简短的评论
，卷:14(13)

• 查看PDF
• 下载

等离子体纳米结构薄膜太阳能电池

*通信:

Gurjit辛格印度朗戈瓦尔工程技术学院物理系，印度桑格尔148 106电话:+ 91 - 9501327600;电子邮件: (电子邮件保护)

摘要

由于化石燃料价格上涨，太阳能电池行业日益增长，这是全球性的问题气候人们对清洁、高效和环保的要求不断提高低成本可再生能源。但是太阳能的制造成本细胞是一个重要的方面。然而，薄膜太阳能细胞通过减少厚度来降低电池的成本，但捕获足够的光在这些电池中变得至关重要。通过在薄膜太阳能电池设计中加入不同材料、配置和几何形状的等离子体纳米结构，研究人员测量了增强的光电流，这归因于金属纳米颗粒在其表面等离子体共振激发下散射到薄膜太阳能电池的光的增加捕获，总体效率提高了约8%。现在，我们正在寻找设计等离子太阳能细胞光伏产业效率更高。

关键字

光伏发电;等离子上;光电流;表面等离子体共振

简介

光伏发电被认为是一种清洁能源与化石燃料相比。太阳能电池(SC)是一种固态的电子设备，它将太阳能转换成电能能源通过光电效应将阳光转化为电能[1，2]。太阳能电池的基本原理是入射的光子或阳光必须具有正确的能量，称为带隙能源(对于Si ~ 1.11 eV, GaAs ~ 1.43 eV和CdTe ~ 1.49 eV)，以击出一个电子。如果光子的能量更少能源大于带隙能量，那么它将通过材料，如果能源比带隙还大吗能源然后被物质吸收。当光子被吸收时，它的能源将电子从价带激发到导带，留下空穴，由邻近原子的电子填充，这样，空穴就可以穿过半导体。因此，光子被吸收半导体创建移动电子-空穴对。一旦电子和空穴被分离，它们就会想要重新结合，因为它们的电荷相反，这个过程被称为重新结合。如果在此之前收集的电子可以用作外部电路的电流[3.]。

太阳细胞可以分为三个不同的世代。第一代电池，也称为常规或传统电池，由厚度为200 μm ~ 300 μm的晶体硅制成[4]。传统的太阳能细胞有两个主要的限制:效率和昂贵的制造成本。大约70%的辐射会损失掉能源进入牢房[5]。在光伏市场，实验室记录的单硅太阳能电池的最高效率约为25% [6]。第二代细胞薄膜太阳能细胞包括非晶硅，碲化镉(CdTe)和铜铟镓硒化(CIGS)细胞厚度在1 μm到2 μm之间，沉积在廉价的基底上，如玻璃、塑料或不锈钢[4]。薄膜太阳能细胞降低了光伏器件的体积材料成本，但减少了此类太阳能器件对辐射的吸收细胞很弱。因此，为了增加吸光度，在SC内捕获最大的光是非常重要的。第三代太阳能技术使用先进的薄膜细胞［7]。它们产生相对较高的效率低与其他技术相比的成本。第三代太阳能的一部分细胞金属纳米粒子在其局部表面等离子体共振(LSPR)附近的散射是一种有前途的增加薄膜太阳能光吸收的方法吗细胞它们构成了等离子体太阳细胞(已经)8]。

局部表面等离子体共振(LSPR)

局部表面等离子体共振是指传导电子在外部电磁场中在金属表面附近集体振荡的现象，可以在铝、银、铜和金等金属纳米颗粒上激发[4]。表面等离子体共振波长取决于纳米粒子阵列的材料、尺寸和几何形状，以及底层介质的折射率[9-11]。利用光线能源对于高效的SCs，光的吸收并不重要，但金属纳米颗粒对光的散射很重要。

金属纳米粒子的散射和吸收

等离子体SCs功能的基本原理包括由于金属纳米颗粒沉积而产生的光的散射和吸收。一个瘦半导体床单不太能吸收光线。由于这个原因，需要更多的光散射在表面上，以增加吸收半导体把它转换成有用的电器材料能源［12，13]。研究发现，金属纳米颗粒有助于将入射光散射到物体表面半导体基板在共振波长处。散射和吸收截面为:

