河南省光伏材料重點實驗室依託河南師範大學、河南大學聯合組建而成，中試基地設在“河南新鄉華丹矽材料有限責任公司”。經過幾年的發展，實驗室擁有科研配套用房面積2500平方米，價值為2000多萬元的實驗設備。形成了多晶矽提純技術研究、矽薄膜太陽能電池材料的研究、非矽基太陽能光伏材料與技術研究三個穩定的研究方向。
基本介紹
- 中文名：河南省光伏材料重點實驗室
- 用房面積：2500平方米
- 性質：重點實驗室
- 研究方向：多晶矽提純技術研究
人員成果,研究方向,試驗設備,
人員成果
實驗室實行主任負責制，實驗室實行主任由教育部材料物理與化學教學指導委員會委員、科技部國際合作項目評審專家、河南師範大學特聘教授常方高博士擔任。實驗室成立學術委員會，由河南大學雙聘院士王占國院士擔任學術委員會主任。
實驗室現有科研人員21名（由河南師範大學、河南大學人員組成），教授12人，具有博士學位20人，享受國務院政府特殊津貼專家1人、河南優秀專家3人，省、校特聘教授4人、博士生導師10人。已經擁有一支以特聘教授領軍，以具有博士學位和高級職稱人員，工程化實踐經驗豐富的科研技術人員為主體，學科交叉的科研團隊，為實驗室的快速發展奠定了良好的人才基礎。
近三年來，河南師範大學加大對實驗室的投資力度，先後投資760萬元購置實驗儀器，並對實驗室進行改造。實驗室部分大型儀器有：溫度可達3500℃的超高真空電弧爐、磁控濺射薄膜生長、高溫燒結爐、X-射線衍射儀、掃描電鏡、傅立葉紅外光譜儀、四探針電阻率測試儀；中試基地有丹麥FZ-14-1型區熔單晶爐、國產TDL-F235型區熔單晶爐。目前，這些儀器設備運行良好，為光伏技術研究工作的深入開展提供了很好的科研條件。
三年來，實驗室共承擔了國家、省部級科研項目30餘項，發表了200多篇高水平的專業論文，獲得省部級以上科研獎勵10項。在光伏、壓敏等功能材料開展了大量的研究工作，掌握了核心技術，申請了2項國家專利。
實驗室十分重視學術交流與合作。目前已與美國加州大學，加拿大大略大學-半導體物理實驗室、中國科學院物理研究所、清華大學、北京大學等國內外多家科研院所建立了很好的學術交流與合作關係。實驗室已成為對外交流合作的視窗。
研究方向
一：多晶矽提純技術的研究
物理法提純多晶矽技術的研究包含2個課題：（1）電子束熔融法多晶矽提純技術研究；（2）區域熔化多晶矽提純技術研究。
電弧爐電子束熔融法實施方案是：先利用高真空電弧爐反覆燒結使得多晶矽的純度達到5N以上，在電子束熔融的最後階段，在保護氣體中加入含氧、含氫和含氯氣體，它們和B雜質發生反應，形成可揮發物質，達到去除雜質的目的；將初步提純的材料在區熔單晶爐中進一步提純到太陽能級以上。
電弧爐電子束熔融法的技術關鍵在於熔融多晶矽在真空中定向凝固，使得雜質在表面揮發，其主要的問題是如何將熔體內的雜質傳輸到熔體表面，以致它們能從表面揮發。當熔體體積較大時，內部的雜質往往不能及時傳輸到表面。為了解決這個問題，可以利用快速抽出保護氣，使得氣相中的雜質濃度始終很低，促使熔體中的雜質儘快揮發；另一個問題是與坩堝直接接觸的多晶矽熔化不充分，也不利於雜質向液相、汽相的轉移。這個問題可以利用電磁等離子法，使得熔體和坩鍋壁四周不直接接觸，從而增加熔體的表面積，導致熔體中雜質的儘快揮發。由於B元素的飽和蒸汽壓（10-4Pa）遠小於Si的飽和蒸汽壓（10-1Pa）,所以不能用這種方法去除B雜質，這需要在提純的最後階段對熔體吹氣來增加B的飽和蒸汽壓。
