用于提高硅基太阳电池效率的表面等离子体激元增强量子剪裁效应研究

It has become a critical subject to enhance the absorption of silicon substrate solar cell through quantum cutting (QC). At present, QC is mainly to convert blue photon into two near-infrared(NIR) photons with rare-earth-codoped materials (mainly Yb ions and another rare earth). We propose to prepare rare-earth multi-doped materials, which can realize UV/violet//blue-NIR QC to obtain more NIR photons absorbed by silicon substrate solar cell. Moreover, we will prepare metallic nanostructures in the QC materials (rather than silicon base) to enhance the excitation field and emission field in the QC process based on the near-field enhancement properties of surface plasmon polariton, in other words, the structure can enhance the excitation wavelength absorbed by QC materials. For another, near infrared light through QC process can also be enhanced, leading to improving absorption to the short wavelength region of sunlight. This subject is of great significance in improving conversion efficiency of the silicon-based solar cell.

通过量子剪裁，得到更多的可被硅基太阳电池吸收的光子，是一个重要的研究方向，目前主要是利用双掺稀土材料（主要是Yb和另外一种稀土离子），使得蓝光被剪裁为两个红外光子。我们提出研发新型稀土多掺光学材料，能够同时对太阳光中的紫光和蓝光（简称蓝紫波段）进行量子剪裁，得到多个可被硅基太阳能电池吸收的近红外光子；并利用表面等离子体激元增强发光的原理，在所用的稀土量子剪裁材料上(而不是在硅基材料上)，通过制作金属纳米结构，在满足一定条件下，使得激发光场和辐射光场得到增强，也就是让被量子剪裁材料吸收的短波长（激发光）得到增强，另一方面，使得通过量子剪裁材料转换后的近红外光（辐射光）也被增强，最终得到更多的可被硅基太阳电池吸收的光子，提高硅基光电池对于太阳光的可见光部分的吸收率。该课题将对太阳能电池效率的提高具有重要的意义。

本项目通过四年的研究工作，已完成了项目计划内容，并根据实际情况作了部分调整和深入研究。主要研究工作有：1、购置和改造了部分实验设备；2、根据已有的制备玻璃和玻璃陶瓷的配方及制备经验，制备合适的双掺、多掺玻璃与玻璃陶瓷同时采用溶胶凝胶方法制备双掺和多掺的量子剪裁光学材料，通过不同包裹厚度的银纳米球连接Eu结构和利用热蒸镀方法实现了不同比率金棒和Eu结合；3，测量了样品的光谱特性，尤其是在有微纳结构情况下的光谱特性，测量了样品的光学、机械、热学性能等；4、研究了银纳米粒子对于稀土材料发光的影响，不同比率的金棒结构对于发光的影响，研究了这两种结构下表面等离子体对Eu发光以及寿命的影响，对表面等离子体激元增强量子剪裁效应进行了深入研究。5、利用金属表面等离体理论结合FDTD理论模拟，对与稀土发光材料中的表面等离子体增强量子剪裁效应进行了模拟和分析。6、研究了金属纳米结构的稀土发光材料对于硅基太阳能电池上效率的影响。