Ag/Au芯-壳结构纳米颗粒表面等离激元增强多晶硅薄膜太阳电池性能

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
61006050
项目类别：
青年科学基金项目
资助金额：
21.0万
负责人：
白一鸣
依托单位：
华北电力大学
学科分类：
F0403.半导体光电子器件与集成
结题年份：
2013
批准年份：
2010
项目状态：
已结题
起止时间：
2011-01-01 至2013-12-31

项目参与者：
陈诺夫；田红星；李鹏；张立；
关键词：
表面等离激元多晶硅薄膜太阳电池光电转换效率 Ag/Au芯-壳结构纳米颗粒

项目摘要

利用金属纳米颗粒表面等离激元增强太阳电池光吸收已成为当前光伏领域研究的热点。但纯金属纳米颗粒只能使电池对局部波段太阳光的吸收增强，而采用Ag/Au芯-壳结构纳米颗粒有望实现太阳电池的广谱高效吸收。本项目拟采用反胶束法在多晶硅薄膜太阳电池表面制备Ag/Au芯-壳结构纳米颗粒阵列，利用其表面等离激元对入射光的强散射作用提高电池对太阳光的有效吸收，进而提高电池的性能。通过对Ag/Au芯-壳结构纳米颗粒的大小、间距及壳层厚度等参数的调节，拓宽表面等离激元的消光谱域并增强纳米颗粒对光的散射；同时拟在该纳米颗粒阵列表面引入钝化层，通过改变其介质环境进一步增强电池对光的吸收。通过此项目的研究，探明Ag/Au芯-壳结构纳米颗粒阵列表面等离激元增强光吸收的机理，并提供一条以Ag/Au芯-壳结构纳米颗粒阵列表面等离激元提高多晶硅薄膜太阳电池性能的可行途径。

结项摘要

在理论方面，本项目基于Mie理论，研究Ag、Au单金属纳米颗粒及Ag/Au和SiO2/Au芯壳结构纳米颗粒大小、形貌及表面覆盖率等对其表面等离激元（SPs）消光谱及散射截面的影响。研究发现，合理调节纳米颗粒的形状、晶粒的尺及表面覆盖率可以有效的优化消光峰位和消光峰的半高宽；在综合考虑多晶硅薄膜外量子效率、太阳光谱分布及纳米颗粒前向散射效率的基础上，将纳米颗粒表面等离激元偶极子共振峰和四极子共振峰分别调至太阳光谱最大能量密度分布波长范围内，探明了不同纳米颗粒阵列增强薄膜太阳电池光学吸收的机理。. 实验方面，发展了低成本、高效、稳定的多晶硅薄膜太阳电池的等离子增强化学气相沉积技术（PECVD）和射频磁控溅射技术；完善了Au、Ag及Ag/Au芯-壳结构纳米颗粒阵列的物理及化学制备方法，主要包括反胶束法、反浸润法和液相还原法；研究了它们的局域态表面等离激元特性，并对其消光特性的异同进行了分析。发现这些纳米颗粒局域态表面等离激元能从深紫外到可见光范围内连续可调，同时结合多晶硅薄膜太阳电池的光谱吸收特性，将太阳电池光电转换效率相对提高20％以上。此外，本项目拓展了Au纳米颗粒对基于P3HT和PCBM共混薄膜的有机聚合物太阳电池光学吸收性能的影响的研究。研究发现，光敏层的厚度和纳米组织形貌及各个界面之间的性质对电池的性能都有很大的影响，通过优化，合理控制金属纳米颗粒表面形貌等参数，可以显著提高有机太阳电池的光学吸收性能。. 总之，通过本项目的研究，发展了贵金属纳米颗粒的物理和化学制备方法，完善了纳米颗粒光学散射性能的基础理论，探明了金属纳米颗粒阵列表面等离激元增强太阳电池光吸收性能的机理，提供了一条以金属纳米颗粒作为薄膜太阳电池陷光结构的新途径。研究成果以论文形式发表，截止2013年12月31日，在国内外知名刊物上发表的（已标注基金资助的）论文统计如下：SCI收录论文4篇，其中第一作者3篇； EI收录论文3篇，中文核心5篇，参加国内学术会议1次，发表会议论文1篇，申请国内发明专利5项。