(1）

（2）

其中α是粒子的极化率，V是粒子体积，ε_p粒子和ε的介电函数是_米是嵌入介质的介电函数。如果ε_p= 2ε_米，粒子的极化率就会变得很大。这发生在频率接近表面等离子体共振ω时_sp，使光在比粒子几何横截面更大的面积上相互作用[14]。在球形结构中，表面等离子体激元出现在ωsp=√3ω处_sp．

等离子体粒子提高了光的吸收半导体通过三种机制。首先，通过将颗粒放置在太阳能电池的顶部，光线将向前散射到半导体在LSPR。其次，粒子可以将光散射到结构的波导模式中，这导致路径长度增加[15-17]。第三，光可以在LSPR中被局部捕获，从而在小体积的细胞上产生高场强。为了获得最大的吸收半导体层，散射粒子的大小和形状可以变化。此外，可以通过在所需的电磁波谱中改变嵌入介质的介电常数来改变谐振频率[10]。在等离子体材料中，金的共振频率在可见范围内且高度稳定，共振峰也较宽。虽然银和铝比黄金便宜，但会被氧化，这会影响共振频率。铜比银便宜，比金吸收力强。因此，不同形状和尺寸的不同材料可以用来提高薄膜太阳能电池的效率。

等离子体太阳电池

电浆太阳能细胞(PSC)是一种薄膜太阳能细胞厚度为1 μm ~ 2 μm (图1)．电浆太阳能细胞通过使用不同材料和结构的金属纳米颗粒在其局部表面等离子体共振(LSPR)激发下散射光来提高光学吸收。等离子体太阳的两种机制细胞金属纳米粒子的电场增强和光散射增强[18-20.]。在电场增强中，光与金属纳米颗粒之间存在强烈的相互作用，从而导致粒子周围的电磁场增加。粒子有效地将光集中到小区域。

如果一个半导体是靠近或环绕金属颗粒，这样会增加光的吸收吗半导体在那个地区。在光散射增强过程中，光线进入太阳能电池并被电池底部反射，这种反射光进一步散射到太阳能电池中半导体介质通过金属纳米颗粒放置在其表面，即总路径长度或光捕获增强半导体材料(21-23]。等离子体薄膜太阳能金属纳米结构的设计细胞由于新的纳米制造工具的可用性和对其光学特性的更好理解，最近引起了新的兴趣[24-27]。等离子体纳米粒子可以以三种不同的几何形状与太阳能电池集成。(1)太阳能电池顶部的纳米颗粒(图2一个)．(2)嵌入半导体（图2 b)．(3)在底部半导体［28] （图2 c)．电浆太阳能细胞还可以使用多种物理配置(多结)来利用各种吸收和电荷分离机制(图3)．到目前为止，几乎所有类型的薄膜太阳能都在研究各种可能的光捕获增强机制细胞利用纳米粒子，如硅基太阳能电池[25]，砷化镓太阳能电池[27， CdSe太阳能细胞［29]，并表明通过调整表面等离子体共振特性，可以获得良好的宽带增透层[30.-32]。

PSCs的最新进展

等离子体纳米结构与太阳能薄膜的结合细胞近年来被广泛讨论。皮莱等人。[25]研究了c-Si太阳能薄膜的吸收细胞直径小于30纳米的银纳米颗粒可增强。他们表明，更小的银金属纳米颗粒可以在可见光和近红外区域提供最大的整体增强。从理论上研究了单个银或金纳米颗粒在不同纳米颗粒材料、形状、大小和介电环境下的光散射[33]并表明，路径长度增强在圆柱形纳米颗粒中更高，半球形纳米颗粒高于球形纳米颗粒。此外，银纳米颗粒的路径长度增强比金纳米颗粒高得多。对于吸收增强，纳米粒子与衬底的距离是一个与激发间隙模式有关的重要因素[34-36]。

为了研究高阶模态对增强的影响，采用三维建模方法[37]。他们使用银纳米颗粒进行尺寸和覆盖优化，并给出了直径为30纳米和80纳米的银纳米颗粒的两种最佳配置，结果表明，30纳米银纳米颗粒的最佳覆盖率分别为33%和80纳米银纳米颗粒的最佳覆盖率为11%。

