1、 長摘要模板例文表面等離激元增強(qiáng)太陽電池光吸收研究王衛(wèi)東 李麗麗（清華大學(xué)，電子工程系，北京，100084）摘要：本文采用將蒸發(fā)金屬薄膜進(jìn)行后續(xù)熱處理的自組裝法制備了單金屬Ag、Au和復(fù)合金屬Ag-Au的納米顆粒陣列，研究了各陣列的形貌和表面等離激元特性。Ag納米顆粒陣列在單晶硅太陽電池應(yīng)用表明，電池在共振波長以上波段的反射率降低，Ag納米顆粒陣列光的捕獲特性能提高晶體硅太陽電池的短路電流密度。關(guān)鍵詞：納米顆粒；太陽電池1. 研究背景與內(nèi)容提高太陽電池的效率一直是光伏技術(shù)的主要研究目標(biāo)之一1-2，而增強(qiáng)對太陽光的吸收是提高電池轉(zhuǎn)換效率的一個重要途徑。近來，金屬納米結(jié)構(gòu)由于其獨(dú)特的表面等離激元特

2、性，生物傳感器、太陽電池、拉曼散射、集成光學(xué)等諸多領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注。本文提出利用金屬納米顆粒陣列的局域表面等離激元效應(yīng)來增強(qiáng)單晶硅太陽電池的光吸收。本文研究內(nèi)容主要有：（1）采用將蒸發(fā)金屬薄膜進(jìn)行后續(xù)熱處理的自組裝法分別制備了單金屬Ag、Au和復(fù)合金屬Ag-Au的納米顆粒陣列，并對其形貌和光學(xué)特性進(jìn)行了表征分析。（2）將Ag納米顆粒陣列集成于單晶硅太陽電池前表面上，分析其對電池反射特性和量子效率的影響。2. 研究結(jié)果與討論2.1 Ag納米顆粒陣列的制備及光學(xué)特性圖1 自組裝制備Ag納米顆粒陣列的（a）SEM圖（b）XRD衍射圖（c）透射和吸收譜圖1是通過熱蒸發(fā)沉積5 nm厚的Ag薄膜，然后

3、經(jīng)260/30 min熱處理所制備的Ag納米顆粒陣列的形貌、XRD圖及透射和吸收光譜。由圖1（a）可以看到此時的陣列由許多均勻分散的細(xì)小顆粒（1030 nm）環(huán)繞著一些100 nm左右的大顆粒組成，粒徑分布范圍較寬。由圖1（b）可以看出，樣品在33.08和44.26的位置出現(xiàn)了兩個衍射峰，分別對應(yīng)于面心立方結(jié)構(gòu)Ag的（111）和（200）晶面。圖1（c）中透射譜的波谷與吸收譜的波峰對應(yīng)相同的波長425 nm，也是該Ag納米顆粒陣列的局域表面等離激元共振波長，由于Ag納米顆粒對光的吸收和散射即消光，在300-1200 nm波段的光線平均透過率為84.6%。2.2 Au納米顆粒陣列的制備及光學(xué)特性

4、圖2 自組裝制備Au納米顆粒陣列的（a）SEM圖（b）AFM圖（c）吸收譜圖2是通過熱蒸發(fā)沉積7.5 nm厚的Au薄膜，然后經(jīng)350/60 min熱處理所制備的Au納米顆粒陣列的SEM、AFM圖及吸收光譜。由圖2（a）可以看到顆粒平均粒徑為30 nm左右，形狀較規(guī)則，大多接近球狀或橢球形。圖2（b）的三維形貌顯示顆粒平均高度為4.412.46 nm，最大高度為15.01 nm，尺寸分布不均勻。由于Au顆粒在高度方向的尺寸顯著低于與之垂直平面內(nèi)的尺寸，因而顆粒是扁球或扁橢球狀的。由圖2（c）的吸收光譜可知，該Au納米顆粒陣列的共振波長為537 nm，且由于粒徑分布的不均勻而呈現(xiàn)一定的帶寬。2.3

5、 Ag-Au復(fù)合金屬納米顆粒陣列的制備及光學(xué)特性圖3 自組裝制備Ag-Au復(fù)合金屬納米顆粒陣列的（a）SEM圖（b）吸收譜（c）EDS譜圖圖3是依次沉積5 nm的Ag薄膜和5 nm的Au薄膜然后共退火所制備的Ag-Au復(fù)合金屬納米顆粒陣列。圖3（a）SEM顯示Ag-Au納米顆粒陣列呈現(xiàn)出通常自組裝所制備的貴金屬納米顆粒陣列的典型形貌，顆粒粒徑從10 nm到80 nm均有分布。從圖3（b）的吸收光譜看到，陣列的共振峰位于448 nm處。圖3（c）的能譜圖及元素百分比都是掃描范圍超過2 m2面積內(nèi)的統(tǒng)計結(jié)果，可見此時Ag元素的百分比Ag/(Ag+Au)=52.27%接近沉積初薄膜中的元素比50%。

6、2.4 Ag納米顆粒陣列在單晶硅太陽電池中的應(yīng)用圖4 沉積Ag納米顆粒陣列前后太陽電池（a）反射率（b）量子效率的變化圖4給出沉積Ag納米顆粒陣列前后單晶硅太陽電池的反射率及量子效率的變化。由圖4（a）可以看出，在大于共振波長的500-1000 nm波段，Ag納米顆粒陣列使電池表面的反射率進(jìn)一步降低。圖4（b）顯示在較短波段由于Ag納米顆粒的吸收導(dǎo)致的光損失占主導(dǎo)，EQE反而減小；而在600 nm以上的可見和近紅外波段，EQE得到改善，電池短路電流密度由31.84 mA/cm2提高到了32.23 mA/cm2。3. 結(jié)論本文制備了單金屬Ag、Au以及復(fù)合金屬Ag-Au的納米顆粒陣列，研究了各陣

7、列的形貌和表面等離激元特性；將其應(yīng)用于單晶硅太陽電池上，電池在共振波長以上波段的反射率降低，短路電流密度得到提高，顯示了Ag納米顆粒陣列有益的光捕獲效果。參考文獻(xiàn)1 Zhao J A, Wang A H, Green M A. Performance degradation in CZ(B) cells and improved stability high efficiency PERT and PERL silicon cells on a variety of SEH MCZ(B), FZ(B) and CZ(Ga) SubstratesJ. Progress in Photovoltaics, 2000, 8(5): 549-558.2 Schmidt J, Aberle A G, Hezel R. Investigation of carrier lifetime instabilities in CZ-grown siliconA. 26th IEEE Photovoltaic Specialist ConferenceC, Anaheim, 1