[01590843]硅纳米结构太阳电池器件关键技术及应用

硅纳米结构因其接近于零的反射率和极小的角度依赖性,被认为是下一代高效太阳电池的理想候选之一。然而,硅纳米结构的大量表面缺陷会导致电池器件表面复合损失大大增加,使得器件性能并不能令人满意。因此,必须对硅纳米结构进行表面钝化和形貌调控,才能充分发挥其光学优势。该项目依托科技部国家重大科学研究计划、江苏省自然科学基金,通过对硅纳米结构制备、形貌调控、钝化等的持续研究,发现了硅纳米结构的反常电学特性、准全向陷光特性等规律,解决了硅纳米结构与薄膜的联合减反射机制、载流子复合通道控制和背反射器光电性能管理等核心科学问题,取得了一系列原创性成果。主要科学发现如下： 1. 发现了硅纳米结构的米氏散射、微米结构的几何反射和SiO2/SiNx薄膜的干涉联合减反射机制,通过纳微米结构的光学优势和叠层钝化膜的电学钝化优势结合,大幅降低器件前表面光学反射损失和整体电学损失。2016年,制备出世界领先的、效率高达20.0%、面积156×156 mm2的硅基纳微米复合结构太阳电池。研究结果发表在Advanced Functional Materials上,该项成果在2016年被Materials Views中国（Wiley）报道。 2. 揭示了由于场钝化效应的存在使得原子层沉积ALD-Al2O3钝化的硅基纳微米复合结构具有反常电学特性,在硅基纳微米复合结构上同时实现了最低的反射率和最低的表面复合速率。这一发现突破了硅纳米结构太阳电池中需要对光学增益和电学损失精细平衡这一瓶颈;发现了液相沉积LPD-SiO2同时具有表面钝化和场钝化效应,获得了LPD-SiO2薄膜的制备和退火工艺窗口,实现了p型电池效率达到19.5%。成果获第十三届全国博士生学术年会入选论文奖。 3. 提出了准全向硅纳米绒面概念。揭示了在宽入射角范围内,太阳光通过与准全向结构的散射共振,耦合进入体硅内部,显著削弱减反效果对太阳入射角依赖的特性,制备出准全向硅纳米绒面（硅纳米金字塔、倒金字塔、多晶纳米碗等）太阳电池器件,结果证明这种电池具有更高的发电量。成果发表在太阳电池和材料类顶级期刊Advanced Science上,在2017年被Materials Views中国（Wiley）报道。 4. 首次实现多晶纳米结构电池效率对常规电池效率的超越。基于硅纳微米结构形貌的调控、修饰和优化,叠加SiNx薄膜的联合减反射和优异钝化,使器件具有更好的光学性能,和更低的表面、SRH和俄歇复合损失,制备出效率17.63%、18.41%的多晶纳米结构太阳电池,实现了纳米结构电池对常规电池效率的超越。相关成果在CSPV中国太阳级硅及光伏发电研讨会上获优秀学术报告。 该项目共发表14篇论文,SCI收录13篇,其中5篇一区、6篇二区,2篇中国权威期刊,总影响因子达到116,他引次数179次。成果多次在国内、外重要会议上获得邀请报告、优秀论文、权威第三方学术网站报道等。