膜太阳能电池，实现了纳米结构在新型铜铟镓硒薄膜太阳能电池中的高效载流子收集。 此外，在项目进行过程中，还深入分析和阐明了在实验研究过程中出现的新现象与新结果的物理机制。对于本项目所利于产业转化的技术成果，在项目进行过程中，本项目团队积极联系国内外太阳能电池机构及企业，以推动技术成果转化及应用。2017年，项目依托单位北京低碳清洁能源研究所出资成立神华（北京）光伏科技研发有限公司, 本项目研究成果中的部分专利及形成的专有技术已作为无形资产注入光伏公司，实现成果转化及应用。

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