面向下一代光伏产业的硅太阳电池研究新进展*

以晶体硅为代表的第一代太阳电池和以非晶硅薄膜为代表的第二代薄膜太阳电池目前是光伏市场主流。第三代纳米结构太阳电池研发目标是在维持现有第二代薄膜电池沉积技术的经济性和环保性基础上显著提高电池性能及稳定性,进一步降低太阳电池的价格至每瓦0.5美元,甚至0.2美元及更低。笔者将简要综述近年来国际上面向下一代光伏产业的硅太阳电池研究新进展,内容集中在纳米硅薄膜叠层太阳电池、硅纳米线（包括轴向、径向和单根）太阳电池和基于多重激子效应的纳米硅热载流子太阳电池等三个方面。     

薄膜太阳电池的研究现状与发展趋势

笔者主要对目前薄膜电池研究和产业化的主流技术进行论述,包括硅基薄膜太阳电池、碲化镉与铜铟镓硒等化合物薄膜太阳电池、以及染料敏化电池等,对每种技术分别从国内外研究现状以及产业化状况进行介绍。     

高比能长寿命锂离子电池电极/电解质界面修饰与调控

高能量密度、长寿命及高安全等性能是锂离子电池研究持续追求的目标和发展方向.电极/电解质界面稳定性是制约高比能量长寿命锂离子电池实用化的关键因素.本文针对发展高电压/高能量密度电池体系所面临的挑战,重点总结回顾了本研究团队在过去15年里在正极/电解液界面调控、负极/电解液界面调控、高安全阻燃电解液技术开发,以及固体电解质的结构/界面稳定性调控方面的若干探索性研究工作,并提出了高电压、高安全液体电解液技术和固态电解质及其界面研究为未来该领域的研究重点.     

聚合物在太阳能技术中的应用

在未来太阳能技术的发展中,聚合物材料将起重要作用.若广泛采用硅太阳电池把太阳能转换成电能,就需要把制造太阳电池的成本降低,同时要求太阳电池在恶劣的环境中使用的时间更长.要解决上述问题,不仅要改进和发展光生伏特材料,而且要改进     

铜锌锡硫基薄膜太阳电池研究进展

光伏技术为日益增长的能源需求提供了一种可持续的解决方案.如今,各种高性能太阳电池层出不穷,由无机材料制成的薄膜太阳电池已成为太阳电池的主要类别之一,在快速发展的光伏市场显示出巨大潜力.地球上储量丰富且环境友好的锌黄锡矿Cu2ZnSn(S,Se)4(CZTSSe)被认为是极具可能取代Cu(In,Ga)Se2(CIGS)和CdTe的新一代光伏材料. CZTSSe光伏器件在过去几年中取得了显著的进步,最高效率达到14.9%,但仍远低于CIGS(23.6%)和CdTe(22.1%).不理想的前后界面是填充因子难以提高的主要原因之一.背界面处较厚的Mo(S,Se)2层会导致载流子传输势垒并对吸收层的晶体质量产生负面影响;高密度的界面缺陷、不利的能带匹配以及跨界面的结构不均匀性是导致异质结界面复合的主要因素.同时, CZTSSe作为最复杂的化合物半导体之一,其缺陷化学性质比CIGS和CdTe更为复杂,深能级固有缺陷作为复合中心,导致较短的载流子寿命,大量缺陷簇引入了相当大的电位波动.由于低的填充因子和大的开路电压亏损,目前CZTSSe基太阳电池的性能停滞不前.本文关注于界面工程、阳离子取代、硒化热...     

纳米硅薄膜界面中的环形结构

纳米固体材料由于具有高浓度界面的结构特性以及相伴随着的新颖物性,1984年以后在材料各个领域得以迅速发展。近年来,随着纳米材料在许多领域的兴起,纳米硅薄膜也受到人们越来越多的关注。纳米硅薄膜是由大量的纳米尺寸晶粒及晶粒间界面构成。由于晶粒具有无规则分布的特征,使得界面具有不同的结构和键合特征。界面对纳米硅薄膜的结构和物性具有极其重要的影响。     

工业化晶体硅太阳电池技术

近十余年来,晶体硅太阳电池产业得到了蓬勃的发展,其制造技术也在不断进步。作者简要回顾了太阳电池的发展历史;描述了太阳电池的工作原理及工业化生产的工艺步骤;重点介绍了当前工业化生产中提高电池效率的几个主要方法,包括优化硅片性能、高方阻、先进的金属化、以及选择性扩散等;最后强调了技术进步对规模化生产带来的影响。     

硅烯表面的氢吸附

硅烯是类似于石墨烯的单原子层硅薄膜.作为硅的一种新型同素异形体,其拥有奇特的狄拉克电子态,可带来新奇的物理性质,近年来引起人们的广泛关注.由于硅烯中硅原子的化学键未饱和,可以用来吸附外来原子,从而实现对硅烯的化学修饰以及电子态的调控.本文主要介绍了不同原子在硅烯上吸附的一些理论进展,以及最近在实验上对Ag(111)上的单层硅烯进行氢化的重要研究结果.     

