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面向硅基叠层电池应用的硒化镉(CdSe)太阳能电池研究

批准号:
62105110
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:
李康华
依托单位:
学科分类:
能源与照明光子学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
李康华

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
构建多结叠层太阳能电池是突破Shockley-Queisser效率极限最可行的途径。双结硅基太阳能电池的理论效率高达45%,其顶层太阳能电池的光吸收材料最佳带隙为1.7eV。现有1.7eV带隙的光伏材料存在成本昂贵或稳定性不足等问题,难以满足低价、长期稳定的商业化需求。硒化镉(CdSe)禁带宽度合适(1.72eV),材料吸光系数大(>105 cm-1)、迁移率高(500 cm2 V-1 s-1),单结电池理论效率可达28%。同时,其储量丰富、组分简单、稳定性高,且能兼容碲化镉太阳能制备技术,非常适合制备太阳能电池并与晶硅叠层应用,但薄膜缺陷和器件界面复合导致的转换效率低的难题亟待解决。申请人前期已经取得了效率4%的CdSe太阳能电池,本项目拟阐明CdSe缺陷调控的微观机理,结合薄膜缺陷钝化和器件协同优化,获得效率>10%的CdSe太阳能电池,为叠层太阳能电池的研究提供备选方案。
英文摘要
Constructing a multi-junction solar cell is a feasible way to surpass the Shockley-Queisser efficiency limit. Theoretically, silicon-based tandem solar cells can achieve 45% efficiency in conjunction with a top cell that has an optimal bandgap of 1.7 eV. The existing photovoltaic materials with a 1.7 eV bandgap have problems such as high-cost or poor-stability, making it difficult to meet the demand for low-cost, long-term stable photovoltaic power. Cadmium selenide (CdSe) is such a very promising absorber material for Si-based solar cells due to its suitable bandgap (1.72 eV, theoretical efficiency of up to 28%), high absorption coefficient (>105 cm-1), high mobility (500 cm2 V-1 s-1) and high stability. Moreover, CdSe is relatively earth-abundant and compatible with the preparation technology of CdTe solar cells. However, the low efficiency caused by film defects and interface recombination is urgent to be addressed. Previously, the applicant has obtained an efficiency of 4% in CdSe solar cells. This project aims to elucidate the microscopic mechanism of CdSe defect passivation based on the defect theory. We will focus on defect passivation and device optimization to achieve an efficiency of >10% in CdSe thin-film solar cells, providing alternatives for tandem solar cells.
硒化镉(CdSe)作为一种具有优异光电性能的材料,在太阳能电池中展现出广阔的应用前景,尤其在硅基叠层太阳能电池中具有巨大的潜力,有望有效解决当前硅基叠层电池成本高、稳定性差等问题。本项目聚焦于CdSe薄膜材料中缺陷和器件界面复合导致的低光电转换效率问题,围绕“缺陷理论计算—材料制备与调控—器件设计与性能优化”展开系统研究。在理论研究方面,基于第一性原理计算,揭示了CdSe薄膜中缺陷的形成机制,特别是Se空位缺陷对载流子复合的关键作用,指明其是导致载流子复合和短寿命的主要因素。进一步研究表明,通过Te元素钝化可以有效降低载流子复合速率,改善缺陷钝化,显著提升载流子寿命。在材料制备方面,开发了快速热蒸发与气相转移沉积技术,实现了高质量CdSe薄膜的制备,并探索了原位Te元素钝化策略,显著增加了CdSe薄膜的载流子寿命,为器件性能的优化奠定了坚实基础。此外,结合高分辨透射电子显微镜(TEM)和瞬态吸收表征,揭示了CdSe薄膜中层错缺陷是影响载流子复合与寿命的关键因素之一,并通过开发单一晶向ZnO缓冲层诱导CdSe薄膜的取向生长,有效解决了该问题。在器件层面,结合Te原位钝化与ZnO晶向诱导策略,进一步探索了宽带隙、高迁移率的无机CuI薄膜与低缺陷密度的PEDOT高分子层的复合方式,成功构建了CdSe薄膜太阳能电池,并实现了6%的领先光电转换效率。此外,通过基于ZnTe薄膜的研究,提出了全无机CdSe薄膜太阳能电池结构,进一步提高了器件的稳定性。最终,结合仿真软件,阐明了在解决CdSe薄膜体缺陷与器件界面缺陷后,器件性能的显著提升潜力,为其在硅基叠层太阳能电池中的应用提供了坚实的基础。本项目的研究成果为CdSe薄膜太阳能电池的高效率与稳定性提升提供了重要理论依据和技术路径,推动了该材料在未来光伏应用中的实际应用。
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