區熔法顯著的特點是不用坩堝盛裝熔融矽，而是在高頻電磁場作用下依靠矽的表面張力和電磁力支撐局部熔化的矽液。因此，區熔法又稱為懸浮區熔法。區熔提純的原理是：根據熔化的晶體在再結晶過程中因雜質在固相和液相中的濃度不同而達到去除多晶矽中含有的碳、磷等雜質。區域熔化提純法的最大優點是其能源消耗比傳統方法減少60%以上。目前，區域熔化提純法是最有可能取代傳統工藝的太陽能級多晶矽材料的生產方法。REC公司已在2006年新工廠中開始使用了區域熔化提純法。
本研究方向的目標：是開發出有自主智慧財產權的物理法太陽能級多晶矽提純技術並使之產業化，減少多晶矽提純過程中的環境污染與能耗，降低光伏發電的成本。
三年內獲得科研項目3-5項，申請國家專利2-3項，發表國家核心期刊以上研究論文3-5篇，培養博士和碩士研究生6人。
二：矽薄膜太陽能電池材料的研究
矽薄膜太陽能電池材料的研究內容包括：1、非晶矽薄膜的研究；2、多晶矽薄膜材料的研究。
目前，在太陽能電池材料中套用最多的是單晶矽和多晶矽，但由於晶體矽的生長工藝的複雜性和對矽材料的浪費使其成本居高不下。因此，薄膜矽太陽能電池被認為是大幅度降低成本的根本出路，是今後矽太陽能電池研究的熱點和主流方向，將在太陽能電池市場上占據主導地位，矽基薄膜太陽能電池的材料主要有非晶矽薄膜和微晶矽薄膜。
1、非晶矽薄膜的研究
非晶矽薄膜太陽能電池具有光吸收係數大，薄膜所需厚度相對其他材料要小得多；製作工藝簡單，能耗少，可實現大面積連續化生產；可用玻璃或不鏽鋼等材料作襯底，容易降低成本；可做成疊層結構，提高效率等優點。但是，非晶矽薄膜太陽能電池也存在Staebler－Wronsk效應、沉積速率低、在薄膜沉積過程中存在大量的雜質，影響薄膜的質量和電池的穩定性等主要問題。針對上述問題，實驗室計畫深入探索玻璃基上ZnO薄膜的濺射或PECVD生長工藝，以期獲得晶粒尺寸可控、光電性能優越的高質量ZnO多晶薄膜，研究元素摻雜對ZnO薄膜折射係數的改變以及對導電性、透光性和減反射性的影響；進一步完善矽薄膜的PECVD生產工藝，對溫度(T)、壓力(P)、頻率(f)、電壓(V)、化學源(S)等參數進行最佳化，減少電子或空穴陷阱濃度，減少電子-空穴複合中心和複合幾率，進一步提高電池轉換效率；研究ZnO薄膜表面的處理工藝和緩衝層設計，降低電池光致衰減效應；改善製備工藝，提高大面積非晶矽薄膜的穩定性。
2、微晶矽薄膜的研究
非晶矽薄膜太陽能電池效率的光致不穩定性是由材料微結構的亞穩態屬性決定的，因此S-W效應不易完全消除。近年來又出現了多（微）晶矽薄膜電池，用多晶矽薄膜代替非晶矽薄膜作電池的有源層，在長期光照下沒有明顯的衰退現象。它是將多晶矽薄膜生長在低成本的基底材料上，用較薄的晶體矽層作為電池的激活層，不僅能保持晶體矽電池的高性能和穩定性，還可避免S-W效應，有效降低電池的成本。
