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寬帶隙半導體在太陽能電池中的應用

鉅大LARGE  |  點擊量:251次  |  2020年04月21日  

摘要
日前,廈門大學物理與機電工程學院康俊勇教授課題組研發成功一種新型太陽能電池,即將氧化鋅和硒化鋅兩種寬帶隙半導體材料用作太陽能電池,從而大大穩定了太陽能電池的性能... 關鍵字:寬帶 半導體 太陽能電池 廈門大學 康俊勇。

日前,廈門大學物理與機電工程學院康俊勇教授課題組研發成功一種新型太陽能電池,即將氧化鋅和硒化鋅兩種寬帶隙半導體材料用作太陽能電池,從而大大穩定了太陽能電池的性能并使其壽命延長。這也是國際上首次實現了寬帶隙半導體在太陽能電池中的應用。


近期,英國皇家化學學會的《材料化學》雜志發表了這一成果,在國際上引起廣泛關注。美國科技日報等十多個科技網站對該項成果進行了報道和轉載。


所謂寬帶隙半導體,一般是指室溫下帶隙大于2.0電子伏特的半導體材料。從物理學上來講,帶隙越寬,其物理化學性質就越穩定,抗輻射性能越好,壽命也越長;但與此相對應,帶隙寬的一個缺點是這種材料對太陽光的吸收較少,光電轉換效率低。由于這種致命性缺陷,寬帶隙半導體材料以往在太陽能電池中不用作發電的關鍵結構,而僅用作電極。


據介紹,目前,在太陽能電池中,應用較多的是硅太陽能電池,但其壽命有限。針對硅電池壽命短的問題,從2005年起,我校半導體光子學中心的專家們將眼光瞄向了具有穩定物理化學性質、抗輻射性能好、壽命長的寬帶隙半導體,致力于寬帶隙半導體在太陽能電池應用的研究。


究竟能否變這種不可能為可能呢?經過深入研究,課題組發現,有兩個制約轉化的瓶頸:一是能否形成光生電流;二是能否提高寬帶隙半導體的吸光率。


最讓課題組費腦筋的是如何讓光電子流動起來。經過多次實驗,課題組決定,選用兩種寬帶隙半導體材料氧化鋅和硒化鋅作為太陽能電池的材料,形成類似于PN結的帶階,讓電流流動起來。


同時,課題組在提高吸光率上也大做文章改革了以往的制備方式,通過控制條件,讓兩種材料實現共格生長,首次形成新型量子結構,大幅度降低了寬帶隙半導體的有效帶隙,增加了吸收太陽光的范圍。同時,將疊層狀的薄膜形式改為一根一根的同軸線形式,每根僅有200納米。這樣一來,吸光面積大幅度增加,吸光率也隨之提高。


目前,課題組研制的氧化鋅/硒化鋅量子同軸線太陽能電池,相比于國際同類半導體器件,其0.7伏特開路電壓和9.5%最大外量子效率均為最高。項目主要完成人,我校物理與機電工程學院副教授吳志明介紹說,接下來,課題組將在電阻、電極等方面對電池做進一步完善,使之達到最佳狀態。


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