等离激元光电转换界面的设计和电荷转移特性

Typical solar cells rely semiconductor material to absorb photons and generate electron-hole pairs that are separated to external circuit to produce electric energy. The micro-nano structures of noble metals (i.e., Au, Ag, and Cu) can as well strongly absorb light, creating the so-named plasmons (light-induced collective oscillation of free electrons) that spontaneously decay and produce energetic hot electrons. This project aims to design a series of heterostructures to optimize the generation and extraction of hot electrons, and investigate the light-electricity conversion properties of metallic micro-nano structures. This project will design double heterojunctions of metal micro-nanostructure/semiconductor/metal for optimizing the light-electricity conversion efficiency. In particular, we will (1) design and fabricate a series of metallic micro-nanostructures with improved light adsorption properties over a wide spectral range, (2) engineer heterostructure interface to focus hot electron distribution, (3) create electromagnetic field in the semiconductor layer and continuously tailor the Schottky barrier height using selected oxide semiconductors or two-dimensional semiconductors (e.g., WS2xSe2-2x) with tunable band gaps to optimize the charge creation, transfer, and collection. The proposed research will generate important fundamental knowledge on the key factors determining the charge generation, separation and thus the light-electricity conversion efficiency in plasmonic heterostructures. The results achieved will have great significance for the development of plasmonic energy conversion device, plasmonic photodetection devices, and high performance plasmonic photocatalysts.

太阳能电池是利用半导体的吸光特性，通过分离光生空穴－电子对获得电能的光伏器件。一些贵金属微纳结构也可有效吸光，产生等离激元(plasmon，光诱导的自由电子集体振荡)、随后自发衰减生成高能量热电子。根据此特性，项目拟用一系列异质结来生成和分离热电子，研究微纳结构的光电转换功能。项目设计了金属微纳结构/半导体/金属双异质结，通过(1)设计“粒子-在-空腔”等微纳结构实现宽光谱范围高吸收，(2)控制界面结构实现热电子聚焦分布, (3)在半导体中(通过金属plasmon间耦合)内建光电场和利用金属氧化物半导体或带隙可调二维半导体合金调控异质结的肖特基势垒，来优化热电子产生、迁移和收集，提高光电转化效率。项目的研究有可能获得有关微纳结构参数、界面工程和肖特基势垒等对光电子产生、分离和光电转换效率影响的定量认识。研究成果对于发展新型plasmon能源转换器件，光电探测器件和光催化剂具有重要指导意义。

一些贵金属微纳结构能产生等离激元(plasmon)性质(i.e.,光诱导的自由电子集体振荡)。Plasmon激发后，其微纳结构可以强烈吸收光、生成高能热电子、产生表面增强拉曼散射(SERS)等一系列奇异的性质。通过调控plasmon材料的结构或者将它们与半导体材料结合，又可进一步调控其电荷转移特性和光电功能。基于此，本项目通过设计plamson材料和半导体结构，研究了plasmon材料的吸光性能、电荷转移特性、谱学增强功能和半导体γ-CuI的电荷转移特性，取得的主要成果如下：1）发展了2种制备策略（过电流电沉积和盐诱导自组装）来制备具有宽波段吸光特性的plasmon黑金，并揭示黑金具有热电子催化和宽波段激发的SERS特性。2）发展了2种后处理方法来提高plasmon透明材料银纳米线载流子传输能力的和1种合成方法来合成高质量银纳米线。3）发现了光焊接plasmon纳米粒子(金和银纳米粒子)现象，揭示焊接后的金纳米粒子膜具有高的载流子传输（即导电）能力和催化能力。4）通过设计plasmon材料的结构，发展出了新一代的本体编码SERS纳米探针，并提出了 “热点”平均的思路来提高SERS光谱的重现性。5)由非层状γ-CuI成功合成了超薄的二维纳米片（侧向维度高至5m，厚度低至1 nm）。电输运研究揭示γ-CuI纳米片具有低至~0.3 Ωcm的电阻率和其γ-CuI/WS2 垂直异质结显示了明显的p-n二级管整流特性。这些研究成果对于发展和应用plasmon透明材料和基于plasmon的能源转换器件、光电探测器件、SERS检测器件和光催化剂具有重要指导意义。