高性能n型透明导电薄膜 | 新型p型透明导电薄膜 | 高性能增透纳米结构薄膜

高性能n型透明导电薄膜 (High Performance n-type Transparent Conducting Films)

　　透明导电薄膜(TCO)由于具有高的可见光区透射率、高的红外区反射率和对微波强的衰减性，同时具有低的电阻率等独特的性能，因此得到了迅速发展且在许多领域得到了广泛的应用。n型透明导电薄膜是光伏电池中关键的光电配套材料，占非晶硅a-Si薄膜电池成本的30-40%。In₂O₃:Sn(ITO)和SnO₂:F(FTO)是已经发展成熟的n型TCO材料，分别大规模应用于平板显示和建筑/太阳光伏能源系统两大领域。ZnO:Al（AZO）透明导电薄膜因价格便宜、来源丰富、无毒、易于大面积生产，并且在氢等离子体中稳定性要优于ITO和FTO薄膜，同时具有较ITO薄膜更好的光电特性，因而成为ITO薄膜更有利的替代者，ZnO基透明导电膜体系近期更是成为世界范围内的研究开发热点。光捕获技术是当前薄膜太阳能电池高效化的关键之一，TCO的织构化作为光捕获技术的关键，正成为行业竞争的焦点。

　　我们的研究主要侧重于：1. 非铟、低铟TCO薄膜的低成本制备技术；2. 表面织构化ZnO基透明导电膜体系的低温制备；3. 高性能表面织构化TCO薄膜在太阳能电池中的应用。

新型p型透明导体 (Novel p-type Transparent Conducting Films)

　　透明导电材料是同时具有高度可见光透过性和良好导电性的半导体材料，被广泛应用于平面显示、电子信息、建筑等领域中,也是新型高效太阳能电池的关键材料。p型透明导体的应用极大地提高了半导体器件的工艺窗口，拓展了半导体制造工艺。p型透明导体在电池中可用来替代金属电极，进而降低不透明区域面积，提高受光面积。在新结构电池上，p型透明电极的应用同样重要，若能将透明电极镶嵌于多个吸光材料层间，及时将空穴和电子导出，就可以实现各太阳光波段光电转换效率高的材料依次复合组成电池，从而最大程度地利用太阳光，大幅度提高光伏转换的效率，进而降低光伏发电成本。

　　为解决可见透光和高p型空穴导电的相互制约导致高性能p型透明导体的稀缺，我们提出运用结构功能区的概念，成功地将这两个属性在同一材料体系中实现，开发出高性能的新型p型透明导体体系；同时应用渠道火花烧蚀(CSA)法、脉冲激光沉积(PLD)法、非真空液相法对已得的材料进行薄膜化以及透明p-n 结元器件化的尝试。已经制备出Sr₃Cu₂Sc₂O₅S₂晶体是迄今载流子迁移率最高的透明导体材料 (240 cm²·V^-1·s^-1)；Cu 自掺杂的 CuAlS₂ 的室温下块体导电率高达 250 S·cm^-1，可以与商用 ITO 相媲美；分别采用 CSA 法和 PLD 法制备得到性能优异的 CuAlS₂薄膜，在可见光范围内的透过率均高达70%，特别是用 CSA 法制得的 CuAl_0.9Zn_0.1S₂ 薄膜导电率高达 61.7 S·cm^-1，大大优于许多已报导的p 型透明导体薄膜；采用非真空液相法制备的α-BaCu₂S₂薄膜，其室温电导率高达 33.6 S·cm^-1，接近射频磁控溅射法所制备薄膜的2倍；利用原位液相沉积方法制备的CuS薄膜，导电率高达2.03×10³ S·cm^-1，方块电阻 154 Ω/sq，薄膜厚度为 560 nm 时透光率达到 94%，此p型透明导电薄膜接近n型透明导电薄膜水平。

高性能增透纳米结构薄膜 (Nano-structured Broadband Antireflective Films)

　 　将太阳辐射能转换为电能的光伏电池产业是太阳能利用的重要组成部分。但发电成本高和光电转换效率低是目前制约太阳能电池大规模应用的最大瓶颈。由于太阳能电池透明封装材料对太阳光存在着不同程序的反射和吸收，造成7-8%的能量损失，而无法充分利用太阳能。如果在太阳能电池透明封装材料表面制备一定的减反增透结构或是涂层，可以使太阳光的透光率从92%左右提高到96%以上，从而提高太阳能电池的实际转换效率0.3-0.5%。因而在现有电池片组件的基础上，通过提高封装材料(玻璃、PET塑料等)的透光率是目前提高太阳能电池组件转换效率的最有效方法之一。

　　高性能的减反增透膜的关键在于设计出具有折射率渐变的特殊纳米复合结构或多尺度微观结构，通过各种先进纳米制备技术，实现封装材料的高透过率。目前正进行的课题包括：单层和多层纳米多孔低折射率减反射涂层，折射率梯度柱状阵列结构以及梯度薄膜，基底材料表面通过修饰或刻蚀形成亚波长表面微起伏的周期性结构，不同折射率的多尺度微观复合的结构。

　　本课题获得国家科技部973项目、中国科学院重大创新工程课题的支持。已经研制和开发出低成本的纳米结构可控、折射率连续可调、宽光谱减反增透的纳米涂层；实现玻璃基底镀制涂层在400-800 nm波段的整体透射率平均提高6%，可达97.5%以上。重点开发该工艺在太阳能电池方向的应用，并对薄膜的工业化进行探索。开展增透纳米结构薄膜的研究，无论在新材料的合成、能源技术等方面，还是在军事的尖端技术发展方面均具有重要的科学技术价值。