费里等人。[38超薄膜a-Si:H太阳能的设计、制造和测量报告细胞与纳米结构等离子体反向触点相比，其显示出增强的短路电流密度LD乐动体育官网细胞有平坦或随机纹理的背部触点。LD乐动体育官网一次光电流增强发生在550 ~ 800 nm光谱范围内。他们使用角度分辨光电流光谱学确认增强的吸收是由于耦合到由细胞支持的引导模式。Spinelli等人[39]使用银纳米颗粒阵列几何图形来研究光通过散射光耦合到晶体硅衬底。经过模拟和优化，在50 nm厚的Si上，宽200 nm、高125 nm的球形银纳米颗粒在间距为450 nm的方形阵列上，可以观察到光谱分布的最佳阻抗匹配_3.N₄对应于a.m. 1.5太阳光谱的层。堀越等人[40]使用抛物面天线型的银纳米颗粒，并表明吸收层在可见波长范围内(超过650 nm)的场强由于其简化的形状而增强。马可·诺塔利安尼等人[41]的研究表明，通过嵌入金纳米颗粒，块状异质结太阳能电池的功率转换效率可以提高10%。

Sabaeian等人[42研究人员将不同截面的纳米带(三角形、矩形和梯形)作为光栅结构放置在太阳能电池的顶部。在纳米带的帮助下，对波导、表面等离子体激元(SPP)和局部表面等离子体激元(LSP)模式进行横向电极化(TE)和横向磁极化(TM)评估。TM模式比TE模式更能有效地提高太阳能电池的光学和电学性能。梯形纳米带的光吸收、生成速率和短路电流密度增强效果明显优于三角形和矩形纳米带。Zhou等。[43]使用了不同种类的太阳能电池，如非晶硅(a-Si)薄膜太阳能电池，晶体硅(c-Si)，有机太阳能电池，单纳米线太阳能电池细胞还有太阳能纳米线阵列细胞并回顾了目前的各种方法。

Park等人的实验工作[44]使用优化的等离子体银纳米颗粒和多晶硅薄膜太阳能细胞显示光电流增加~45%。无背反射器时，其绝对效率为5.32%，有背反射器时为5.95%，是金属化等离子体太阳能的最高效率细胞报告至今[45]。盘(46]，纳米球[47，48]，纳米板[49]和纳米线[50]。费里等人。[51]使用硅薄膜和砷化镓太阳能细胞使用后接口涂有波纹金属薄膜，并报告了他们的发现，亚波长散射体可以将阳光耦合成引导模式。Pala等人[52]优化了银带几何形状，并报告说，他们可以同时利用两种有效耦合波导模式半导体以及接近其SPs共振频率的高近场浓度。蒙迪等人。[53]的研究结果表明，在a.m.1.5 G太阳光照下，通过将等离子体光栅与传统减反射涂层结合在一起，优化的集成结构可以使总集成电流提高1.8倍。

穆罕默德等人。[54]研究了结构几何参数对吸收的影响，并表明与传统的不含金属纳米颗粒的薄膜太阳能电池相比，吸收提高了35%。张等人。[55)模拟低与贵金属银、金纳米颗粒相比，铝纳米颗粒的光子吸收增强了28.7%。此外，Al纳米颗粒与SiNx减反射涂层结合后，由于在可见光和近红外区域的吸收增加，可以产生42.5%的增强，比标准SiNx高4.3%。张等。[56]研究了表面等离子体共振增强硅薄膜的光学吸收细胞与3 × 3阵列铝纳米颗粒，报告40%的吸收增强。

总结

等离子体纳米结构融入太阳能薄膜细胞显示出特别的前景，既提高太阳能的效率细胞在较大的电磁波谱范围内，降低制造成本。等离子体效率的提高主要取决于金属纳米颗粒的几何构型。这种增强是由聚合态引起的，聚合态可以产生相应的等离子体共振。进一步，等离子体薄膜太阳能细胞由于其无线功能，将有助于保护环境，并提供广泛的商业应用。