目前，多晶矽電池中的關鍵問題是材料本身的光電性能較差、沉積速率較低。因此，實驗室在這方面的研究重點主要集中在提高薄膜的沉積速率，完善高速優質多晶矽薄膜沉積相圖的數據；研究沉積氣壓和流量對薄膜光電特性的影響和微結構、光電性質與穩定性的關係，最佳化成膜工藝，獲得光電性能穩定的器件質量及多晶矽薄膜。如何製備缺陷密度很低的本徵層，以及在比較低的工藝度下製備非晶矽含量很低的微晶矽薄膜，是進一步提高微晶矽太陽能電池轉換效率的研究關鍵。
研究目標：在非晶矽、微晶矽薄膜材料的研究中，拓寬光吸收區和增加光吸收係數，提高光電轉換效率，最佳化成膜工藝，以製備性能穩定、價格低廉的矽基太陽能電池。
三年內獲得各種科研項目3-5項，申請國家專利2-3項，發表國家核心期刊以上研究論文8篇以上，培養博士和碩士研究生9人。
三：非矽基太陽能光伏材料與技術研究。
非矽基薄膜太陽能電池的研究內容包括：1、染料敏化納米晶太陽能電池；2、有機-無機複合薄膜太陽能電池；3、CIS薄膜太陽電池的研究。
1、染料敏化納米晶太陽能電池
目前，圍繞染料敏化納米晶太陽能電池存在兩大主要難題，即液態電池的穩定性和固態電池的光電轉換效率改善問題。實驗室擬開展染料敏化劑、固態電解質、新型電極材料的研究。在染料敏化劑方面主要探尋新型有機染料替換常用的Ru絡合物敏化劑，合成TiO2與其他無機半導體化合物的複合材料，實現無機複合材料敏化，對TiO2的離子位摻雜有效改變其能帶結構，用金屬或非金屬進行單、雙摻雜進行摻雜敏化。在固態電解質研究方面利用碳納米管所特有的導電性和物質儲藏功能，在碳納米管中填充對於提高電池性能具有重要作用的Li鹽和CuI等，對填充碳納米管的外壁進行高分子接枝修飾，改善它與基體的相容性，將接枝複合碳納米管進一步與基體高分子進行複合構成固態電解質層。在新型電極材料研究方面以功能性染料敏化納米TiO2多孔膜,以共軛聚合物為空穴傳輸介質,改善聚合物與染料表面的相容性,增強界面電荷注入和傳輸速率，在導電玻璃與多孔TiO2界面引入緻密的阻擋層,降低背電子傳輸幾率，研究聚合物成膜工藝,提高其在染料敏化TiO2孔穴中的填充效率。通過水熱法、電化學法等合成納米管、核殼結構納米顆粒等TiO2納米結構，提高電池的轉換效率。探索非TiO2的無機納米電極材料，如ZnO，BaSnO3，Zn2SnO4等。
2、有機-無機複合薄膜太陽能電池
20世紀80年代發展起來的有機-無機複合半導體材料通過結構複合、功能複合而兼具了有機材料的設計多樣性、柔性、易加工性和無機材料的高載流子遷移率、高穩定性兩者的優點，並往往產生協同最佳化效應，是一類含有兩種及兩種以上有機和無機組份並具有半導體性質的新型複合功能材料，成為未來能源發展的關鍵材料之一。
有機-無機複合太陽能電池有簡單的結構，一般是在透明導電玻璃上採用簡單的旋塗工藝或真空蒸發技術製作有機層和無機層，製成體異質結結構，然後真空蒸發鋁電極。有機層的主要作用是實現寬光譜高效率的光吸收，而無機半導體材料的作用在於實現電荷分離、提高輸運性能。這樣從原理上避免了必須使用窄帶隙半導體材料才能實現寬光譜吸收的限制，而可以使用具有光、熱、化學穩定性的寬禁帶半導體材料，這一方面可解決窄帶隙半導體材料中普遍存在的光腐蝕、光致衰退等問題，另一方面可使用低成本、環境友好的ZnO，TiO2等寬禁帶半導體材料，減少生產過程中廢棄物造成的環境污染。但是有機半導體載流子遷移率較低，穩定性差，有機-無機複合半導體材料結構穩定性較差，導致電池性能工藝重複性較差。
