项目名称：绿色氧化物太阳能电池的低碳组装方法及光伏性能研究

学科：物理学

个人简介：

刘畅同学从小就受家庭环境的影响，对科学研究有着浓厚的兴趣。她在学习上积极进取，在生活上开朗乐观，利用课余时间还培养自己的兴趣爱好，磨练自己的意志。她曾参加2012年7月参加第二十七届全国青少年科技创新大赛，获一等奖；同时获得21世纪青少年科技创新奖。又于2012年10月参加第十二届“明天小小科学家”奖励活动并并获得一等奖。之后于2013年5月赴美国凤凰城参加了2013年英特尔国际科学与工程大奖赛(ISEF），并于同年被保送到山东大学材料学院。她不满足于现状，希望可以通过自己的努力，不断突破和超越自我，取得更大的进步。通过参加科技实践活动，她发现自己对半导体材料物理的研究兴趣更加浓厚了，坚定了她继续深造，通过大学-博士-博士后等更高层次的学习，将来从事自然科学研究，使研究成果服务社会、造福人类，最终成为一名科学家的梦想。

项目简介：

参与这项研究工作的起因是刘畅同学观看了一部名为《难以忽视的真相（An Inconvenient Truth）》的纪录片，因此对能源及其消耗问题产生了兴趣。随后通过阅读科普书籍《话说新能源丛书—太阳能揭秘》，了解了相关背景知识，并对太阳能电池产生了浓厚兴趣。在她的研究中，采用了易获得、无毒的氧化物ZnO、Cu2O为原料，衬底则是普通的（掺F的二氧化锡）透明导电玻璃（FTO玻璃）。选用了电化学沉积法作为电池组装方在电池组装过程中，她先尝试了在FTO玻璃上沉积一层ZnO薄膜作为N型半导体，又沉积一层Cu2O薄膜作为P型半导体的薄膜-薄膜结构，并使用扫描电镜观察其微观形态及异质结界面结构；又用X射线衍射仪观察其物质组成。最后用直流溅射法溅射上金电极，在太阳能模拟器光照下，用电流电压/原表等仪器测试其光电转化效率。

本项目的主要创新之处在于以下三点：

1）在制备工艺方面，选用了低成本、低能耗的电化学沉积法作为电池的组装方法；在我的实验过程中，生产一个太阳能电池（约沉积2CM2）耗能仅需1瓦，生产相同大小的硅电1池则要几百瓦。因此这种方法是十分低碳的，制造过程也无任何污染物产生。这是第一代、第二代太阳能电池不具备的优点。

2）在材料选择方面，选用了自然界中含量丰富、无毒的氧化物ZnO、Cu2O为原料，它们属于绿色的半导体材料；而第一代硅太阳能电池制造中有毒气体（三氯氢硅）排放，第二代碲化镉（CdTe）电池中的Cd离子、砷化镓（GaAs）中的砷也有很大毒性。

3）在电池结构方面，她先后采用了薄膜/薄膜型和纳米线/薄膜型结构，并实现了由异质结电池向同质结电池的转化，逐步实现了结构优化，提升了电池效率。

本项目的意义主要在于以下两点：

1）选取了易获得的、加工过程中无污染的氧化物材料。这将有助于解决现有太阳能电池工业中存在污染的问题，并能够从一定程度上降低太阳能电池的成本。

2）采用了低能耗、低成本的电池组装方法。这将有助于解决现有太阳能电池工业中高成本、高能耗的问题。 

     下一步，刘畅同学将从以下两个方面继续开展并不断完善该研究项目：

1）通过进一步优化电沉积参数，或者通过掺杂工艺，进一步降低氧化锌和氧化亚铜薄膜的电阻率，有望进一步提高电池效率。目前我们组装的电池的效率0.106%，采用降低电阻率的方法，理论上可以使效率提高3-4倍。

2）通过选用大面积的衬底，探讨大面积产业化的可能性。目前主要是电阻率太大，限制了大面积衬底的使用。可以通过提高掺杂浓度，进一步降低电阻率来解决这个问题。