参考文献

1. 王志强，刘志刚，Grätzel M，等。双氧水对赤铁矿(α-Fe2O3)电极光化学性能的影响。能源环境科学，2011;4(3):958-64。
2. 陈志强，李志强，李志强，等。单晶硅太阳能电池的光谱响应和外量子效率研究。中国能源科学，2015;26(1):1-4。
3. VermaSS。等离子体太阳电池。更新能源AkshayUrja.2013; 7:22-6。
4. Catchpole KR,Polman a .等离子体太阳能电池。清华大学学报(自然科学版)。2008;16(26):21793-800。
5. 王晓明，王晓明，王晓明，等。纳米技术在太阳能电池中的应用。IntJChemEngAppl。2011; 2(2): 77 - 80。
6. 弗劳恩霍夫太阳能研究所能源系统:光伏代表2014;18-29。
7. 绿色的马。第三代光电。海德堡:Springer-Verlag，德国;2003.
8. 电浆子在光电器件中的应用。清华大学学报(自然科学版)，2010;9:205-13。
9. 斯图尔特HR，大厅总监。纳米粒子增强光电探测器中的岛尺寸效应。应用物理学报，1998;43(2):389 - 397。
10. 赵丽丽，李志强，张志强，等。纳米金属颗粒的光学性质:尺寸、形状和介电环境的影响。中国物理学报，2003;26(3):366 - 366。
11. 徐刚，田泽明，金平，等。基于介质层的银岛薄膜表面等离子体共振波长调谐。ApplPhysLett。2003; 82:3811。
12. Bohren CF, Huffman DR.光的吸收和散射小粒子。纽约:Wiley，美国;1983.
13. 李志强，李志强，李志强，等。A - si:H太阳能薄膜效率的提高细胞金纳米颗粒。光伏专家会议;2013年6月16-21日，美国佛罗里达州坦帕;新泽西:IEEE;2014.p.1873 - 76。
14. 粒子如何能吸收比入射光更多的光呢?Am J Phys, 1983;51:323-27。
15. 绿色的马。太阳能电池:工作原理，技术和系统应用。新泽西州:Prentice-Hall，美国;1982年。
16. Yablonovitch E, Cody GD。太阳能电池用纹理光学片的强度增强。电子工程学报，2002;29(4):344 - 344。
17. 戴克曼，罗克洛，叶波诺维奇。纹理光学吸收的最大统计增加半导体电影。清华大学学报(自然科学版)，1983;8(9):491-93。
18. 等离子体应用。科学。2008;322(5903):868 - 9。
19. 渡轮VE, MundayJN，阿特沃特HA。等离子体光电的设计考虑。阿德Mater.2010; 22(43): 4794 - 808。
20. 麦尔SA。等离子体:基础与应用。纽约:施普林格，美国;2007.224便士。
21. 陈旭，贾斌，张勇，等。在纹理丝网印刷太阳能中超过等离子体光捕获的限制细胞使用Al纳米颗粒和褶皱状的石墨烯薄片。LightSciAppl。2013; 2: e92。
22. 王志强，王志强，王志强，等。太阳能电池前部或后部等离子体纳米粒子阵列增强光电流的不对称性。应用物理学报，2010;36(3):033113。
23. 杨晓明，王晓明，王晓明，等。基于纳米粒子的高折射率衬底谐振SPP模式研究。清华大学学报(自然科学版)，2011;
24. 李志强，李志强，李志强，等。非晶硅太阳能电池性能的改进细胞通过表面等离子体激元在附近金属纳米颗粒中的散射。应用物理学报。2006;89:093103。
25. 李志强，李志强，等。表面等离子体元增强硅太阳能电池。应用物理学报，2007;101(9):093105。
26. Schaadt DM，冯斌，于等。增强半导体金属纳米粒子表面等离子体激元激发的光学吸收。应用物理学报，2005;86:063106。
27. Nakayama K, Tanabe K, Atwater HA。等离子体纳米粒子增强GaAs太阳能电池的光吸收。应用物理学报。2008;93:121904。
28. 坎贝尔P，格林MA。锥体纹理表面的捕光特性。应用物理学报，1987;62(1):243-9。
29. 刘志刚，刘志刚，刘志刚，等。纳米金激发n-CdSe的表面等离子体激元?p-Si异质结二极管。应用物理学报，2007;91(19):191111。