非晶态硅太阳电池

太阳电池是一种直接将太阳光的能量转换成电能的器件。这种方式发电称为太阳光发电。现在市售的太阳电池使用的基板和集成电路及大规模集成电路一样均采用高纯单晶硅。因此价格很贵。这样,提高发电效率,同时开发价格便宜的新材料就成为重要的课题。非晶态硅、带状硅和多晶硅三种材料日益兴起,成为单晶硅锭的有力的取代品。在这些材料中可大幅度降价的、世界各国正在开发的是非晶态硅。这里,所谓非晶态意味着“非结晶状态”(典型的例子如玻璃)。这种非晶态硅具有如下特征:①光的吸收系数大,在薄膜中能获得产     

美国联邦政府投资的研究领域

美国国家科学院和白宫科技办公室已经确定了联邦政府应该投资的四个研究领域,它们是界面和薄膜,作出决策和解决问题,蛋白质结构和生物功能,以及病毒性疾病的预防和治疗。 1.界面和薄膜。界面和薄膜为研究物质的原子结构如何影响硬度和传导这类性质提供了重要的途径,因为它们的原子结构比块状固体或液体的原子结构更容易处理。界面和薄膜在通讯技术和以硅为基础的半导体工业、在细胞生物学和细胞组织对其他物质的作用方式、在控制腐蚀、在防止材料     

多孔硅微腔的窄峰发射

自从Canham发现多孔硅能高效率发射可见光以来,多孔硅的形成机理、发光机理、器件以及光电子集成研究都取得了很大进展.但到目前为止,多孔硅中是否存在激射现象还不很肯定.我们知道,微腔是实现激射的必要组成部分,它具有辐射功率的空间分布可调、发射峰的宽度可变、自发辐射得到加强或抑制以及激射阈值较低甚至有可能实现激射无阈值等特点.Pavesi等人曾利用交替变化腐蚀电流密度的方法制备了多孔硅微腔.基于用分子束外延生长多层膜具有好的可控性和界面特性,我们采用MBE生长了掺杂浓度交替变化的     

初始晶硅多层薄膜光电响应及载流子输运特性

采用等离子体化学气相沉积技术, 通过交替改变H₂流量, 制备了多层结构的氢化初始晶硅薄膜, 利用拉曼(Raman)散射、傅里叶变换红外(FTIR)透射光谱和光电流谱等技术研究了薄膜的微观结构和光电响应特性. 微观结构分析揭示, 薄膜呈现为由纳米晶硅和非晶硅两相组成的初始晶硅结构, 薄膜光学带隙随晶化度提高逐渐降低. 光电流谱的结果显示, 纳米硅晶粒对薄膜内部光生载流子的空间分离可有效降低其非辐射复合几率, 导致薄膜光电响应峰值随晶化度的提高向短波方向移动, 然而纳米硅晶粒界面缺陷对载流子的空间限制使薄膜长波谱段的光电响应显著降低. 外加偏压下, 观察到350~1000 nm范围的光电响应, 表明外加偏压可促进光生载流子的有效收集. 分析表明, 纳米硅晶粒内部电子-空穴对的空间分离及界面载流子激发的共同作用, 导致薄膜光电响应及外量子效率大幅增加和峰位的红移. 实验结果为初始晶硅高效太阳电池的载流子输运控制提供了基础数据.     

两步氧离子注入工艺制备SOI材料研究

研究了200 keV注入能量下, 单步氧离子注入工艺制备SIMOX材料的剂量窗口. 在此基础上, 提出了一种第一步注入剂量为3.6×1017 cm⁻²、第二步注入剂量为3×1015 cm⁻²的改进型两步氧离子注入工艺, 用于制备高质量的SIMOX材料. 与单步氧离子注入工艺的剂量窗口相比, 注入剂量减少了18.2%. 采用椭圆偏振测试仪测量了所制备样品的埋氧层厚度及均匀性. 通过透射电子显微镜观察到无缺陷的顶层硅以及原子级陡峭的顶层硅/埋氧层界面, 表明两步氧离子注入工艺制备的SIMOX材料具有高的顶层硅晶体质量和剖面结构. 采用原子力显微镜对比研究了单步和两步氧离子注入工艺制备的SIMOX材料顶层硅/埋氧层界面形貌.     

蒸汽珠状冷凝传热的研究进展

蒸汽在固体表面的冷凝现象普遍存在于自然和生产生活当中.探究凝结液生成机理和热质输运过程,对实现凝结过程有机调控具有重要价值.珠状冷凝由于其高效的换热能力及其在防冰除湿、海水淡化等领域的重要作用,备受学界关注.功能界面制备技术的快速发展助力了传热调控的迅速发展,帮助加深了对相关机理的理解,同时也催生了许多新的科学问题和研究方向.本文通过介绍部分代表性工作,回顾了蒸汽珠状冷凝的研究历史,讨论了其形成机理,总结了传热模型的发展历程和功能表面的制备技术,归纳了存在的问题并探讨了未来的研究方向.     

