基于理论模拟优化III-V族/Si型多结太阳电池及其辐照损伤的研究
批准号:
62104209
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
庄玉
依托单位:
学科分类:
半导体光电子器件与集成
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
庄玉
中文摘要
高效III-V族/Si型多结太阳电池由于其较高的光电转换效率及较低的成本在未来航天和空间任务中具有广阔的应用前景。首先,本项目将针对其异质外延生长制备过程中会形成大量缺陷的问题,通过第一性原理计算获得低缺陷密度及高界面稳定性III-V族/Si型材料外延生长的理论模型;其次,通过对III-V族/Si基太阳电池结构设计的优化,获得较高起始光电转换效率(>35.9%,AM1.5g)的电池结构参数;最后,通过分子动力学模拟结合数值模拟的方法在目前实验条件达不到的多个时间尺度和空间尺度上,揭示III-V族/Si型太阳电池辐照缺陷的微观演化过程,阐明电池宏观电性能衰退的真正物理原因,并获得辐照损伤规律与材料参数、结构特征的相关性。最终为获得低成本、高效率且耐辐照的空间用III-V族/Si型太阳电池提供理论依据。
英文摘要
High-efficient III-V-on-Si multijunction solar cells could be widely used in space applications in the future because of their high photovoltaic conversion efficiency and low-cost properties. Firstly,this project proposed a method based on First-Principle calculations to obtain the theoretical heteroepitaxial growth model for growing III-V-on-Si materials possessing low defects density and stable heterointerfaces. Then, the optimization of the III-V-on-Si solar cell structure will be carried out to get the main structural parameters of the high photovoltaic efficiency (>35.9%, AM 1.5g) solar cells. Finally, in order to figure out the radiation damage dependence on the materials and structures of the solar cell, the defects evolution induced by radiation in multi-scales, which experiments couldn’t reach, will be simulated by combining the molecular dynamics simulation and numerical modeling to explain the physical reasons behind the irradiated degradation of electrical properties. Eventually, this project would achieve the goals of making III-V-on-Si solar cells be low-cost, and possessing high photovoltaic efficiency and high irradiation resistance.
高分辨率对地观测系统及载人航天与探月工程均被列为16个国家重大科技专项,加上其他如通信卫星、气象卫星、科学实验卫星、导航卫星等航天工程,我国在未来每年都将有数十上百颗星船进入太空。随着航天器载荷的增加及其性能的不断提升,对在轨电源的功率需求也日益增长。然而,由于太阳电池阵帆板面积的限制,提高太阳电池的效率和耐辐射强度成为了未来航天器发展的永恒追求。III-V族化合物多结太阳电池以其出色的光电转换效率被公认为最成功的技术之一,但遗憾的是,其高昂的成本一直阻碍了其大规模部署的进程。为了在保持高效的同时创造成本效益,一种有效的途径是在传统的Si单结电池基础上添加新材料,从而形成III-V族/Si型太阳电池。目前,国内在III-V族/Si型太阳电池的关键制备技术方面尚属空白,同时对于该电池的辐照损伤机理也缺乏相关的研究。总体来看,III-V族/Si型太阳电池在国内外的研发都仍处于早期阶段,其中生长合成该电池的技术是制约其发展的主要瓶颈。若该技术能达到行业成熟水平,III-V族/Si型太阳电池将能够应用于中辐射环境中的短期/中期空间任务。针对异质外延生长III-V族/Si型材料时会产生大量缺陷的问题,我们项目利用第一性原理计算方法,旨在获得低缺陷密度及高界面稳定性的III-V族/Si型材料外延生长的理论模型,并对III-V族/Si型太阳电池的结构进行优化。此外,针对当前辐照效应研究的局限性,即只能得到宏观的电性能退化机制,而无法建立性能退化与结构微观演化效应的联系,本项目采用数值模拟的方法揭示了太阳电池辐照损伤的全物理过程,阐明电性能衰退受辐照影响的真正物理原因,并探究了辐射损伤规律与材料生长参数、结构特征的相关性。最终,为获得低成本、高效率且耐辐照的空间用III-V族/Si型太阳电池提供了坚实的理论依据。III-V族/Si型多结太阳电池在未来航天和空间任务中必将拥有广阔的应用前景。这不仅将推动我国航天事业的进一步发展,也将为全球空间科技的进步贡献中国力量。
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