基于表面等离子体共振的新纳米结构体系及其光伏增强效应

得益于金属纳米结构的表面等离子共振的独特的光学特性，基于表面等离体共振的纳米结构体系的研究已经形成了国际上迅猛发展的热点研究领域之一。本项目拟研制一种制备在光伏器件结构中的基于表面等离子体共振的新型纳米结构体系，实现减少光伏器件吸收层的厚度、提高转换效率和降低成本的目的。主要内容包括：从不同途径研究表面等离体共振与金属纳米结构尺度、形状、间距、组装等因素的内在联系，通过控制生长和制备特殊纳米结构，实现表面等离体光子学特性的调控；建立多界面纳米结构的表面等离子体理论模型，探索有效调控新型纳米结构表面等离子体的方法；掌握在光伏器件上进行新型纳米结构体系制备的重要技术，揭示产生表面光伏增强效应的本质，进而发展新型表面等离子体共振增强光伏器件和研究此过程中的基本物理问题。

围绕本项目开展的各项工作完成了预期的目标，以基于表面等离激元共振（SPR）效应的新纳结构体系为出发点，采用微纳加工、自组装以及化学合成相结合的技术，构建和优化了各种金属纳米结构修饰的阵列结构，掌握了可控、大面积、周期性金属纳米结构新体系的制备手段；采用各种光谱技术及结构形貌表征手段，明确不同介质条件下金属纳米结构修饰的阵列结构中的SPR特性，并结合FDTD理论计算方法，深入探索相关共振及其增强机制，发现：除了普遍认为的金属纳米粒子的SPR效应以及纳米粒子之间的耦合作用外，金属纳米颗粒四极子共振所引起的高度局域并增强的电磁场及其与宽禁带半导体材料ZnO的激子之间的强耦合作用，ZnO纳米空壳球之间的场耦合作用，金属纳米颗粒、半导体空壳结构及金属与半导体之间的耦合作用形成的多热点、高强度的局域电磁场，以及非对称结构中接触点位置局域场的溢出，均能有效实现SPR效应的增强；在硅基衬底上制备了大面积的纳米壳层光学腔阵列结构，从实验和理论上研究了基于SPR及光学腔效应的阵列结构在光伏器件中的应用及其光伏效应增强的原理和机制，发现高阶的SPR模式，以及SPR耦合的回音壁（WGM）模式的共振腔，可对光进行有效的调控和局域，有利于进一步提高光的吸收并实现光伏效应的增强；在以上基础上，进一步结合光伏器件结构的设计和构建，FDTD方法进行器件模拟仿真，深入研究了基于纳米阵列结构修饰的光伏器件的增强机制，优化了光伏器件构建的工艺过程，重点控制纳米结构电子传导层以及纳米阵列光吸收增强层的制备，结合理论计算，评价了各种相关因素对光伏器件光吸收增强、转换效率提升的影响机制，为今后的工作奠定了实验和理论基础。.. 课题开展中也获得了一些可喜的研究成果：申请人作为通讯或第一作者在国际高档次学术期刊上发表了SCI 或EI 论文13篇（预期目标5-8 篇），包括：JCR一区论文11篇（其中，一篇被选为封面关注文章，一篇被选为后封面关注文章）、JCR二区论文1篇、EI论文1篇；申请专利3项（预期目标1-2 项）；参加了两次国际会议（4人次）、两次国内会议（4人次），并做了4人次口头分组报告，与相关领域国内外专家进行了深入地交流；培养了博士生5名（预期目标：培养硕士生2-3 名，博士生1-2 名），其中，两名博士已顺利答辩毕业，三名博士生为硕博连读士研究生，预计于2016和2017年毕业。