發(fā)布時(shí)間：2017-08-09 23:18

  本文關(guān)鍵詞：廉價(jià)金屬顆粒表面等離激元的研究

  更多相關(guān)文章： 金屬納米顆粒 表面等離激元 陷光 納米硅太陽(yáng)電池

【摘要】：表面等離激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)是光波與金屬表面的自由電子之間相互作用而引起的一種電磁模。由于SPPs能夠在亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)中對(duì)光進(jìn)行約束和操控,因此被廣泛的應(yīng)用于光子器件、生物傳感器及新材料設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。近幾年,在光伏領(lǐng)域,SPPs為提高太陽(yáng)電池的光吸收開(kāi)辟了新途徑,與傳統(tǒng)的陷光技術(shù)相比展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)。但由于研究時(shí)間不長(zhǎng),目前人們主要利用昂貴的Au,Ag顆粒激發(fā)SPPs,所以應(yīng)用價(jià)值大大受到限制。深入考察較為廉價(jià)的金屬納米顆粒的SPPs已迫在眉睫。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,本論文嘗試用Al、Cu顆粒來(lái)代替Au、Ag等貴金屬顆粒激發(fā)SPPs,并研究其在光伏電池中的陷光應(yīng)用。主要包括以下幾方面工作:(1)采用時(shí)域有限差分法(FDTD)對(duì)金屬顆粒陣列的SPPs進(jìn)行數(shù)值模擬。系統(tǒng)研究了Al、Cu納米顆粒尺寸、覆蓋率、介質(zhì)環(huán)境對(duì)其表面等離激元的影響規(guī)律,并與Au、Ag顆粒進(jìn)行比較。結(jié)果表明,金屬顆粒尺寸、覆蓋率及介質(zhì)環(huán)境均可有效的調(diào)節(jié)SPPs共振波長(zhǎng)。在相同條件下,Al的共振波長(zhǎng)最短,可有效的避免由于Fano效應(yīng)而引起的Si薄膜的光吸收損失。此外Al的散射效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他三種金屬,因此在太陽(yáng)電池的前電極陷光結(jié)構(gòu)中,Al顆粒展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。為了與實(shí)際情況更加相符,還模擬了金屬顆粒橢球化后以及金屬@金屬氧化物芯殼結(jié)構(gòu)的SPPs規(guī)律。(2)構(gòu)建Metal particles/AZO/Si結(jié)構(gòu),采用FDTD法系統(tǒng)模擬了Al、Cu金屬顆粒陣列的微結(jié)構(gòu)因素對(duì)提高硅材料光吸收的影響。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合AMPS-1D程序模擬了Al、Cu金屬顆粒在p-i-n納米硅太陽(yáng)電池中的陷光效果,并與Au、Ag進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明Al顆粒的陷光效果最好,最高可使納米硅薄膜電池的短路電流提高29%。(3)利用反浸潤(rùn)法成功獲得Al、Cu納米顆粒。研究了金屬膜厚度及退火條件對(duì)金屬顆粒尺寸及密度的影響,并與Au、Ag進(jìn)行了對(duì)比。對(duì)四種金屬顆粒進(jìn)行了消光譜測(cè)試,實(shí)驗(yàn)趨勢(shì)與理論模擬趨勢(shì)基本一致。(4)在ITO(透明導(dǎo)電薄膜)玻璃襯底上制備不同尺寸的Cu顆粒,并對(duì)其表面形貌、透過(guò)率及霧度進(jìn)行表征。結(jié)果表明,沉積時(shí)間為10s的Cu薄膜經(jīng)過(guò)退火后形成的顆粒兼具相對(duì)較好的霧度和透過(guò)率。在石英襯底上制備了一系列AZO薄膜樣品,并對(duì)其光電性能進(jìn)行表征。在優(yōu)化AZO薄膜制備工藝的基礎(chǔ)上,制備了Al Nano-particles/AZO/Si減反射結(jié)構(gòu),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種結(jié)構(gòu)與空硅片相比,反射率大大降低,有望做太陽(yáng)電池前電極的減反射層。
【關(guān)鍵詞】：金屬納米顆粒 表面等離激元 陷光 納米硅太陽(yáng)電池
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TG14
