SEMINAR
2015年度国家重点实验室特邀学术报告
The State Key Lab of
High Performance Ceramics and Superfine Microstructure
Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences
中 国 科 学 院  上 海 硅 酸 盐 研 究 所 高 性 能 陶 瓷 和 超 微 结 构 国 家 重 点 实 验

　　太阳能材料的理论研究

　　尹万健  博士

　　美国可再生能源国家实验室   助理研究员

　　美国托莱多大学光伏研究中心  研究助理教授

　　时间：2015年1月6日（星期二）上午 10:00

　　地点：2号楼607会议室（国家重点实验室）

　　欢迎广大科研人员和研究生参与讨论！

　　报告摘要：

　　新能源和可再生清洁能源领域毋庸置疑将成为未来关系国计民生的关键科学和技术。太阳能作为一种可再生能源，其资源丰富，且无需运输，对环境污染低。而如何提高现有太阳能电池效率以及寻找新型太阳能材料成为当务之急。基于太阳能电池的基本物理原理，利用大型计算机进行材料设计成为寻找新型太阳能材料以及改进现有材料性质的有效手段。

　　报告将汇报我们最近在太阳能电池吸收材料以及太阳能光解水电极材料方面的一些研究进展，主要包括三方面内容：

　　(1)新型钙态矿电池。钙态矿太阳能电池最近两年引起了能源与材料界的广泛关注。其效率从2009年的3.8%快速发展到2014年的20%以上。由于其组成元素在地壳中含量丰富以及制备过程简单经济，钙态矿被认为是下一代太阳能电池的基础材料。我们最近对钙态矿材料进行了系统的研究并将之与传统薄膜太阳能电池材料做对比，发现其具有一系列优越的物理性质。这些性质包括合适的带隙，高电子和空穴迁移率，高光吸收率，浅缺陷能级以及反常的拓扑缺陷性质。这些研究成果揭示了钙态矿型太阳能电池具有与传统薄膜太阳能电池不一样的新工作机理。我们进一步将其新机理概念化并提出了简洁的理论图像，对实验上进一步提高钙态矿太阳能电池效率有直接的指导意义。

　　(2)薄膜太阳能电池的晶界和位错。薄膜太阳能电池吸收层绝大多数是多晶材料。因此，晶界和位错的物理性质对电池效率有着决定性的作用。一直以来学术界对多晶吸收层中晶界的性质和作用有着很大的争论。比如对于Cu(In,Ga)Se₂,人们以前认为晶界处Cu的成分少于其块体的化学配比，这样可以在晶界处形成空穴势垒，有助于电子空穴有效分离。可最近的实验发现对有些晶界Cu的成分反而多，这促使人们去重新认识Cu(In,Ga)Se₂电池高效率的物理机理。我们利用第一性原理计算系统的研究了多晶CdTe, CuInSe₂ 和 Cu₂ZnSnSe₄的晶界性质，发现这些材料晶界的本征性质都很差，会在能隙中产生深能级。而通过适当的缺陷聚集可以对晶界进行很好的钝化，从而消除这些深能级，提高太阳能电池的效率。

　　(3)光解水电极氧化物的能带调控。氧化物（特别是 TiO₂）由于其在水溶液中的稳定性可以作为电极材料吸收太阳光在其表面发生电化学反应。这样的电化学反应可以用来分解水产生氢能源。但是，过大的能隙使得绝大多数氧化物对太阳光的吸收率不高，因而降低能隙成为提高光解水效率的关键。人们传统上利用缺陷单掺杂方法来降低能隙，但这种方法在实验上并没有起到很好的效果。基于半导体表面电化学反应的基本原理，我们提出了一系列方法来降低氧化物能隙同时提高导电性，从而提高太阳光利用效率：（1）提出了对TiO₂阴阳离子共掺杂的新方法，并对可能的共掺离子对进行了系统研究，发现了共掺(Ta/Nb,N) 或 (Mo/W,2N) 可以有效提高TiO₂电化学反应效率;(2)首次提出TiO₂中的双空穴耦合机制可以有效降低能隙，该机制被同行广泛应用到其他氧化物的能带调控中；(3)首次发现anatase 相的TiO₂ 有一个软的晶向。通过对这个方向加压可以有效降低它的能隙。