纳米等离激元与太阳电池中的非平衡物理过程耦合研究

Nano-surface plasmonic effect in metallic nanomaterials and its related physical consequences have been drawn much attention and profound progress has been achieved in the last 10 years.It is a great challenge to incorperate the nano plasmonic effect into photo-electric devices, which have many successive processes when working as a device. Based on our previous work on high performance photo-electric devices, we proposed the following research for this application.1) To study the super-strong coupling of the nano plasmons with the photo-electric materials. Design standing-alone mono-grained layer and spatially separate the plasmon polaritons from the the optical phonons in the materials. To study the generation,transport and coupling of carriers with different NSPP plasmon modes; To design and achieve broad-band spectrum absorption for device application. 2) To fabricate CdTe multi-layer solar cell structures, which incorporate different metal nano structures. This would modulate the carrier generation and therefore modulate the Fermi level in the absorbing material. The purpose is to study the carrier transport with the presence of different localized polariton modes through the macroscopic parameter of the cell open-circuit voltage. 3) To study the CdTe solar cell instability, which is caused by the Cu diffusion to the P-N junction, in a mono-layer or sub-monolayer level. Using the sensitve surface mode to study the influence of the localized plasmons on the Cu diffusion under different band structures.

纳米表面等离激元(NSPP)及其物理效应，近10年来取得了巨大研究进展。利用其电场增强效应，可以探测单分子，分辨率达到纳米/亚纳米水平。把金属纳米等离激元结构结合到具有连续物理过程的光电器件中，目前遇到了严峻挑战。本项目结合申请人光电器件研究基础，提出如下研究内容和方案: 1）研究等离激元与物质的超强耦合效应。制备悬空单晶粒层光电薄膜，研究不同等离激元激发模式与载流子产生和输运耦合，研究实现宽光谱吸收的等离激元结构；2）采用纳米等离激元集成的CdTe多层薄膜电池结构，调控光吸收层的费米能级，研究光生载流子输运过程。通过测量宏观的电池参量，即开路电压，研究载流子在不同NSPP光局域/传播模式下的输运；3）在原子/分子水平上，研究CdTe太阳电池的不稳定性。利用纳米等离激元研究单原子层Cu在P-N 结处的扩散。利用敏感表面晶格振动模式，探测不同电场分布下对杂质Cu原子扩散的影响。

在本基金资助下，我们利用纳米表面等离基元拉曼散射增强效应，从原子分子尺度上对CdTe薄膜太阳电池薄膜材料即CdTe和CdS的晶格振动、激子-声子耦合以及电池P-型掺杂杂质原子扩散等进行了深入研究，对新型CdTe薄膜太阳电池及其内部载流子输运过程进行了研究。取得的成果主要为：1）利用纳米等离激元增强效应，定量地研究了Cu在CdTe薄膜中的扩散；Cu是CdTe薄膜电池P-型掺杂和实现欧姆接触的有效掺杂材料，其在CdTe薄膜中的扩散是该电池的重要基础问题之一；2）利用纳米等离激元拉曼增强效应，观测到了CdTe和CdS薄膜的强烈的表面振动模式，并研究了这两类材料声子的非简谐效应；3）通过对CdTe生长条件和表面成分的分析，发现了气-液-固生长机制在近空间升华法制备CdTe过程中的机制作用，并制备了高质量的CdTe薄膜及高转换效率CdTe太阳电池；4）制备了具有新型背接触结构的高转换效率CdTe太阳电池，并研究了载流子在背电极处的传输机理及电池的稳定性；5）在电池前电极处加入了不连续的高阻层SnO2薄膜，发现其能对FTO/CdS/CdTe界面处的漏电通道起到有效的阻挡作用；对比研究了不同前电极高阻层材料对电池内部载流子传输的影响；6）研究了CdTe太阳电池的弱光性能，并与单晶GaAs电池进行了对比研究，发现CdTe电池的弱光性能受到串并联电阻的影响较严重，这主要与CdTe材料本身电阻、背接触势垒电阻以及晶粒晶界较多有关。我们还发现空间电荷限制电流在CdTe太阳电池中是普遍存在的，受其影响，CdTe电池的漏电电流增大，填充因子降低，效率下降。. 通过本项目的实施，我们共发表了标注有本基金的学术论文19篇，其中高影响论文（二区及以上论文）13篇，申请专利6项，其中3项已获得授权，可以说我们高质量地完成了本基金课题。期间共有20名研究生全部或部分得到本基金的资助完成或者即将完成硕、博论文工作，其中有6人/次研究生获得中国科技大学的研究生光华奖学金、求是奖学金、研究生课题资助及优秀研究生毕业生等荣誉称号。