金属纳米颗粒/石墨烯复合的新型等离激元陷光结构研究

Plasmonic light-trapping is a technique that of great potential and development space to improve the efficiency of thin-film solar cells. In this project, we present a new plasmonic light-trapping structure composited of metal nanoparticle and graphene in order to achieve two light-trapping functions at the same time: the near-filed light enhancement effect of metal nanoparticle and the long-distance transport of light in graphene. This structure will overcome the limitation that the plasmons of metal nanoparticle can only affect very narrow area and the horizontal transmission of surface plasmons on the surface of a metal thin film suffers from great ohmic loss. Moreover, fewer light absorbing allows this composite structure to be inserted into the light-absorbing layer to enhance light absorbing in three dimensions, hence it can be applied in various thin-film solar cells and new generation three dimensional solar cells. By theoretical and experimental methods, the researches in this project focus on revealing the light-trapping mechanisms of the composite structure and exploring the change of its light-trapping performance with material properties and structural parameters to achieve the optimized construct. The key technologies need to break through are the theoretical simulations on the light-grapping mechanism of this new composite structure and the controllable fabrication of it. This project will enrich the theories in plasmonic light-trapping, and will provide theoretical and technical guidance for further improvements of light-trapping efficiency in thin-film and new generation three dimensional solar cells.

等离激元陷光技术是提高薄膜太阳能电池效率的有效手段，具有巨大的潜力和发展空间。本课题拟提出金属纳米颗粒/石墨烯复合的新型等离激元陷光结构，同时实现金属纳米颗粒的近场聚光和其所聚集的光在石墨烯中的长距离输运，进而克服金属纳米颗粒的等离激元聚光效果作用距离近和金属薄膜光栅表面等离激元横向传播欧姆损失大的缺点；并且该新型复合结构较低的光吸收使其可以嵌入半导体层内部获得三维光吸收增强，从而适用于各类薄膜太阳能电池以及新型三维太阳能电池。本课题拟采用理论模拟和实验研究相结合的方法，着重研究该复合结构的陷光机制和陷光性能，揭示金属纳米颗粒形态、石墨烯层数和掺杂以及金属-石墨烯间距影响复合结构陷光性能的内在规律，获得最优化结构设计。重点突破该复合结构制备及其陷光机制理论模拟中的关键技术。本课题的研究丰富了等离激元陷光理论，有望为薄膜太阳能电池以及新型三维太阳能电池陷光效率的提高提供理论基础和技术支持。

等离激元陷光技术是提高薄膜太阳能电池效率的有效手段，具有巨大的潜力和发展空间。本课题执行过程中，基于理论模拟的方法，系统探究了金属纳米结构的等离激元陷光增强效果、硅纳米结构的漏模响应陷光增强以及金属/硅复合结构的宽光谱陷光特性。其中对硅纳米结构的研究结果取得了系统性成果，对其陷光机理进行了系统总结，并建立了硅纳米线光管理性能的解析公式；设计的金属/硅复合结构，利用等离激元近场光向半导体材料超过90%的耦合，同时实现了等离激元和漏模响应陷光增强，以及所收集光的趋肤效果。基于实验探索，获得了金纳米颗粒、超薄晶硅片，硅纳米结构，半氧化硅纳米线和石墨烯量子点的稳定制备工艺；制备了超薄柔性的平板太阳能电池器件、硅金字塔/PEDOT:PSS和硅纳米线阵列/PEDOT:PSS太阳能电池器件。其中，对有机/无机杂化太阳能电池界面钝化工艺的探索使我们获得的短路电流密度可以达到理论极限的83%；对硅纳米线阵列/PEDOT:PSS太阳能电池器件，引入了物理加压的工艺，改进了PEDOT:PSS有机溶剂在硅纳米线阵列中的填充性。将金纳米颗粒和石墨烯量子点应用于硅基有机/无机杂化太阳能电池，根据电池性能表现，优化了金纳米颗粒的尺寸、石墨烯量子点的掺入量；金纳米颗粒的等离激元陷光增强效应可以是杂化电池的效率提升14.2%；将石墨烯量子点引入平板硅/PEDOT:PSS太阳能电池，可以使电池效率提升19.2%，引入硅纳米线/PEDOT:PSS太阳能电池可以使转换效率达到11.9%。本课题的研究丰富了金属、半导体和石墨烯纳米结构陷光理论，有望为新型太阳能电池陷光效率的提高提供理论基础和技术支持。