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廉价金属颗粒表面等离激元的研究

何明  
【摘要】:表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)是光波与金属表面的自由电子之间相互作用而引起的一种电磁模。由于SPPs能够在亚波长结构中对光进行约束和操控,因此被广泛的应用于光子器件、生物传感器及新材料设计等领域。近几年,在光伏领域,SPPs为提高太阳电池的光吸收开辟了新途径,与传统的陷光技术相比展现出巨大的优势。但由于研究时间不长,目前人们主要利用昂贵的Au,Ag颗粒激发SPPs,所以应用价值大大受到限制。深入考察较为廉价的金属纳米颗粒的SPPs已迫在眉睫。针对这个问题,本论文尝试用Al、Cu颗粒来代替Au、Ag等贵金属颗粒激发SPPs,并研究其在光伏电池中的陷光应用。主要包括以下几方面工作:(1)采用时域有限差分法(FDTD)对金属颗粒阵列的SPPs进行数值模拟。系统研究了Al、Cu纳米颗粒尺寸、覆盖率、介质环境对其表面等离激元的影响规律,并与Au、Ag颗粒进行比较。结果表明,金属颗粒尺寸、覆盖率及介质环境均可有效的调节SPPs共振波长。在相同条件下,Al的共振波长最短,可有效的避免由于Fano效应而引起的Si薄膜的光吸收损失。此外Al的散射效率远远大于其他三种金属,因此在太阳电池的前电极陷光结构中,Al颗粒展现出巨大的应用潜力。为了与实际情况更加相符,还模拟了金属颗粒椭球化后以及金属@金属氧化物芯壳结构的SPPs规律。(2)构建Metal particles/AZO/Si结构,采用FDTD法系统模拟了Al、Cu金属颗粒阵列的微结构因素对提高硅材料光吸收的影响。在此基础上,结合AMPS-1D程序模拟了Al、Cu金属颗粒在p-i-n纳米硅太阳电池中的陷光效果,并与Au、Ag进行对比。结果表明Al颗粒的陷光效果最好,最高可使纳米硅薄膜电池的短路电流提高29%。(3)利用反浸润法成功获得Al、Cu纳米颗粒。研究了金属膜厚度及退火条件对金属颗粒尺寸及密度的影响,并与Au、Ag进行了对比。对四种金属颗粒进行了消光谱测试,实验趋势与理论模拟趋势基本一致。(4)在ITO(透明导电薄膜)玻璃衬底上制备不同尺寸的Cu颗粒,并对其表面形貌、透过率及雾度进行表征。结果表明,沉积时间为10s的Cu薄膜经过退火后形成的颗粒兼具相对较好的雾度和透过率。在石英衬底上制备了一系列AZO薄膜样品,并对其光电性能进行表征。在优化AZO薄膜制备工艺的基础上,制备了Al Nano-particles/AZO/Si减反射结构,实验结果表明这种结构与空硅片相比,反射率大大降低,有望做太阳电池前电极的减反射层。


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