复合纳米颗粒阵列表面等离子体对近红外光子宽频激发的机理研究和调制

The bottleneck of the current PV cell efficiency is the root reason of blocking the expansion of the solar market nowadays. The surface plasma polaritons effect of nanoparticles for light trapping becomes one of the most promising techniques to overcome the trouble, emerging in recent years. However, those researches are at its early stage now. Herein, both theoretic and experimental studies on the inter-particle and near field electromagnetic field coupling in a 2D metal nanoparticle array and its enhancement for solar cell efficiency, will be systematically studied in this project, as well as the enhancement of conversion from the trapped near-IR photons to electron-hole pairs by means of rare-earth doped nano-composite. It mainly includes: 1) the field coupling mechanism of the 2D metal nanoparticle array, including inter-particle and near field, and its enhancement mechanism for light tapping; 2) enhancing broadband absorption of solar photons in experiment, especially from 600nm to 1800nm, by compounding the metal nanoparticles with rare earth doped oxides; 3) upgrading mechanism of the up-conversion efficiency of near-red photons trapped in the devices through tuning rare-earth composites. The successful fulfillment of this project will not only reveal the essential mechanism of surface plasma polaritons in 2D composite nanoparticle array, but also pay the way for its further applications in the fourth-generation solar cell industries.

光伏电池转换效率瓶颈是制约太阳能市场发展的根本原因。近年来基于纳米颗粒表面等离子振荡效应的研究成为突破该技术瓶颈的最具潜力方向之一,但该类研究尚处于初步阶段。为此，本项目将开展二维纳米颗粒阵列表面等离子体对太阳光子增强吸收的系统性理论和实验研究，同时揭示稀土复合纳米材料对近红外光子光电转换增强效果和机制。研究主要包括：1）二维金属纳米颗粒阵列中表面等离子体波的场耦合及其增强吸收机制；2）通过掺杂稀土氧化物复合，调制该复合材料对600nm-1800nm波段光子的宽频振荡及吸收增强；3）复合材料对吸收的近红外光子上转换效应增强机理。此项研究的顺利开展不仅会深刻揭示二维复合纳米颗粒阵列表面等离子的增强吸收机制，也为形成突破当前技术瓶颈的第四代光伏产业化技术打下基础。

围绕项目目标，本项目在项目执行期间着重开展了如下五个方面的研究工作。（一）实现稀土掺杂氧化物与银的纳米复合颗粒的可控制备及荧光性质表征。在两种尺寸均匀的银核上通过一系列可控合成手段，精准控制三种SiO2壳层厚度，并巧妙嫁接Eu（ttfa）功能分子。基于壳层厚度变化改变银核与表面掺杂稀土离子的间距，从而实现荧光强度和寿命的宽域调控。这对调控表面等离子宽光谱响应具有重要应用价值。.（二）开展了大量典型纳米银结构表面等离子阵列尺寸、间距及周期等参数的模拟计算。以800-1800nm波长光子吸收截面、散射截面和吸收率为关键指标，以优化后底部直径为280nm圆锥为研究平台，着重分析导致高吸收和散射截面的阵列基元近场电场强度随间距变化引起的耦合强度衍化，清晰地揭示了它们在各红外特征波长下的物理图像。.（三）采用简单可行的聚乙烯小球模板法获得不同尺寸和间距的均匀大面积Ag@SiO2纳米三角阵列，获得其吸收谱随结构变化的内在联系。在此阵列上进一步修饰CdSe量子点，获得量子点荧光增强与阵列吸收增强的直接关系，并可通过聚乙烯小球直径的选择实现表面等离子激元阵列调控，从而调控其应用端量子点荧光增强效果。.（四）为实现更可行高效宽光谱吸收的目标，尝试开展金属-宽禁带氧化物-金属（MIM）结构对可见和红外波段光子吸收增强的研究。基于W/SiO2/W结构，通过对结构单元中W块的尺寸、高度、周期和SiO2层厚度，模拟计算获得高质量的宽光谱吸收阵列结构及其对应的物理机制。这项研究对设计低成本高效的宽光谱吸收更为实际可行，因而具有重要应用价值。.（五）光照入射角变化下的阵列光吸收增强变化机制研究。基于银三角阵列平台，通过两个维度（平面内和轴向）入射光角度变化吸收界面模拟计算数据对比，发现两个方向入射光角度变化，吸收截面的反应是截然不同的。实验测得的CdSe量子点荧光增强规律与所计算的吸收截面吻合很好。经过对Ag@SiO2三角激元近场电场强度的研究，揭示其清晰的内在物理机制。