等离激元纳米结构的制备及在太阳能电池中的应用

【摘要】：由于能源危机的加重,清洁能源受到越来越多的关注,尤其是太阳能。太阳能电池是利用光伏效应直接将光能转换为电能的光电子器件。薄膜太阳能电池的厚度通常为1-2μm,能有效的减少半导体材料的用量从而降低成本。与晶片基太阳能电池相比薄膜太阳能电池的光吸收效率较低,故其能量转换效率较低。因此,发展一种能够有效提高薄膜太阳能电池光吸收效率的技术非常重要。提高太阳能电池光吸收效率的传统方法主要为表面粗化和制备抗反射膜。然而,表面粗化结构的尺寸约为10μm,无法应用于薄膜太阳能电池中；而亚微米的表面粗化能有效的提高光提取效率,但它同时也提高了少数截流子在表面和结处的再复合。抗反射膜只能增加特定波长的光吸收效率,而且沉积SiOx和SiNx为主要成分的抗反射膜需要昂贵的设备,增加了生产成本。表面等离激元共振(SPRs)是由入射电磁波诱导的金属表面电子的集体振荡现象,它能显著增强金属纳米结构附近的电场强度,提高金属纳米结构的散射截面进而增强光在太阳能电池吸收层内的光程,增强光吸收效率。SPRs的波长和强度不仅依赖于金属纳米结构的材料,还依赖于金属纳米结构的尺寸和形貌。在本论文中,我们采用物理和化学方法制备了Ag的等离激元纳米结构并应用于GaInP太阳能电池。在本论文的内容分为四个章节。分别为第一章绪论；第二章利用溅射和光诱导方法制备Ag纳米等离激元结构；第三章利用自发电流置换方法在GaInP薄膜太阳能电池表面制备Ag纳米等离激元结构提高其光电转换效率；第四章结论和展望。主要的研究内容和结论如下：(1)利用溅射-退火过程在GaInP薄膜太阳能电池表面直接制备Ag纳米结构,通过改变溅射时间和退火温度实现对Ag纳米结构形貌的调控。研究发现在低温(250℃)退火条件下,溅射时间只影响Ag纳米颗粒的密度,而对纳米颗粒的尺寸几乎没有影响；而在高温(450℃)退火条件下,可以形成尺寸较大的Ag纳米颗粒,有利于增强太阳能电池的光吸收。(2)利用光诱导方法实现对Ag纳米颗粒尺寸和形貌的调控。首先利用紫外光照将光引发剂1173光解成具有还原性的自由基,它能将溶液中的Ag+还原成Ag原子并在溶液中成核并在稳定剂柠檬酸钠的作用下形成尺寸为～10 nm的球形Ag纳米颗粒晶种。然后利用不同波长的单或双束LEDs光源照射Ag纳米晶种溶液,诱导Ag纳米颗粒的生长。实验结果表明在入射光的的调控下球形Ag纳米晶种颗粒可以转变为十面体、三角棱柱和环状纳米结构,而且溶液的颜色也会发生相应的变化。(3)通过自发电流置换反应在GaInP薄膜太阳能电池表层AlInP结构上制备Ag纳米颗粒。研究结果表明当AlInP表面与浓度为10 mM的AgNO3溶液接触时, AlInP导带的电子会被Ag+捕获并还原成Ag原子,在AlInP表面形成Ag纳米颗粒。通过控制反应时间可以实现对Ag纳米颗粒尺寸和密度调控。(4)研究了自发电流置换方法制备的Ag纳米颗粒对GaInP薄膜太阳能电池性能的影响。实验结果表明,GaInP薄膜太阳能电池的短路电流密度(Jsc)从14.9 mA/cm2增加到17.8 mA/cm2,增加了19.5%；功率转换效率(PCE)从15.2%增加到18.3%,增加了20.4%；而开路电压(Voc)基本没有发生变化。综上所述,本论文利用溅射-退火、光诱导和自发电流置换反应分别实现了Ag纳米等离激元结构的制备和形貌调控,并研究了Ag等离激元纳米颗粒对太阳能电池性能的影响。研究发现由于Ag纳米颗粒的表面等离激元效应,可以将GalnP薄膜太阳能电池的功率转换效率提高20.4%。 【关键词】：太阳能电池 表面等离激元 光诱导 自发电流置换 溅射-退火
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要8-10
• ABSTRACT10-13
• 第一章 绪论13-39
• 1.1 引言13-15
• 1.2 太阳能电池的发展历史15-16
• 1.3 太阳能电池的工作原理16-20
• 1.4 提高太阳能电池光吸收效率的方法20-34
• 1.4.1 金属表面等离激元纳米结构提高太阳能电池效率20-29
• 1.4.2 抗反射膜提高太阳能电池的效率29-32
• 1.4.3 多结结构提高太阳能电池效率32-34
• 1.5 研究目的和主要研究内容34-35
• 参考文献35-39
• 第二章 物理和化学方法制备Ag纳米等离激元结构39-55
• 2.1 引言39-40
• 2.2 物理溅射-退火方法制备Ag纳米颗粒40-44
• 2.2.1 实验过程40-41
• 2.2.2 结果和讨论41-44
• 2.3 光诱导方法制备Ag纳米颗粒44-52
• 2.3.1 实验步骤45-46
• 2.3.2 结果和讨论46-52
• 2.4 本章小结52-53
• 参考文献53-55
• 第三章 等离激元结构提高GaInP薄膜太阳能电池能量转换效率55-67
• 3.1 引言55-56
• 3.2 实验步骤56-58
• 3.3 结果与讨论58-63
• 3.3.1 利用自发电流置换方法在n型AlInP表面沉积Ag纳米颗粒58-59
• 3.3.2 GaInP薄膜太阳能电池的J-V曲线及各参数变化59-60
• 3.3.3 GaInP薄膜太阳能电池的光谱响应60-63
• 3.4 本章小结63-64
• 参考文献64-67
• 第四章 结果与展望67-69
• 4.1 主要结论67-68
• 4.2 主要创新点68
• 4.3 有待进一步开展的工作68-69
• 致谢69-70
• 攻读硕士期间发表的论文70-76
• 附件76

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