廉价金属颗粒表面等离激元的研究

发布时间：2017-08-09 23:18

  本文关键词：廉价金属颗粒表面等离激元的研究

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【摘要】：表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)是光波与金属表面的自由电子之间相互作用而引起的一种电磁模。由于SPPs能够在亚波长结构中对光进行约束和操控,因此被广泛的应用于光子器件、生物传感器及新材料设计等领域。近几年,在光伏领域,SPPs为提高太阳电池的光吸收开辟了新途径,与传统的陷光技术相比展现出巨大的优势。但由于研究时间不长,目前人们主要利用昂贵的Au,Ag颗粒激发SPPs,所以应用价值大大受到限制。深入考察较为廉价的金属纳米颗粒的SPPs已迫在眉睫。针对这个问题,本论文尝试用Al、Cu颗粒来代替Au、Ag等贵金属颗粒激发SPPs,并研究其在光伏电池中的陷光应用。主要包括以下几方面工作:(1)采用时域有限差分法(FDTD)对金属颗粒阵列的SPPs进行数值模拟。系统研究了Al、Cu纳米颗粒尺寸、覆盖率、介质环境对其表面等离激元的影响规律,并与Au、Ag颗粒进行比较。结果表明,金属颗粒尺寸、覆盖率及介质环境均可有效的调节SPPs共振波长。在相同条件下,Al的共振波长最短,可有效的避免由于Fano效应而引起的Si薄膜的光吸收损失。此外Al的散射效率远远大于其他三种金属,因此在太阳电池的前电极陷光结构中,Al颗粒展现出巨大的应用潜力。为了与实际情况更加相符,还模拟了金属颗粒椭球化后以及金属@金属氧化物芯壳结构的SPPs规律。(2)构建Metal particles/AZO/Si结构,采用FDTD法系统模拟了Al、Cu金属颗粒阵列的微结构因素对提高硅材料光吸收的影响。在此基础上,结合AMPS-1D程序模拟了Al、Cu金属颗粒在p-i-n纳米硅太阳电池中的陷光效果,并与Au、Ag进行对比。结果表明Al颗粒的陷光效果最好,最高可使纳米硅薄膜电池的短路电流提高29%。(3)利用反浸润法成功获得Al、Cu纳米颗粒。研究了金属膜厚度及退火条件对金属颗粒尺寸及密度的影响,并与Au、Ag进行了对比。对四种金属颗粒进行了消光谱测试,实验趋势与理论模拟趋势基本一致。(4)在ITO(透明导电薄膜)玻璃衬底上制备不同尺寸的Cu颗粒,并对其表面形貌、透过率及雾度进行表征。结果表明,沉积时间为10s的Cu薄膜经过退火后形成的颗粒兼具相对较好的雾度和透过率。在石英衬底上制备了一系列AZO薄膜样品,并对其光电性能进行表征。在优化AZO薄膜制备工艺的基础上,制备了Al Nano-particles/AZO/Si减反射结构,实验结果表明这种结构与空硅片相比,反射率大大降低,有望做太阳电池前电极的减反射层。
【关键词】：金属纳米颗粒 表面等离激元 陷光 纳米硅太阳电池
【学位授予单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG14
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 金属颗粒表面等离激元的基本性质11-13
• 1.2 表面等离激元的研究背景13-15
• 1.3 表面等离激元在光伏领域中的应用15-18
• 1.3.1 光伏电池的研究进展及发展瓶颈15-16
• 1.3.2 表面等离激元增强太阳能电池光吸收的原理16-17
• 1.3.3 表面等离激元增强太阳电池光吸收的研究现状与存在问题17-18
• 1.4 本论文的主要研究内容18
• 1.5 本章小结18-19
• 第2章 金属纳米颗粒的数值模拟、制备及表征方法19-30
• 2.1 数值模拟方法19-24
• 2.1.1 时域有限差分法 (FDTD)19-23
• 2.1.2 FDTD solutions软件介绍23-24
• 2.2 金属纳米颗粒的制备方法24-26
• 2.2.1 反浸润法24-25
• 2.2.2 光刻法25
• 2.2.3 化学合成法25-26
• 2.2.4 反胶束法和等离子体处理相结合26
• 2.2.5 化学自组装和溅射相结合26
• 2.3 金属纳米颗粒的表征方法26-29
• 2.3.1 扫描电子显微镜（SEM）26-27
• 2.3.2 X射线衍射谱（XRD）27-28
• 2.3.3 原子力显微镜（AFM）28
• 2.3.4 紫外-可见-近红外分光光度计28-29
• 2.4 小结29-30
• 第3章 金属纳米颗粒阵列表面等离激元的数值模拟30-40
• 3.1 模拟结构及边界条件设置30
• 3.2 几种金属颗粒阵列的表面等离激元特性的比较30-31
• 3.3 Al纳米颗粒阵列的表面等离激元规律31-34
• 3.3.1 Al金属颗粒尺寸、形状、覆盖率及介质环境对Qabs、Qsca、Qextin的影响规律31-34
• 3.3.2 Al@Al_2O_3芯壳结构的SPPs规律34
• 3.4 Cu纳米颗粒阵列的表面等离激元规律34-37
• 3.4.1 Cu金属颗粒尺寸、覆盖率、形状及介质环境对Qabs、Qsca、Qextin的影响规律34-36
• 3.4.2 Cu@Cu O芯壳结构的SPPs规律36-37
• 3.5 Ag纳米颗粒阵列的表面等离激元规律37-39
• 3.6 小结39-40
• 第4章 金属纳米颗粒阵列在硅薄膜太阳电池中陷光作用的理论研究40-50
• 4.1 金属纳米颗粒阵列对硅薄膜材料的减反射作用40-46
• 4.1.1 Al金属颗粒对硅薄膜材料的减反射作用规律41-43
• 4.1.2 Cu金属颗粒对硅薄膜材料的减反射作用规律43-45
• 4.1.3 几种金属的减反射效果对比45-46
• 4.2 金属纳米颗粒阵列对纳米硅薄膜电池的减反射作用46-49
• 4.2.1 纳米硅薄膜量子尺寸限制效应对带隙宽度的影响规律46-47
• 4.2.2 金属纳米颗粒阵列对纳米硅薄膜电池的减反射作用47-49
• 4.3 小结49-50
• 第5章 金属纳米颗粒的制备与表征50-63
• 5.1 Cu金属纳米颗粒的制备与表征50-56
• 5.1.1 Cu薄膜的制备50-52
• 5.1.2 Cu金属颗粒的制备52-53
• 5.1.3 Cu金属颗粒的表征53-56
• 5.2 Al金属纳米颗粒的制备与表征56-59
• 5.3 Ag与Au金属纳米颗粒的制备与表征59-62
• 5.4 小结62-63
• 第6章 金属颗粒/TCO的制备与表征63-71
• 6.1 Cu NP/ITO的制备及表征63-65
• 6.1.1 Cu NP/ITO的制备63
• 6.1.2 Cu NP/ITO的表征63-65
• 6.2 AZO薄膜及Al NP/AZO/Si减反射结构的制备与表征65-70
• 6.2.1 AZO薄膜的制备及表征65-69
• 6.2.2 Al NP/AZO/Si减反射结构初探69-70
• 6.3 小结70-71
• 第7章 总结71-72
• 致谢72-73
• 参考文献73-83
• 攻读硕士学位期间发表的论文83

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

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本文编号：647803