表面等离子激元增强型纳米微腔结构的薄膜太阳电池研究

Photon management becomes more and more critical to enhance performance for thin film solar cells. The objective of this proposal is to develop surface plasmon enhanced nano-microcavity structure by incorporating silver nanoparticles into ZnO nanowires. By nonlinear optical property of surface plasmon, it is feasible to improve photon tailoring and modulation, resulting in localized nano-microcavity effect. Using the impact of electrical energy of surface plasmon motion character on the photo-generated carriers in the domain of state, the carrier collection properties can be further optimized. This project originates from the unique property of surface plasmons and develops a ubiquitous hybrid nano-microcavity structure. We aim to apply nano-template aided deposition technique to realize the controllable hybrid nano-structure. To solve the problem applied in silicon-based thin film solar cells, we aim to apply silicon-hydroxy interface passivation layer to revise the interface property, leading to reduced interface recombination and lattice mismatch. This can finally illustrate the mechanism of nano-microcavity effect on the light trapping and the carrier collection, leading to the fabrication of efficient thin-film solar cell prototype device. It can further decrease absorption layer thickness and increase efficiency of thin film solar cells, and then fundamentally provide technique support to increase the industrial competitiveness.

太阳电池的光管理工程，对提高电池性能呈现日益重要的作用。本项目提出将纳米Ag颗粒的表面等离子激元作用引入ZnO纳米线列中，获得具有定域化高能电场的纳米微腔结构，以增强光程拓展、提升光子剪裁与调制效果，获得良好陷光效果，并优化电荷收集性能。本项目拟从研究表面等离子激元独特的光电特性入手，建立一类具有普适性的纳米微腔结构理论设计模型，揭示其对薄膜太阳电池光吸收及电荷收集性能的影响机制。采用纳米掩膜辅助沉积技术实现微腔结构的可控制备。就在硅基薄膜太阳电池中的实际应用问题，采用表面修饰的硅羟基界面钝化层进行界面改性，降低界面复合及能带与晶格失配。最终制备出基于纳米微腔结构的高效薄膜太阳电池原型器件，提供有效减薄电池有源层厚度、提高电池效率、降低成本的技术方案。

本课题着眼于一类基于表面等离子激元增强型纳米微腔结构的高性能薄膜太阳电池，从理论与实验两方面入手，获得纳米微腔的光电管理作用机制，并对微腔界面进行有效改善，获得了提高效率、降低成本、提升产业竞争力的可行性方案。本课题先后设计了三种实验方案以实现纳米微腔结构。首先，采用阳极氧化技术制备获得hollow-HSHT结构，获得周期达到650 nm，孔间距达270 nm的AAO中空纳米周期阵列。将该结构应用于非晶硅薄膜太阳电池，获得了短路电流密度为13.28 mA/cm2，效率为8.31%的高效非晶硅薄膜太阳电池，较传统陷光结构相比Jsc提高21%，Eff提升24%。其次，通过基底腐蚀及衬底转移技术，成功的在玻璃衬底上实现了基于AAO阵列的ZnO纳米微腔结构，应用于薄膜太阳电池，相较于平面电极及传统AZO陷光强电极，分别获得了7.79 %及7.38%的初始转化效率增益。最后，采用浸渍-提拉及等离子体刻蚀技术，获得结构参数灵活可控的基于SiO2微球的ZnO纳米微腔结构，获得了非晶硅电池20%的Jsc增益，并将初始转化效率提高15%。采用磁控溅射技术实现了纳米Ag颗粒的可控制备，采用根据Mie理论和准静态近似原理，对其光学特性进行了模拟分析，并将其应用于非晶硅太阳电池界面层。通过界面层的优化，采用高电导率的p-nc-SiC:H作为接触层，可以降低p层一侧的肖特基势垒，同时以减薄势垒耗尽区；此外研究发现Ag NPs的引入，其表面等离子激元的热电子优化了光生空穴在AZO/p界面处的输运特性；并采用等离子激元诱导热电子转移机制对以上现象进行了理论建模及解释。在研究过程中，理论分析与实验结果讨论并举，从远场及近场特性中分析出微腔结构的波导传输特性及表面等离子激元高能热点分布特性，获得了表面等离子激元增强型纳米微腔结构的光电管理作用机制，最终制备出基于纳米微腔结构的高效非晶硅及微晶硅薄膜太阳电池原型器件，提供有效减薄电池有源层厚度、提高电池效率、降低成本的技术方案。