期待光伏事業發展新春天——記南開大學光電子薄膜器件與技術研究所侯國付副研究員

本刊記者 劉玉杰

不需要電池，只要把充電線插在衣服或者背包上的固定接口，隨身聽就能暢聽無阻；出差在外，不必再擔心筆記本電腦的電池不夠用，只要把電腦對著光源，就能任意使用……

這些便捷或許是現在很多年輕“電子一族”可望仍不可及的夢想。科技日新月異，薄膜太陽電池的出現，告訴我們這些夢想不再遙遠。這種新型太陽電池像紙張一樣薄，可以彎曲折疊，所以被普遍應用在航空航天領域。不僅如此它還能應用于地面：既能安裝在建筑物的頂樓，甚至側窗上；還能“印刷”在衣服、雨傘、背包、帳篷等隨身物品上，只要有一點“空地”，它就能收集能量。

為使這一夢想能更好更快地實現，南開大學光電子薄膜器件與技術研究所侯國付副研究員一直在新型太陽電池材料與器件研究領域里努力耕耘著。

一步一腳印，奠定光伏研究基礎

眾所周知，人類生存環境的惡化和能源的日益短缺是當今世界面臨的兩個重大問題，而新型可再生能源是解決上述問題的根本出路，其中太陽能由于其清潔、取之不盡、用之不竭成為新能源的首選。而在太陽能的有效利用中，光伏發電具有安全可靠、無污染、可再生等優點，是可再生能源中重要的組成部分，也是近年來發展最快、最具活力、最受矚目的研究領域，國際上許多國家都把太陽能光伏作為重要的研究發展方向。

對于侯國付來說，他的科研人生是一個又一個“艱苦卻很快樂”的科研片段累積起來的。

“渤海之濱，白河之津，巍巍我南開精神……”侯國付求學階段中最重要的旅程是在南開這座著名學府里度過的。茵茵校園，學術范圍濃厚，不僅有白發蒼蒼的學術巨匠也有求知若渴的莘莘學子。侯國付，就是在這一氛圍里成長起來。通過多年努力，他先后拿到了碩士和博士學位，并最終選擇留校，由此正式踏上了研究之路。

從2002年至2009年10月，侯國付一直在南開大學從事硅基薄膜光伏材料和太陽電池的制備、性能表征和分析等研究，期間負責了多項關于高速沉積高效率硅基薄膜太陽電池的研究工作，重點是采用甚高頻和高壓高功率相結合的方法來實現高速沉積高效率硅基薄膜太陽電池的研究。圍繞這一研究先后獲得多項研究成果，包括提出一種具有量子尺寸展寬效應的納米硅薄膜nc-Si:H材料，將高溫沉積的pin型非晶硅太陽電池的開路電壓提高到945mV，光電轉換效率達到9.4%。針對高速沉積的微晶硅太陽電池中非晶態孵化層偏厚的狀況，提出一種采用低沉積速率沉積高晶化率和高質量p/i界面層的方法，有效地減小了p/i界面的孵化層厚度，減小了粒子轟擊和界面處的缺陷；提出一種功率梯度漸變的方法來調控微晶硅本征層的整體縱向結構演化，有效減小了體缺陷態密度，太陽電池性能提升明顯，并獲得多項中國發明專利。采用上述方法，并進一步優化各層材料，在1.2nm/s的較高沉積速率下獲得了效率達9.36%的單結微晶硅太陽電池，為當時的國內記錄。

2009年11月，懷抱繼續深造夢想的侯國付跨出國門，遠赴美國托萊多大學物理與天文系任博士后副研究員。時間雖然短暫，但是有機會深入地接觸到有關于高速率沉積高效非晶硅基太陽電池研究領域的先進知識，開闊了研究思路。留美期間共申請2項美國專利，發表文章4篇，為之后的硅基薄膜太陽電池進一步深入研究打下了更為堅實的基礎。

2010年12月，學成歸國的侯國付又回到了與他有著深厚感情的南開大學，站在新的起點上，開啟了他“下一代太陽電池研究征程”。

立足新起點，迎來光伏發展新春天

回國后，立足薄膜太陽電池領域的國際前沿研究趨勢，侯國付進一步將自己的科研工作拓展至新型窄帶隙光伏材料，以及微納米結構和材料在下一代光伏中的應用等領域。雖然回國的時間不長，但已經作為負責人承擔起國家自然科學基金項目、天津市應用基礎及前沿技術研究計劃項目，以及科技部“863”重大項目子課題等。研究內容涉及窄帶隙光伏材料β-FeSi2的研究，用于太陽電池的光子晶體陷光結構，以及柔性襯底寬光譜多結高效硅基薄膜太陽電池技術研究。

對于太陽電池來講，為了減少材料消耗，進而降低電池成本，薄層化一直是太陽電池的非常重要發展趨勢之一。無論對哪種電池來說，隨著材料厚度的降低，如何采用有效的陷光結構來提高入射光（特別是近紅外長波光）的利用率都非常關鍵。為了更有效的利用入射光，科研人員探索了一些新型的陷光材料和結構。其中，基于光子晶體的陷光結構及其在太陽電池中的應用逐漸引起人們的廣泛興趣。

針對這一熱點問題，侯國付“明知山有虎，偏向虎山行”，對光子晶體陷光結構的陷光機理、結構設計及其在太陽電池中的應用展開了系列“攻堅之戰”。

據悉，光子晶體陷光結構及其在太陽電池中的應用方面的研究只有五、六年的時間，多數報道僅僅從光學的角度考慮光子晶體的作用，而要做成實際的太陽電池，還必須要求光子晶體結構的加入不會影響到光生載流子的輸運過程，這是目前存在的根本問題！鑒于光子晶體陷光結構在提高太陽電池性能方面的顯著作用，借鑒目前有關研究各種方法中的優點，并針對存在的問題，侯國付提出通過薄膜型光子晶體和光柵相結合的方法來提高光吸收效率的研究思路，并以在晶硅電池和硅薄膜電池中的應用為例，揭示光子晶體結構提高光吸收效率的機理，探索研究具有光子晶體結構的太陽電池吸收層，最終制備出基于光子晶體結構的硅太陽電池原型器件。從器件可實現性的角度出發，項目兼顧光子晶體的制備與現有硅薄膜電池制備工藝的兼容性；光子晶體不僅在光學角度上能夠提高光吸收，而且不會影響載流子的輸運過程。

“十二五”開局之年，我國公布的《“十二五”太陽能光伏產業發展規劃》明確提出，在“十二五”期間非晶硅與微晶硅相結合的疊層和多結薄膜太陽電池是發展重點之一。薄膜太陽電池發展迎來了新一輪的發展春天。站在新的起點上，乘著光伏產業的發展春風，侯國付帶著夢想繼續揚帆前行。