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 緒論11-19
• 1.1 金屬顆粒表面等離激元的基本性質(zhì)11-13
• 1.2 表面等離激元的研究背景13-15
• 1.3 表面等離激元在光伏領(lǐng)域中的應(yīng)用15-18
• 1.3.1 光伏電池的研究進(jìn)展及發(fā)展瓶頸15-16
• 1.3.2 表面等離激元增強(qiáng)太陽(yáng)能電池光吸收的原理16-17
• 1.3.3 表面等離激元增強(qiáng)太陽(yáng)電池光吸收的研究現(xiàn)狀與存在問(wèn)題17-18
• 1.4 本論文的主要研究?jī)?nèi)容18
• 1.5 本章小結(jié)18-19
• 第2章 金屬納米顆粒的數(shù)值模擬、制備及表征方法19-30
• 2.1 數(shù)值模擬方法19-24
• 2.1.1 時(shí)域有限差分法 (FDTD)19-23
• 2.1.2 FDTD solutions軟件介紹23-24
• 2.2 金屬納米顆粒的制備方法24-26
• 2.2.1 反浸潤(rùn)法24-25
• 2.2.2 光刻法25
• 2.2.3 化學(xué)合成法25-26
• 2.2.4 反膠束法和等離子體處理相結(jié)合26
• 2.2.5 化學(xué)自組裝和濺射相結(jié)合26
• 2.3 金屬納米顆粒的表征方法26-29
• 2.3.1 掃描電子顯微鏡（SEM）26-27
• 2.3.2 X射線衍射譜（XRD）27-28
• 2.3.3 原子力顯微鏡（AFM）28
• 2.3.4 紫外-可見(jiàn)-近紅外分光光度計(jì)28-29
• 2.4 小結(jié)29-30
• 第3章 金屬納米顆粒陣列表面等離激元的數(shù)值模擬30-40
• 3.1 模擬結(jié)構(gòu)及邊界條件設(shè)置30
• 3.2 幾種金屬顆粒陣列的表面等離激元特性的比較30-31
• 3.3 Al納米顆粒陣列的表面等離激元規(guī)律31-34
• 3.3.1 Al金屬顆粒尺寸、形狀、覆蓋率及介質(zhì)環(huán)境對(duì)Qabs、Qsca、Qextin的影響規(guī)律31-34
• 3.3.2 Al@Al_2O_3芯殼結(jié)構(gòu)的SPPs規(guī)律34
• 3.4 Cu納米顆粒陣列的表面等離激元規(guī)律34-37
• 3.4.1 Cu金屬顆粒尺寸、覆蓋率、形狀及介質(zhì)環(huán)境對(duì)Qabs、Qsca、Qextin的影響規(guī)律34-36
• 3.4.2 Cu@Cu O芯殼結(jié)構(gòu)的SPPs規(guī)律36-37
• 3.5 Ag納米顆粒陣列的表面等離激元規(guī)律37-39
• 3.6 小結(jié)39-40
• 第4章 金屬納米顆粒陣列在硅薄膜太陽(yáng)電池中陷光作用的理論研究40-50
• 4.1 金屬納米顆粒陣列對(duì)硅薄膜材料的減反射作用40-46
• 4.1.1 Al金屬顆粒對(duì)硅薄膜材料的減反射作用規(guī)律41-43
• 4.1.2 Cu金屬顆粒對(duì)硅薄膜材料的減反射作用規(guī)律43-45
• 4.1.3 幾種金屬的減反射效果對(duì)比45-46
• 4.2 金屬納米顆粒陣列對(duì)納米硅薄膜電池的減反射作用46-49
• 4.2.1 納米硅薄膜量子尺寸限制效應(yīng)對(duì)帶隙寬度的影響規(guī)律46-47
• 4.2.2 金屬納米顆粒陣列對(duì)納米硅薄膜電池的減反射作用47-49
• 4.3 小結(jié)49-50
• 第5章 金屬納米顆粒的制備與表征50-63
• 5.1 Cu金屬納米顆粒的制備與表征50-56
• 5.1.1 Cu薄膜的制備50-52
• 5.1.2 Cu金屬顆粒的制備52-53
• 5.1.3 Cu金屬顆粒的表征53-56
• 5.2 Al金屬納米顆粒的制備與表征56-59
• 5.3 Ag與Au金屬納米顆粒的制備與表征59-62
• 5.4 小結(jié)62-63
• 第6章 金屬顆粒/TCO的制備與表征63-71
• 6.1 Cu NP/ITO的制備及表征63-65
• 6.1.1 Cu NP/ITO的制備63
• 6.1.2 Cu NP/ITO的表征63-65
• 6.2 AZO薄膜及Al NP/AZO/Si減反射結(jié)構(gòu)的制備與表征65-70
• 6.2.1 AZO薄膜的制備及表征65-69
• 6.2.2 Al NP/AZO/Si減反射結(jié)構(gòu)初探69-70
• 6.3 小結(jié)70-71
• 第7章 總結(jié)71-72
• 致謝72-73
• 參考文獻(xiàn)73-83
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文83

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：647803