實驗室將重點研究有機-無機複合半導體材料在光、熱等外場作用下結構的演化與控制以及穩定化途徑，高載流子遷移率的有機-無機複合半導體材料，有機-無機複合半導體材料結構與載流子長程輸運性能的關係以及高載流子遷移率的實現途徑，合成各種新的有機小分子，篩選量子產率較高的有機分子作為吸光層，對由有機半導體材料和無機半導體材料組成的各種體系進行系統研究。
3、CIS薄膜的研究
CIS薄膜太陽能電池是由銅、銦、硒等金屬元素組成的直接帶隙化合物半導體材料，其對可見光的吸收係數是所有薄膜電池材料（a-Si、CdTe等）中最高的，而原材料的消耗卻遠低於傳統晶體矽太陽電池，具有廣泛的發展前景。CIS太陽電池有三大突出的特點：①轉換效率高，CIS是高效薄膜太陽電池的最有前途的光伏材料。② 製造成本低：吸收層薄膜CuInSe2是一種直接帶隙材料，光吸收率高達105量級，最適於太陽電池薄膜化，電池厚度可以做到2～3μm，降低了昂貴的材料消耗。其成本是晶體矽太陽電池的1/2～1/3。③電池性能穩定，利用實驗室的薄膜生長系統正在開展薄膜太陽能電池的研發，通過更改CIS薄膜太陽電池的視窗材料，來進一步提高轉換效率。目前採用ZnO薄膜作為視窗材料，使轉化效率從6.5%提高到9.5%。
研究目標：提高CIS薄膜太陽電池的轉化效率，完善製備工藝，為產業化奠定基礎。繼續改進燃料敏化太陽能電池各個組元的性能，不斷提高電池的光電轉化效率。研究開發有機-無機複合半導體材料為基礎的薄膜太陽能電池，提高其結構穩定性和光電轉換效率，降低材料的生產成本。
三年內獲得各種科研項目2-3項，申請國家專利3項，發表國家核心期刊以上研究論文10篇以上，培養博士和碩士研究生12人。
組建光伏材料省級重點實驗室的總體目標是針對開發“光伏材料與技術”這一行業發展中的重大技術問題進行攻關，持續不斷地創造新成果，開發新技術，並進行工程化研究，為產業化提供成熟、配套的技術、工藝、裝備和新產品；實行開放服務，接受行業或部門以及企業、科研機構等單位委託的工程技術研究、設計、實驗和成套技術服務，並為其成果推廣提供諮詢；培養、聚集相關專業的高層次的工程技術人才和管理人才，為本省行業、企業提供工程技術人才培訓；開展多種形式的國際、國內科技合作與交流，開展相關的標準制定工作和行業信息服務，促進行業、領域的技術發展。
試驗設備
實驗室現擁有價值為2450萬元的實驗設備，其中材料製備實驗室有溫度可達3500℃的超高真空電弧爐、CVD外延設備、磁控濺射薄膜生長、高溫燒結爐；材料物性分析實驗室有X-射線衍射儀、SEM掃描電鏡、精密阻抗分析儀、400兆核磁共振、熱分析儀、電化學工作站；光譜分析實驗室有傅立葉紅外光譜儀、拉曼光譜儀、螢光光譜儀、原子吸收光譜儀、原子發射光譜儀；光伏器件I-V特性實驗室有光伏特性雷射測試系統、四探針電阻率測試儀；中試基地有丹麥FZ-14-1型區熔單晶爐、國產TDL-F235型區熔單晶爐、Ts23型切片機、磨片機、矽棒整形機、定位面儀、矽片測厚儀等組成了由單晶矽棒生產到矽片加工的完整生產線。
材料製備實驗室
磁控濺射儀
電弧爐
真空管式燒結爐
高溫管式燒結爐材料物性分析實驗室
400兆核磁共振
阻抗分析儀
SEM掃描電鏡
傅立葉紅外拉曼光譜儀光伏器件I-V特性實驗室
光伏特性雷射測試系統
四探針電阻率測試儀