北京化工大学 北京软物质科学与工程高精尖创新中心, 北京 100029
单结太阳电池的能量转换效率从根本上受限于Shockley-Queisser(S-Q)理论极限, 二端叠层结构可同时解决单结器件中面临的光谱失配和热弛豫能量损耗问题, 是突破S-Q极限最有前途的实用技术。二端叠层太阳电池中的复合层作为中间层的重要组分, 为来自两侧的电子和空穴提供复合位点, 避免了电荷堆积造成的开路电压损失并促进了电流流通, 是实现高性能叠层器件的关键因素之一。理想的复合层应具有较高电导率以提高电荷复合速率、高光学透过率以保证后结子电池的有效光吸收、良好的化学稳定性以降低溶剂对子电池的溶解伤害以及较低的制备成本以推动叠层电池的商业化生产进程。目前已有多种材料被应用于二端叠层太阳电池中, 如薄金属、透明导电氧化物、导电聚合物、氧化石墨烯等, 在钙钛矿-钙钛矿、钙钛矿-有机、钙钛矿-晶硅叠层器件中发挥了重要作用。本文归纳了不同类型叠层太阳电池复合层的研究进展, 系统介绍了复合层的种类、设计原则、制备工艺等, 对比其优缺点并提出了复合层目前存在的问题和面临的挑战, 为制备高效叠层电池提供了有益参考。
二端叠层太阳电池 复合层 透明导电氧化物 薄金属 氧化石墨烯 综述 two-terminal tandem solar cells recombination layer transparent conductive oxide thin metal graphene oxide review
1 北京大学化学与分子工程学院北京分子科学国家实验室，北京 100871
2 四川大学生物医学工程学院，四川 成都 610065
全固态纤维电池是纤维态光伏电池走向实际应用的关键性技术之一。回顾了纤维态光伏电池光学结构的发展历程，重点阐述了无透明导电氧化物的纤维态光伏电池所采用的双电极缠绕结构设计的创新性和重要性。新材料（包括非富勒烯基的有机分子和钙钛矿）和光学活性层的新制备工艺（如气相辅助沉积法、静电纺织法）的应用使得全固态纤维电池研究取得突破性进展，光电转化效率达到10%~16%。但全固态纤维电池的模块化仍然存在重大挑战。未来面向可穿戴设备的纤维态光伏电池需要融合新材料和新工艺，开发出可回收、可重复利用、高性能、绿色环保、可编织集成的全固态纤维光伏电池。
纤维光伏电池 有机-无机杂化钙钛矿 气相辅助沉积 静电纺丝 无透明导电氧化物电极 激光与光电子学进展
2023, 60(13): 1316007
合肥工业大学电子科学与应用物理学院，安徽 合肥 230601
透明导电氧化物由于特殊的光学性能，已经被广泛地运用于光电器件中。在近红外波长范围内，其介电常数实部将从正转变为负。在介电常数近零（ENZ）区域中，光与物质之间将产生强相互作用，由此将有望实现较宽的相位调制。采用基于氧化铟锡（ITO）的金属-氧化物-半导体电容器（MOS）结构，通过施加0~5 V的偏置电压，对界面附近1 nm厚度内的载流子浓度进行调制，实现了在1470 nm处的接近265°的相位调控。在相位调制的基础上，探索了该结构在光束偏转和聚焦方面的实际应用。此外，双栅型MOS结构的设计进一步拓宽了相位覆盖的范围。
超表面 透明导电氧化物 介电常数近零材料 场效应调制 激光与光电子学进展
2022, 59(4): 0405001
透明导电氧化物薄膜在光伏器件、平面显示器件中有着广泛的应用, 其介电函数是薄膜材料器件化过程中不可忽略的基本物理参数。使用脉冲激光沉积技术, 在(LaAlO3)0.3(Sr2AlTaO6)0.35(LSAT)基底上成功制备了La2/3Sr1/3VO3(LSVO)薄膜, 并运用光谱椭偏仪测量了LSVO薄膜的椭偏光谱。先后用B样条模型和Lorentz+Tauc-Lorentz联合色散模型描述了材料的介电函数, 并首次具体给出了LSVO薄膜的介电函数。结果表明, LSVO薄膜在1.24~5.06 eV光谱范围内存在3.41 eV和4.11 eV两个明显的光学跃迁, 其中3.41 eV的跃迁峰为材料的光学带隙, 与未掺杂的LaVO3材料相比, 有着0.19 eV的红移; 高能区域的4.11 eV的跃迁峰则源自于O 2p轨道和空置的V 4s轨道之间的电荷转移态激发跃迁。
薄膜 透明导电氧化物 B样条 介电函数 thin films transparent conducting oxide B-spline dielectric function
1 电子科技大学国家电磁辐射控制材料工程技术研究中心, 四川 成都 611731
2 电子科技大学电子科学与工程学院, 四川 成都 611731
