《SIS結構光電器件的光子輔助量子隧穿效應的研究》是依託上海大學，由馬忠權擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：SIS結構光電器件的光子輔助量子隧穿效應的研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：馬忠權
- 依託單位：上海大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
本課題的核心是研究具有特殊結構半導體異質結器件的載流子隧穿機理問題。旨在從電荷轉移理論、先進功能薄膜材料製備-表徵實驗和器件工藝技術三個方面，探索和研究摻鋁氧化鋅薄膜（AZO）的半導體性質,石墨烯氧化物（GO）/SiO2過渡層的電子結構，金屬-ZnO歐姆接觸，以及AZO/GO/SiO2/Si光電器件的量子（載流子）隧穿機理和有效力場等動力學問題，探索新材料的引入對改善器件光電轉換性能、增強光電轉換效率和器件穩定性能的作用。研究低溫（＜150K）下的量子隧穿現象和光子作用下的量子隧穿增強效應的本質。本課題將採用恰當的動力學模型，計算電子－空穴穿越異質結勢壘的機率流密度，分析界面區域和點缺陷高濃度區域的量子平均自由程，少子壽命和界面態密度等因素對器件光電導參數分布的影響，設計具有針對性的實驗方法，提出實驗上和理論上的解決方案，最佳化SIS 結構，為光電器件的新原理、新技術探索提供理論和實驗依據
結題摘要
本項目歷經4年，基於SIS，HIT，Triex-QTSC 和 TOPCon 結構等同類型的光伏器件的潛在的科學技術價值，從新型功能材料、光伏器件結構和量子輸運等基礎內容入手，提出了立足於源頭上的“量子隧穿”和“表面鈍化”相平衡、“空間電荷區”與“反型層”相兼容、“氧化物半導體”與“非晶-單晶半導體”相融合等基本思路，採用物化氣相沉積技術和薄膜微結構-性能表徵實驗，結合密度泛函與分子動力學理論計算方法，全面研究了不同晶態與帶隙結構半導體材料的匹配、元素摻雜改性、半導體-半導體和半導體-金屬的界面性質，分析了光生載流子的輸運特徵和隧穿機率，成功地完成了以下幾個方面的研究內容：1、建立和實施了低溫磁控濺射製備TCO（Transparent Conductive Oxide）薄膜材料的方法，不僅成功製備了性能優良的ITO, AZO, IZO, IGO和Er,Tm等稀土摻雜ZnO薄膜材料，而且獲得了一次性成型的超薄In-Sn摻雜氧化矽SiOx（In,Sn）功能層材料,使其同時具備了晶矽表面鈍化、器件的空穴隧穿、等效p-n結或反型層、空間電荷區、選擇性接觸和熱力學穩定的功能，成為“準SIS結構”光伏器件的核心材料；2、HR-TEM和深度刻蝕XPS分析表明，晶矽表面鈍化和量子隧穿是由磁控濺射沉積ITO薄膜的過程中所形成的超薄氧化矽薄膜實現的，該薄層的厚度小於2nm，原子成鍵格線是非晶型，存在多種Si-O、Si-In、Si-O-In鍵與化合態,與TCO薄膜和晶矽襯底沒有明晰的界面，它的物理、化學性質有待實驗確定，具有挑戰性；3、但是，它的電子結構由第一性原理和分子動力學計算得到確定，預言了兩種電子態能級，可以解釋實驗結果；4、得到了性能穩定、光電轉換參數優良和具有推廣意義的光伏器件：光電轉換效率達12.2%,填充因子為74.2%，短路電流密度為30.5 mA/cm2，開路電壓為0.54V，達到目前世界上該類器件較高的值。 在項目實施過程中，發表期刊論文30篇，會議報告19篇，完成發明專利3項，培養碩、博士10名，青年教師3名。