硅基低维发光材料的研究进展

20世纪90年代,作为硅基光电子学的一个主导发展方向,硅基低维发光材料的研究取得了一系列重要进展。一方面,硅基超晶格、量子阱以及多孔硅的研究不断深化,具有潜在的发展优势。另一方面,由各种成膜技术形成的各种纳米晶硅薄膜、硅基纳米微粒以及由自组织生长方法制备的硅基量子点的研究崭露头角,亦呈现出良好的发展势头。本文综合评述了各类硅基低维材料在发光特性方面的研究进展。     

含硅共轭聚合物电致发光材料研究进展

聚合物电致发光材料在通讯、信息、显示和照明等许多领域显现出巨大的商业应用前景, 十几年来一直是人们研究的热点. 最近含硅共轭聚合物在光电功能材料的研究开发中受到越来越多的重视, 一方面是由于硅原子以化学键形式结合到基于碳氢氮硫的传统共轭聚合物中, 能显著改变聚合物的电子结构和状态, 从而改善聚合物的光电性能; 另一方面, 硅是一种广泛应用于现代电子电器等行业的无机功能材料, 含硅共轭聚合物作为一种有机-无机杂化材料具有很高的研究和开发价值. 硅原子的引入对共轭聚合物的结构设计和光电性能改善提供了更大的空间和可能性. 本文根据硅原子在聚合物中的位置, 综述了硅作主链的聚硅烷和poly(1,1-silole), 硅与碳共同作主链的π共轭单体与硅的共聚物, poly(2,5-silole)及其共聚物和含硅桥的共轭聚合物, 以及硅作取代基的π共轭聚合物等含硅共轭聚合物在电致发光材料领域的研究进展, 讨论了其今后的发展方向.     

从广富林遗址中的植硅体组合特征看先民农耕发展

采集了上海广富林遗址生土层和各文化层的样品, 通过考古遗存和植硅体化石的系统研究, 划分了4个植硅体组合带, 并根据同层位出现的水稻扇形植硅体、稻壳植硅体、硅藻化石组合以及考古学证据, 讨论了广富林先人稻作农业的发展及生活环境, 初步认为广富林遗址是在5000多年前一次高海面以后逐渐发展起来的, 并且同时发展了广泛的稻作农业. 这为上海地区古人类和古代文明的研究增添了新的内容.     

二维材料限域水的扫描探针技术研究进展

界面水在自然界和工业发展中无处不在,其结构以及动态性质在众多的界面反应中起着重要的作用.因此,研究固体界面上水的微观结构和动态行为对理解水-固界面上诸多奇特的物理与化学性质十分关键.二维材料限域水是近年来新兴的一类界面水研究对象,即利用超薄的二维材料作为覆盖层,以扫描探针显微镜(scanning probe microscopy, SPM)技术对基底上的水分子进行表征,突破了长期以来SPM对界面水研究中易产生扰动的限制,开辟了在大气条件下研究界面水的新道路.本文简述了近年来SPM在二维材料限域水领域的研究进展,包括对限域水结构的成像、动态行为的探测、限域水的纳米操纵,以及限域水对上层二维材料性质的影响等,同时对二维材料限域水SPM研究面临的挑战和未来的研究方向,以及相关的应用前景作了展望.     

基于分子自旋阀的自旋电子学

分子半导体材料因具有很长的自旋弛豫时间,被认为在自旋电子学领域存在巨大的应用潜力.在基于分子半导体材料开展的自旋电子学研究被首次报道后的十余年里,以分子自旋阀为载体的自旋电子学研究取得了巨大发展并引起了广泛关注.本文将围绕分子自旋阀中的自旋注入、界面效应和输运等关键研究方向,综述近年来该研究领域的重要研究成果,具体包括:分子自旋阀制备工艺改善、结构优化对自旋注入效率的提升,自旋界面效应对优化注入和调控信号等方面的最新进展;以及分子半导体中自旋输运距离优化和输运机制研究结果.最后,基于分子自旋阀中的注入、界面效应和输运的研究基础,展望分子自旋阀多功能化这一新兴研究方向的发展前景.以上进展对未来自旋电子学和分子电子学领域进一步交叉研究的开展具有借鉴价值.     

喷墨打印技术在制备太阳电池中的应用

随着能源需求与消耗不断增加,新能源的开发和利用受到各国的重视.利用光生伏特效应直接将太阳能转化为电能的太阳电池成为国内外研究的热门项目.人们采用各种印刷技术用来制备太阳电池,其中,喷墨打印技术作为一种非接触式的数字成型技术,具有材料利用率高、低成本、适用于在柔性基底沉积等特点而受到广泛关注.喷墨打印技术被认为是新一代太阳电池制备技术.本文从太阳电池的构造入手,综述了喷墨打印技术制备太阳电池的最新进展,系统介绍了喷墨打印技术制备太阳电池金属电极、透明电极、吸收层等功能层的应用,并对该技术制备太阳电池的前景进行了展望.喷墨打印技术将成为太阳电池制备的重要技术.