973申请书

项目名称：宽光谱高效薄膜太阳电池的基础研究首席科学家：XXX

起止年限：2011.1至2015.8

依托部门：中国科学院

二、预期目标

项目总体目标

面向国家对洁净能源的重大战略需求，选择具有材料丰富、环保和良好研究基础的高性价比薄膜太阳电池为突破点，通过深入研究，将在以下方面获得突破性进展，达到国际领先或先进水平，使光伏发电在国家能源布局中占有重要地位。

前沿的基础研究成果

本项目将发展高稳定、宽光谱吸收的高效电池用关键材料，全面揭示电荷分离、输运和复合机理，建立高效宽光谱薄膜电池光管理的理论模型，宽谱高效薄膜电池设计模型，深刻认识实用化电池中效率与稳定性的内在联系，揭示工作环境对组件性能的影响机制，为真正实现薄膜太阳电池的大规模光伏发电应用，提供科学依据和技术基础。

高水平技术研究成果

探索研究拥有自主知识产权的高效染料敏化太阳电池制备技术，效率高于15%；研发面积大于300cm2，效率达10%的染料敏化太阳电池组件及产业化制备关键技术，获得使用寿命20年以上制备技术路线。研发基于全光谱利用的新型硅基薄膜吸收材料体系和宽光谱新型透明导电薄膜，探索研究具有自主知识产权的全光谱高效硅基薄膜叠层太阳电池制备技术，效率高于15.5%，提供可实现产业化的技术方案。培养和造就一批年富力强薄膜太阳电池领域的学术带头人和高素质研究团队，提高我国在薄膜太阳电池领域的科学研究水平和技术创新能力，建立有国际影响力的研究平台，满足节能减排重大国策及可再生能源普及应用的重大需求。

五年预期目标

(1) 利用自主知识产权的纳米结构和有机光电功能材料实现转换效率达15%的染料敏化太阳电池，实现基于凝胶电解质电池转换效率达13%的染料敏化太阳电池和基于有机空穴传输材料转换效率达8%的全固态染料敏化太阳电池。

(2) 建立染料敏化太阳电池微观尺度界面电荷转移、复合及传输的完整动力学模型，为提升器件效率提供理论指导。

(3) 完成电池组件制备中关键设备的研制，获得使用寿命20年以上，工业制作成本低于0.5美元/峰瓦的染料敏化太阳电池组件技术路线（面积大于300cm2，效率达10%）及产业化制备关键技术。

(4) 建立高效全光谱硅基薄膜太阳电池基于全面“光管理工程”的理论模型及其实现途径与方案，获得适于宽光谱高效硅基薄膜电池的透明导电薄膜。

(5) 基于能带工程和高效全光谱硅基薄膜太阳电池的模拟计算，构建适于宽谱吸收硅基薄膜光伏材料体系及其制备技术。

(6) 利用具有自主知识产权的新型光伏材料，获得宽光谱高效硅基薄膜电池，转换效率15.5%以上，提供可实现产业化的技术方案。

在国内外杂志发表SCI和EI研究论文100篇以上，申请专利20项以上，培养博士生和硕士生80名，培养和造就5名优秀学术带头人，形成若干个在相关领域中有研究特色和国际影响的研究团队。

三、研究方案

面对国家对洁净能源的重大战略需求，紧密围绕高性价比薄膜太阳电池在基础研究和规模化应用中所面临的若干关键问题，从材料学、物理、化学、纳米科学以及电子学等多学科交叉的角度，充分利用原有的工作基础，在染料敏化太阳电池和硅基薄膜太阳电池的研究上取得突破。电池效率与稳定性是项目成果的集中体现。为了最终实现薄膜太阳电池的实用化，本项研究必须做好以下四方面的工作：一是宽谱吸收染料敏化太阳电池和硅基薄膜电池用关键新型材料的研究，二是先进光管理设计、电池机理和界面动力学的研究，三是高效电池和组件结构的设计、优化计算与低成本的实现，四是组件关键材料与环境稳定性的关联机制。本项目的总体研究思路如下图所示：

1、染料敏化太阳电池研究

1）宽谱吸收染料敏化太阳电池关键材料的研究

基于量子力学原理的电子结构方法，利用密度泛函理论方法、含时密度泛函理论（TD-DFT）方法，包括最近发展起来的解析能量梯度算法，把DFT的良好性能推及至激发态的计算；考虑电解质（I3-／I-）溶液的环境效应，研究染料基态及激发态所具有的电子结构性质，通过定量分析分子基态和激发态的分子轨道

成分、电子云密度分布、原子电荷布居和总电荷等性质，从微观上了解吸收和发射光谱性质以及吸收和发射过程中的跃迁机制，探索染料分子结构对其光谱的微观机制的影响规律，为实验上的材料设计提供理论指导，缩短染料开发周期。

研究基于多吡啶钌基配合物的宽谱吸收染料分子，通过对联吡啶配体进行功能化修饰，可以获得对太阳光更高吸收效率的敏化剂；通过合理分子结构的调控可以获得高摩尔消光系数的全有机染料，在前期研究基础上，研究更强电子给体，比如以吡咯为核心的电子给体，结合前期开发的高摩尔消光系数、良好自组装行为的π单元和氰乙酸受体，实现吸收光谱显著红移、增大光吸收、提高电池效率。

加强探索研究高效量子点敏化剂的开发：通过湿化学合成制备系列II-VI族和IV-VI族量子点材料，如CdS、CdSe、PbS、PbSe等，实现对材料化学组分、形状和尺寸的控制，采用共价键分子连接、化学浴沉积以及连续离子层吸附反应等方法实现量子点在纳晶电极上的高效沉积，进一步提高量子点材料在纳晶薄膜电极表面的覆盖率，通过尺寸控制实现量子点与纳晶电极之间的最佳能级匹配，引入共敏化染料调节电荷的注入，通过光电调制技术研究电荷的传输机理，发展新的可代替碘对的空穴传输材料等，开展进一步提高量子转换效率的研究。

用一维氧化钛材料或其阵列结构、反蛋白石等三维有序网络结构来改善电子传导的路径，提高薄膜光散射性，提高电池的光电转换效率：用水热法制备氧化钛纳米线，此纳米线长从几个微米到几十个微米，甚至更长，外径小，热稳定性高。用不同含量的氧化钛纳米线和纳米颗粒混合制备浆料，制备成工作电极，氧化钛纳米线均匀地分布在纳米颗粒中，能在薄膜顶端收集的电子直接通过一根纳米线传导到基底，更有效的收集电子。减小薄膜的孔洞率，提高染料的吸附量；用水热法制备氧化钛纳米带。研究适用于大面积太阳电池的基于斜式透明纳米管阵列的多孔薄膜电极，这种新型纳米管具有光吸收强，电子扩散长度长，阻挡层薄，可以正面光入射等优点，将会有效地提升染料敏化太阳电池的光电转换效率。可控、宏量制备基于一维TiO2半导体单晶纳米线阵列的高比表面介孔薄膜表面包覆、致密的超宽带隙半导体金属氧化物或绝缘体钝化半导体电极。

高性能多孔薄膜半导体的电子结构计算和物理图像模拟：借助日渐成熟的现代量子化学计算方法和材料计算软件，通过已经开发的模型模拟分子在半导体纳米晶表面的姿态以及染料分子吸附在纳米晶表面的电子态分布，探索染料分子在