表面等离激元增强宽光谱InGaN太阳能电池研究

InGaN-based solar cell is the most promising, novel and broad-spectrum solar cell in recent years. However, the inefficiency is one of the main problems restricting its development and applications. To improve the effective absorption of the InGaN multiple quantum wells (MQWs) to the sunlight is an effective way to improve the efficiency of InGaN solar cells. In this project, surface plasmon polaritons (SPPs) enhanced photoelectric conversion efficiency of the InGaN solar cells is proposed. We will focus on studying mechanism of interaction between the metal nanoparticles and photons guide, constraints and coupling, and then establish the model of the enhanced efficiency of InGaN-based solar cell by SPPs. By studying effect of the types, shape, size, density, distribution of metal-nanoparticles on optical gain of the InGaN MQWs, exploring the limit law of the InGaN quantum well thickness, composition, polarity and substrate material on optical transmission path, and investigating the formation model of optical waveguide in the light absorption layer, the physical mechanism of the SPPs enhanced InGaN solar cell efficiency will be revealed. Finally, a demo enhanced InGaN solar cell device by SPPs will be fabricated, which will promote the development of China's high efficiency novel solar cells.

InGaN太阳能电池是近年来最具发展前景的新型宽光谱太阳能电池。然而，效率低下是制约其发展和应用的主要问题之一。提高InGaN量子阱层有效吸收太阳光是提高InGaN太阳能电池效率的有效途径。本项目提出利用金属纳米粒子表面等离激元增强的方式来提高InGaN太阳能电池的光电转换效率。重点研究金属纳米粒子与光子引导、限制和耦合等相互作用机理，建立金属纳米粒子表面等离激元增强InGaN太阳能电池效率的模型。研究金属纳米粒子的种类、形态、尺寸、密度、分布等对InGaN吸收层光增益的影响，探索InGaN量子阱的厚度、组分、极性以及衬底材料种类对光传输路径的限制规律，研究光吸收层中光波导形成模式，揭示表面等离激元增强宽光谱InGaN太阳能电池效率的物理机制。最终，研制出表面等离激元增强InGaN太阳能电池原型器件，为我国新型、高效太阳能电池的发展奠定基础。

InGaN太阳能电池近年来受到广泛的关注。InGaN是一种直接带隙半导体材料，且其禁带宽度在0.7~3.4eV范围内连续可调,几乎覆盖了整个太阳光谱.此外，InGaN具有高的吸收系数（带边105cm-1)等优势，是一种理想的太阳能电池材料。然而，到目前为止，由于获得高质量的InGaN材料困难，InGaN太阳能电池的效率远低于人们期待的水平，幸运的是，表面等离激元为提高半导体光电子器件性能提供了新手段。因此，本项目基于InGaN太阳能电池广阔的应用前景和电池效率低下的问题，利用等离激元提高InGaN太阳能电池转换效率，获得了高质量InGaN/GaN量子阱材料，明确了等离激元增强InGaN太阳能电池效率机理，成功研制了表面等离激元增强的InGaN太阳能电池，其短路电流与传统的InGaN 太阳能电池相比提高20%以上，光电转换效率提高近30%。在Scientific Reports, Optical Express等期刊发表了论文7篇，影响因子大于3.0的SCI论文6篇，授权发明专利1项，申请发明专利4项。获“吉林省自然科学学术成果奖一等奖”1项。项目申请人荣获“2015年中国科学院青年创新促进会会员”。.主要研究内容及成果如下：.1）获得了高质量InGaN太阳能电池材料：利用短波双光束原位监测和生长温度周期调控的方法生长InGaN/GaN量子阱材料，深入研究了生长参数对InGaN/GaN量子阱的影响，优化生长条件，获得了界面陡峭、平整、不同In组分的高质量InGaN/GaN量子阱太阳能电池材料。.2）明确了表面等离激元增强InGaN太阳能电池机理：基于时域频域有限元差分法，获得了纳米粒子的种类、尺寸、环境媒介等对表面等离激元共振波长的影响，并提出一种能够在400-500nm可见光范围内稳定调控等离子共振波长的方法，即通过改变SiO2介电纳米粒子的厚度改变Ag纳米粒子的有效介电常数。.3）成功研制了表面等离激元增强的InGaN太阳能电池：分别研究Au、Ag、Au/SiO2核壳结构、SiO2/Ag/SiO2三明治等对InGaN太阳能电池的影响，并成功研制等离激元增强的InGaN太阳能电池。.本项目获得了等离激元增强InGaN太阳能电池的机理并成功研制了基于等离激元增强的InGaN太阳能电池，为推进InGaN太阳能电池的发展和进一步应用提供了有效手段。