2011B933300-G基于纳米结构的新型柔性纤维基可编织光伏器件重要基础.doc

2011CB933300-G基于纳米结构的新型柔性纤维基可编织光伏器件重要基础 其身正，不令而行；其身不正，虽令不从。人逢喜事精神爽，月到中秋分外明。三人行，必有我师焉：择其善而从之，其不善者而改之。遥望洞庭山水色，白银盘里一青螺。举杯邀明月，对影成三人。 本文由topjz贡献 doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 项目名称： 基于纳米结构的新型柔性纤维基可编织 光伏器件重要基础问题研究 首席科学家： 邹德春 北京大学 起止年限： 2011.1 至 2015.8 依托部门： 教育部 二、预期目标 本项目拟充分发挥纤维基微/纳结构新型光伏电池的可编织和界面/边际效 应显著这两大特色，深入研究特殊介观空间内纳米单元间的光子/载流子传输机 理等基础问题；探索出宏观器件模块构筑过程中纳米器件单元的新颖组装、集成 方式及相关材料的设计和合成新方法；设计实现具有突出创新特色的高效率、低 成本、 柔性光伏电池基元结构， 多尺度优化电池的高效光子减反和广谱吸收结构， 开发并完善具有自主知识产权的新型可编织光伏电池技术及电池模块构筑新方 法，建立新型器件表征体系。 具体目标及指标如下： 具体目标及指标如下 1． 欲阐明非均匀场作用下的光生载流子的分离及输运机理；建立在极端曲率 基底表面多层次多尺度构筑具有光电活性的功能纳米结构新方法； 2． 基于微/纳米复合结构，研制出拥有自主知识产权的、拥有更高效纳米载流 子通道结构的新型柔性/纤维状光伏电池器件，效率达到 6％以上，电池寿 命1 万小时。 3． 合成 3-5 种适合纳米结构光伏器件的新型光敏材料，消光系数达到 105 M -1 cm ，研发 2-4 种适合纳米结构光伏器件的新型固态载流子传输材料； 4． 建立全谱光响应的理论， 合成 2-3 种光电转换效率高于 8%的全光谱光电极/ 光敏材料； 5． 研制出具有高效光子减反、广谱吸收特性柔性编织电池模块，编织电池模 块面积大于 100×100mm2。； 6． 申请发明专利 20~30 项，发表高质量 SCI 论文 80 篇以上； 7． 培养博士生 60 名以上，博士后 15 名以上。 三、研究方案 总体思路 宏观器件结构与微观纳米结构之间存在巨大的尺度跨度， 因此纳米材料在宏 观半导体器件中的应用研究遇到了很多障碍，包括：纳米尺寸效应聚集淬灭、光 子减反低效、广谱吸收实现困难以及电池材料透光性限制等。挖掘器件介观结构 潜力，优化分子聚集体-纳米半导体-微米电极复合体系的多尺度组装结构，是从 根本上调和结构差异、深化纳米材料器件化应用的重要研究思路。特别是在我们 的前期研究中发现的源于电极基底非平面结构的超高光电流现象更是为包括新 型、高效率光伏电池在内的新型光电器件的设计提供了全新的途径，预示了这类 光伏电池的理论最高效率进一步提高的可能性。 此外，高效捕光是实现高效光伏电池的前提；传统的光伏电池中，光子吸收 采用透过式（如图 4.1.1A），即入射光子通过折射穿过透明电极、半导体窗口 图 .1.1A 等到达光敏界面被吸收。传统电池工作光路结构简单，但不同界面上反射耗散严 重，高效捕光结构设计切入点极为有限。另外，透光面电极等材料必须兼具高导 电性及高透光性， 严重限制了电池材料选择范围和电池结构、 形态的设计自由度。 图 4.1.1 不同透光模式示意图 我们的研究思路是利用光伏电池特性对微纳限域空间内光学与电子学行为 极为敏感的特点，通过将具有 DSSC、CIGS、硅光伏功能的纳米单元组装在微纤 维、光纤等介观结构电极基底上形成新型低成本可编织光伏电池器件，在高效光 散射/全反射光学结构设计以及光敏特性不同的纤维器件混和编织的基础上构建 具有高效光子减反、广谱吸收的光伏电池模块，从而探索纳米结构多尺度组装在 半导体器件学科中的新应用， 最终实现高效、 柔性可编织的光伏电池及电池模块。 编织结构拥有极高的结构灵活性。纳米结构尺寸与光子波长相当，散射、衍 射行为显著。通过高比表面积纳米结构与介观编织结构的合理组装，可以实现散 射式或光波导式的高效光子捕获（图 4.1.1B、C），取代传统的透过式光路。这 图 .1.1B、 一思路不仅为高效率光子减反、广谱吸收等光学结构设计提供了全新的切入点， 还可使电极材料摆脱透光性的限制，用金属等环保、稳定、廉价的高导电性材料 取代传统透明电极材料，大幅度降低成本，提高导电性和器件稳定性，并实现光 伏模块形态的多样性。 与平板表面不同， 纤维基底表面还可以生长发育出具有树根状的纳米发散结 构，更易构建高密度光子吸收和电荷分离界面与有序长程载流子传输通道共存 更