硅基光波导移相器是硅基光电子系统的重要组成部分。透明导电氧化物(TCO)薄膜的介电常数受栅极电压作用会产生调谐,有望应用于下一代高速、低插入损耗且兼容CMOS的硅基光波导移相器中。TCO较高的光吸收系数限制了其在移相器中的应用。提出了一种基于高迁移率的透明导电氧化物的低插入损耗硅基光波导移相器,并证明了TCO材料迁移率与其损耗密切相关。通过理论计算和数值仿真,设计了一种基于高迁移率氧化镉(CdO)材料(μ=300 cm
2·V
-1·s
-1)的硅基光波导移相器。所得器件在1550 nm波长实现π相移时,器件长度为127 μm,插入损耗为1.4 dB,调制带宽可达到300 GHz。为发展高速硅基光波导移相器件提供了新思路。
光学器件 移相器 电光效应 透明导电氧化物 激光与光电子学进展
2019, 56(15): 152302
1 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所纳米器件与应用重点实验室，江苏 苏州 215123
2 苏州科技大学电子与信息工程学院，江苏 苏州 215009
由于受到表面等离激元(SPP)固有偏振性的影响，基于表面等离激元的波导型调制器只支持横磁模式(TM)传播。本文提出了一种在垂直方向和水平方向上均构建混合(hybrid)波导结构的表面等离激元电光调制器，以实现调制器的低偏振灵敏性。在组合的混合波导中，垂直和水平偏振方向上的表面等离激元被限制在相应的混合波导中。通过调控介质和ITO界面处形成载流子积累层中载流子浓度可实现光吸收调制。在经优化的结构中两个偏振态的消光比差为0.005 dB/μm。通过3D-FDTD 模拟调制器的光场调控，清楚地显示了传统硅波导与偏振不灵敏调制器间的耦合传输特性。两种偏振态下，偏振不灵敏调制器与硅波导之间的耦合效率均达到了74%以上。此项研究将为表面等离激元电光调制器在偏振不灵敏光集成回路中的应用提供解决方案，为其与具有偏振随机态光纤回路的集成奠定了基础。
表面等离激元 透明导电氧化物 调制器 偏振性 surface plasmon polaritons transparent conductive oxide modulator polarization
武汉大学 物理科学与技术学院 湖北省核固体物理重点实验室, 武汉 430072
利用电子束蒸镀技术在石英玻璃上沉积SnF2掺杂SnO2(FTO)薄膜。研究了不同退火温度对FTO薄膜结构和光电性能的影响。研究结果表明: 升高退火温度可促进FTO薄膜中晶粒逐渐变大, 结晶度变好, 同时薄膜在可见光范围内的透射率随着退火温度升高逐渐增加, 吸收边发生蓝移, 禁带宽度显著变宽, 这是由于载流子浓度增加导致的Moss-Burstein效应。升高温度时, 薄膜电学性能随着退火温度升高有了很大改善, 700 ℃退火处理后得到电阻率低至2.74×10-3 Ω·cm、载流子浓度为2.09×1020 cm-3、迁移率为9.93 cm2·V-1·s-1的FTO薄膜。
透明导电氧化物薄膜 SnF2掺杂SnO2 电子束蒸镀 退火温度 光电性能 transparent conductive oxide thin films SnF2 doped SnO2 electron beam evaporation annealing temperature optoelectronic properties
延安大学物理与电子信息学院, 陕西 延安 716000
采用密度泛函理论框架下的第一性原理计算方法，利用广义梯度近似和Perdew-Burke-Ernzerdorf泛函，计算了不同Sn掺杂浓度下SZO(Sn∶ZnO)体系的电子结构与光学性质。研究了Sn掺杂浓度对SZO(Sn∶ZnO)的晶体结构、能带结构、电子态密度及光学性质的影响，并结合计算的能带结构和差分电荷密度对比分析了掺杂位置对计算结果的影响。研究结果表明，随着Sn掺杂浓度的增加，晶格常数c与a的比值变化很小，掺杂后晶胞没有发生畸变。掺杂体系的能量逐渐增大，稳定性减弱，且随着掺杂浓度的增加，带隙呈现先减小后增大的变化规律。掺杂后的SZO(Sn∶ZnO)成为间接带隙半导体，在导带底部附近出现了大量Sn原子贡献的导电载流子，明显提高了掺杂体系的电导率，并在费米能级附近与价带顶部之间出现一条由Sn原子贡献的杂质能级，能带结构呈现半填满状态，价带部分的电子态密度峰值向低能方向移动约1.5 eV。同层掺杂的电子得失程度较大，带隙比相邻层掺杂和隔层掺杂时小。掺杂后吸收带边发生红移，材料对紫外光的吸收能力明显增强，介电常数虚部增大，主要跃迁峰向高能方向移动。计算结果表明SZO(Sn∶ZnO)是一种优良的透明导电薄膜材料。
透明导电氧化物薄膜 第一性原理 Sn掺杂ZnO 电子结构 光学性质
