新型纳米太阳电池中的表面等离激元增强吸收作用及其机理

本申请紧扣国家能源问题重大战略需求和国家纳米科技发展中长期重大规划要求，设计构筑以氧化物包金属纳米阵列为光阳极、以表面等离激元(SPP)作用下的半导体量子点为吸光材料的新型纳米太阳电池原理型器件，主要研究：（一）金属纳米结构局域表面等离激元(LSPP)的设计、调控与高分辨表征；（二）LSPP-（量子点）光生载流子的能量转移过程及其对量子点光学特性的调控；（三）SPP对电池性能（如：吸收和外量子效率、短路电流、电池效率）的调控及其作用机理。. 选用ZnO、TiO2等氧化物包覆纳米贵金属、和半导体量子点组成异质纳米结构，利用其独特且便于调控的物理特性，特别是利用SPP-光生载流子能量转移过程中的新奇现象与物理，有望显著提高电池的光吸收和光电转换效率，对相关过程的机理研究有助于推动新型太阳电池的研制和开发，对新能源开发与利用中的相关领域（如催化、固态照明技术等）也具有一定参考价值。

纳米异质结太阳能电池在拓展对太阳光谱的吸收范围、促进光生电荷分离、提高载流子传输和收集效率等方面有着诸多优势，因而被认为是实现新一代高效廉价太阳能电池的有力竞争者。纳米异质结电池中的吸光材料往往由于在太阳光入射方向上厚度很薄，对太阳光的吸收严重不足，这已成为此类电池性能继续提高的重要瓶颈之一。针对这一瓶颈，本项目提出利用等离激元纳米结构增强纳米异质结电池光吸收的设计，主要研究等离激元纳米结构的制备、表征及其共振模式的调控；等离激元纳米结构对纳米异质结太阳能电池的光吸收和输出性能的增强效应及其物理机制；纳米异质结电池原型器件的制备及其性能优化。主要进展和成果包括：实现了表面超光滑的等离激元纳米结构的水解转移法高效制备；发展了三维金属纳米结构阵列的低成本高通量制备方法以及利用面内对称性破缺调控其等离激元共振特性的手段；针对纳米异质结太阳能电池，提出了吸收显著增强的表面等离激元+光学空间层的新设计并揭示了其增强机理；提出了利用局域表面等离激元（LSP）与表面传播等离激元（SPP）的相互耦合与Fano共振调控近红外吸收特性的新方法；通过电荷分离界面的设计和量子点壳层的生长控制实现了纳米异质结电池性能的显著提高；发现了提高纳米阵列光阳极“直线电子传输”能力亦即提高其电荷收集效率的两种有效途径。这些研究成果丰富了表面等离激元纳米结构的制备、表征与性能调控手段；为进一步提高纳米异质结太阳能电池的性能指标提供了科学依据和物理基础；不仅有助于推动新型高效廉价太阳能电池的研发，对于利用表面等离激元进行新能源领域的其他相关研发也具有一定的参考价值。