表面等离激元增强纳米硅薄膜太阳能电池的研究

表面等离激元（SPPs）作为一种新颖的光陷阱技术成为近几年光伏领域的研究热点。在纳米硅薄膜太阳电池中，基于其独特的量子限制效应，硅晶粒与SPPs之间的耦合将为提高光吸收提供更广阔的空间，但目前尚无表面等离激元增强纳米硅薄膜太阳电池的报道。此外，由于刚刚起步，目前光伏领域多采用昂贵的Au 、Ag纳米阵列激发SPPs，因此应用价值受到限制。针对这些问题，本项目在前期工作的基础上，拟以Al、Cu颗粒表面等离激元增强纳米硅薄膜太阳电池为研究体系，从理论和实验两方面探索Al、Cu纳米颗粒的微结构因素以及介质环境对SPPs的调控规律，在此基础上考察不同SPPs模式对纳米硅薄膜电池光吸收及寄生电阻效应的影响，首次提出Al、Cu 纳米颗粒表面等离激元提高纳米硅薄膜太阳电池转换效率的有效途径，并阐明其物理机制，使同等条件下引入SPPs后的纳米硅薄膜太阳电池的短路电流提高25％。

本项目以Al、Cu纳米颗粒表面等离激元（SPPs）增强纳米硅薄膜太阳电池为研究体系。在理论方面，利用Lumerical公司的FDTD Solutions软件系统模拟了Al、Cu颗粒阵列的SPPs规律。结果表明，通过控制颗粒尺寸、形状、密度、介质环境可有效地调控其SPPs的共振峰位，Al颗粒阵列的散射效率远远大于Au和Ag，且SPPs共振波长位于紫外区域，因此可有效地避免由Fano效应引起的光学损失。利用量子限制效应模型，模拟了硅晶粒尺寸对纳米硅薄膜禁带宽度的调制规律。在此基础上，结合AMPS-1D软件模拟了Al、Cu颗粒阵列对PIN纳米硅薄膜太阳电池的陷光效果，结果表明通过合理调控Al、Cu的尺寸、形状和表面覆盖率，可以有效提高电池的光吸收。其中Al的陷光效果最显著，优于Au和Ag，最高可使电池的短路电流提高29%。在实验方面，利用反浸润法获得Al、Cu纳米颗粒阵列，并系统研究了工艺参数对颗粒尺寸、覆盖率及消光谱的影响；探索了由典型非晶硅薄膜获得纳米硅薄膜的快速激光退火技术，系统研究了平均单脉冲激光能量密度对纳米硅薄膜的晶相体积比、硅晶粒尺寸及光吸收的影响；利用磁控溅射技术制备了金属颗粒与硅薄膜之间的隔离层AZO薄膜，并通过XRD、霍尔效率、透过率等测试对其进行表征分析。将Al、Cu金属颗粒应用于纳米硅薄膜太阳电池，考察了其对电池短路电流及寄生电阻的影响规律，得到提高纳米硅薄膜太阳电池转换效率的有效途径，并阐明了其物理机制。发表科研论文(已标注)12篇(含1篇已接收),其中国际SCI收录10篇；申请专利3项，其中2项公示，1项授权；培养硕士研究生3名；出国参加国际学术会议1次。