Ⅱ-Ⅵ族直接带隙化合物半导体氧化锌(ZnO)的禁带宽度为3.37 eV, 室温下激子束缚能高达60 meV, 远高于室温热离化能(26 meV), 是制造高效率短波长探测、发光和激光器件的理想材料。历经10年的发展, ZnO基半导体的研究在薄膜生长、杂质调控和器件应用等方面的研究获得了巨大的进展。本文主要介绍了以国家“973”项目(2011CB302000)研究团队为主体, 在上述方面所取得的研究进展, 同时概述国际相关研究, 主要包括衬底级ZnO单晶的生长, ZnO薄膜的同质、异质外延, 表面/界面工程, 异质结电子输运性质、合金能带工程, p型掺杂薄膜的杂质调控, 以及基于上述结果的探测、发光和激光器件等的研究进展。迄今为止, 该团队已经实现了薄膜同质外延的二维生长、硅衬底上高质量异质外延、基于MgZnO合金薄膜的日盲紫外探测器、可重复的p型掺杂、可连续工作数十小时的同质结紫外发光管以及模式可控的异质结微纳紫外激光器件等重大成果。本文针对这些研究内容中存在的问题和困难加以剖析并探索新的研究途径, 期望能对ZnO材料在未来的实际应用起到一定的促进作用。

主要研究了聚光能流特性对槽式聚光热电联供系统电输出性能的影响。通过CCD相机测量不同距离和不同镜面开口宽度焦平面上的能流分布图获取能流值分布矩阵，提取能流参数，包括相对平均能流值、不均匀度、峰值偏离度和能流利用率。通过引入聚光条件下电池内部复合机制和寄生电阻，建立了聚光电池阵列的双指数等效电路模型，模拟结果与实验结果吻合得较好。结果表明，短路电流和相对最大功率随相对平均能流值的增加而增加，两者的增大率分别因复合机制的增强和寄生电阻欧姆损失的增大而减小；开路电压随不均匀度和峰值偏离度的增大而减小；相对平均能流值因寄生电阻欧姆损失对填充因子影响最大；电池的效率由能流利用率和相对平均能流值决定。以6片串联2 cm×2 cm的背接触电池阵列为例，当镜面开口宽度为157 cm、距焦平面2 cm时，平面上的能流分布最适合电池阵列的性能输出。

提出了计算槽式太阳能聚光器焦面能流密度分布的一种新方法。根据抛物槽式聚光器(PTC)的几何光学特性，给出了入射光线在接收平面上(沿宽度方向)的入射点坐标计算公式，将太阳的圆盘模型(Buie模型)改写成轴对称的线性模型，采用Origin软件中的频数统计工具对平面焦线的能流密度分布进行了计算，并利用CCD工业相机进行了实测实验。该计算方法函数关系较为简单明确，无需编程，计算量少，且适用于任意面型的槽式聚光器和线性接收器，可为槽式太阳能聚光系统的优化设计提供参考。

针对太阳能槽式系统反射镜玻璃厚度对聚光特性的影响进行了理论、模拟和实验研究。研究结果表明，平行光下反射镜玻璃越厚，入射光线距光轴距离越远，ΔX、ΔY越大。对焦距为1200 mm，反射镜玻璃折射率为1.6的槽式系统进行了理论计算，玻璃厚度为1 mm的反射镜，当距光轴距离为200 mm和2000 mm时，ΔX为0.03 mm和1.69 mm，ΔY为0.19 mm和0.31 mm；当距光轴距离仍为2000 mm时，玻璃厚度为5 mm的反射镜，ΔX为8.41 mm，ΔY为1.55 mm。通过TracePro模拟以及实际实验测量，结果与理论计算相符。

对理论聚光比为676的菲涅耳聚光系统下单片砷化镓太阳电池及由六片砷化镓电池的串联组件的输出特性进行分析。建立三结砷化镓电池输出特性的单指数数学模型，并与实验进行了对比。理论计算与实验吻合较好，误差在7.6%以内。实验结果表明，在相同理论聚光比下，单片电池系统能流聚光比为390，六片电池组件系统能流聚光比为281;聚光后单片电池的短路电流与峰值功率分别放大322倍与316倍，六片电池组件系统的短路电流与峰值功率分别放大275倍与272倍;电池表面能流密度为0.321 MW/m2时电池的输出功率达到最大，电池表面温度高于323 K将影响其工作稳定性;聚光系统的透射率每增加0.01系统效率升高约0.227%。全天累积直射辐照度为17.212 MJ/m2条件下测得单片电池全天发电量为0.015 kW·h，六片电池串联组件的全天发电量为0.076 kW·h。