李彤科研项目简介
项目种类：天津市高等学校科技发展基金计划项目
项目名称：NiO/ZnO薄膜太阳能电池的研究
项目编号：20120710
项目简介：能源危机和环境污染已经成为严重制约人类经济和社会长远发展的两大问题。全球人口迅速增长对能源的需求也处于持续增长过程中。同时，人类文明快速发展所依赖的煤，石油，天然气和铀等常规能源正在遭受过度开采，并且正走向枯竭，除了煤炭以外，化石能源将在21世纪的中叶被开采完。同时使用这些化石能源时带来了一系列问题，比如：温室效应、臭氧层破坏、酸雨等，正严重威胁着我们赖以生存的环境。因此，从人类长远发展看，寻求新的、可再生、无污染的洁净能源是未来人类生存和发展的必须。太阳能发电作为清洁能源中的生力军，得到了全人类的青睐，成为人类社会可持续发展的必经之路。
太阳能电池作为太阳能发电的重要方式，与其它清洁能源相比，具有其固有的优势：
（1）太阳发电，不受地域条件限制；
（2）太阳寿命很长（约60亿年），因此可以说太阳能是真正的无限能源；
（3）发电过程中几乎无任何废气、废物排出；
（4）没有大型的运转部件，可以安静地生产清洁能源；
（5）维护简单，容易实现自动化和无人化；
（6）与规模大小无关，可按一定的效率发电（因为太阳能电池的转换效率，与基所利用的装置规模的大小无关，几乎是恒定）；
（7）由于是模板结构，易于产生规模化效益；
（8）太阳能发电是对废弃能源的有效利用。
作为清洁和环保能源，光伏产业受到全球各国政府的支持，进入了快速发展的阶段，平均年增产率超60%，2007年全球产量到4078MW，2008年为7321MW，2009年为10431MW。日本于1992年启动了“新阳光计划”，到2003年其光伏组件生产份额占世界总产量的50%，世界前10位太阳能电池厂商中日本占据4席。在我国，从事太阳能电池生产的企业超过50多家，2008产量为1188MW，2009年4170MW，根据相关规划，预计在2020年我国的太阳能发电装机总容量将达到1.8GW。因此太阳能光伏发电技术在未来的新能源供应中被寄予厚望。
目前，光伏发电在航天、通讯及微功耗电子产品领域中已成功地占据了不可替代的位置，但作为社会整体能源结构的组成部分所占比例尚不足1 %，造成这种状况的主要原因是太阳能电池的成本较高。要使光伏发电真正成为能源体系的组成部分，必须要大幅度地降低成本。薄膜太阳能电池在降低成本方面比晶体太阳能电池具有更大的优势，一是实现薄膜化后，可极大地节省昂贵的半导体材料；二是薄膜电池的材料制备和电池同时形成，因此节省了许多工序；三是薄膜太阳能电池采用低温工艺技术，不仅有利于节能降耗，而且便于采用廉价衬底(玻璃、不锈钢等)。同时它既是一种高效能源产品，又是一种新型建筑材料，更容易与建筑完美结合。在国际市场硅原材料持续紧张的背景下，薄膜太阳能电池已成为国际光伏市场发展的新趋势和新热点。但是其效率不及硅太阳能电池，实现其大规模生产还有一段距离。近些年来，由于半导体-半导体异质结易于实现光生电荷分离被广泛应用于提高太阳能的转化效率以及光电子器件的研制和开发方面。同时，作为薄膜太阳能电池材料还需具备高的电导率、低的激活能及宽的光学带隙。宽的光学带隙可以减少对入射光的吸收，进而增大电池的短路电流；低的激活能有利于增大电池的内建电势和开路电压；高的电导率可以减小电池的串联电阻，从而改善其填充因子。ZnO和NiO都是直接带隙的半导体材料，与间接带隙的半导体材料相比，量子效率相对较高。利用NiO与ZnO组建成异质结可以大大提高样品对太阳能的光响应范围，从而提高太阳能的利用率。
此外，NiO是一种过渡金属氧化物，P型直接带隙半透明半导体材料，室温下禁带宽度为3.0-4.0eV，由于3d电子结构的d-d轨道跃迁，使其在可见光区域存在较弱吸收；P.Puspharajha等人采用喷雾热解法通过对NiO掺入Li+使NiO薄膜在可见光波段透光率达到90%，薄膜电阻下降到1Ω·cm。P型NiO可与N型半导体材料构成PN结，应用于制备各种光电子器件。现在国、内外关于NiO薄膜特性研究主要集中在电致变色、电池电极、超电容器（即电化学电容器）、气敏传感器，但是对其光电特性研究较少。ZnO是一种II-VI族具有纤锌矿结构直接宽带隙的N型半导体材料，室温下禁带宽度为3.36eV，激子束缚能约为60meV；本征氧化锌(ZnO)薄膜的电阻率高于106Ω·cm，可以通过对薄膜进行掺杂及退火条件形成简并半导体，使其导电性能大幅提高。ZnO通过掺杂可以获得低电阻、高透过率和高质量的ZnO薄膜，使其在制备透明电极及太阳能电池得以利用。同时ZnO具有很多的潜在优点，例如制备ZnO的原材料丰富、无毒、价格低廉。ZnO具有更高的熔点和物理、化学稳定性以及低温度外延生长、易成膜等等。
因此，选择NiO 和ZnO可以形成很好的PN 结，适用于薄膜太阳能电池的研究。
目前针对该项目的研究成果
1.样机：
图1 NiO/ZnO异质结薄膜电池样机
2.研究论文及专利：
| Mn掺杂对ZnO:Mn薄膜结构特性的影响 |
发光学报 EI期刊EI:20134416913902 2013-09-19 |
| 工作气压对ZnO:Mn薄膜结构特性的影响 |
发光学报 EI期刊EI:20132716470999 2013-06-16 |
| An oxide-diluted magnetic semiconductor: Co-doped ZnO |
Advanced Materials Research EI会议 EI:20130916069585 2013-01-25 |
| NiO/ZnO薄膜太阳能电池的研究进展 |
材料导报 核心2013-05-16 |
| Co掺杂ZnO基稀磁半导体材料磁性研究进展 |
天津职业技术师范大学2013-10-01 |
| 一种Si/NiO:Cu异质pn结二极管 |
发明专利2013.10 201310507638.x |
| 一种NiO:Cu/ZnO异质pn结二极管 |
发明专利2013.10 201310507639.4 |
| 一种Si/NiO:Na异质pn结二极管 |
发明专利2013.4 201310146661.0 |
| 温度对Mn掺杂ZnO薄膜结构的影响 |
天津职业技术师范大学2013-10-01 |
| Si/NiO异质pn结的光电性能研究 |
光电子·激光EI期刊 已接收 |
| Fabrication and characterization of NiO:Na/ZnO pn junction by magnetron sputtering technique |
Materials Research Innovation SCI 已接收 |
| The influence of oxygen on the optical and electrical properties of NiO:Cu/ZnO heterojuntions |
Semiconductor Science and Technology SCI 已接收 |
3.一名依托该项目毕业的硕士生张宇将在东京理科大学读取博士学位
依托实验室：先进光磁电材料研究中心