30. 李志强，李志强，等。用于硅基薄膜太阳能电池的ZnO:Al镀膜玻璃基板。薄膜固体，1999;351:247-53。
31. Muller J, Rech B，施普林格J，等。硅薄膜太阳能电池中的TCO和光捕获。太阳能。2004;77:917-30。
32. 理查兹BS。TiO2与其它介质涂层埋地的比较LD乐动体育官网接触式太阳能电池:综述。ProgrPhotovoltaicsResAppl。2004; 12(4): 253 - 81。
33. 李志强，李志强。粒子等离子体元增强太阳能电池的设计原理。应用物理学报，2008;29(4):581 - 581。
34. 李丽萍，李丽萍，李丽萍。薄膜硅太阳电池的表面等离子体增强光学吸收。等离子。2009;4(2):107 - 13所示。
35. Sreekanth KV, Sidharthan R, Murukeshan VM。间隙模式在等离子体薄膜太阳能电池中增强宽带光吸收。应用物理学报，2011;36(3):379 - 379。
36. 徐锐，王旭，宋林，等。表面等离子体激元和增透膜对晶体硅太阳能电池光捕获的影响。清华大学学报(自然科学版)。2012;20(5):5061-8。
37. 杨晓明，王志强，王志强，等。薄膜太阳能薄膜吸收特性的研究细胞通过激发高阶纳米粒子等离子体模。光子学报。2009;17(12):10195-205。
38. 李国强，李国强等。超薄等离子体太阳电池的捕光特性。清华大学学报(自然科学版)。2010;18(S2):A237-45。
39. 李志强，李志强，等。等离子体纳米粒子阵列的光学阻抗匹配。纳米工程学报，2011;11(4):1760-5。
40. 李志刚，张志刚，张志刚，等。金纳米粒子薄膜的生长及其对等离子体峰波长的影响。应用物理学报，2014;15(19):193506。
41. 王志强，王志强，周建平，等。纳米金在有机太阳能电池中的等离子体效应。太阳能。2014;106:23-37。
42. 萨巴恩，海达里，阿贾嘉德。超薄太阳能电池的等离子体激发辅助光电增强:纳米带截面的影响。AIP学报，2015;5(8):087126。
43. 周凯，郭志，刘松，等。表面等离子体元在薄膜和线阵太阳能电池中的应用。材料。2015;8(7):4565 - 81。
44. 王晓明，王晓明，王晓明。多晶硅薄膜太阳能薄膜细胞用等离子体增强的光阱。科学通报2012;(65):4092。
45. 李文杰，李文杰，李志强，等。最高效率等离子体多晶硅薄膜太阳能细胞等离子体纳米粒子制备工艺的优化。等离子。2013;8(2):1209 - 19所示。
46. 吴波，刘旭，Oo TZ，等。谐振铝纳米盘阵列在超薄体异质结有机光伏器件中的增强型可调谐宽带捕光。等离子。2012;7(4)677 - 84。
47. 尹伟，郑永凯，刘军，等。等离子体增强的有机异质结光伏器件的光学吸收和光电流。太阳能能源中国生物医学工程学报。2010;29(2):344 - 344。
48. 刘志强，李志强，等。银纳米颗粒的等离子体消光共振。等离子。2015;10(6):1505 - 12。
49. 王德华，金桂桂，林宏华，等。形状控制银纳米材料在块状异质结光伏器件中的增强光收集:银纳米颗粒与银纳米板。Royal SocChem Adv.2012;2(18):7268-72。
50. 金春霞，金秀生，等。银纳米线嵌入P3HT:PCBM用于高效混合光伏器件的应用。环境科学学报。2011;26(4):366 - 366。
51. 费瑞VE, Sweatlock LA, Pacifici D，等。高效光耦合到太阳能电池的等离子体纳米结构设计。纳米工程学报，2008;8(12):4391-7。
52. 李志强，李志强，等。等离子体薄?薄膜太阳能细胞宽带吸收增强。高等学校学报。2009;21(34):3504-9。
53. Munday JN, Atwater HA。等离子体太阳的大集成吸收增强细胞通过结合金属光栅和减反射涂层。纳米工程学报，2010;11(6):2195-201。
54. Muhammad MH, Hameed MFO, Obayya特别警卫员。周期结构等离子体太阳电池的宽频吸收增强。光子学报。2015;47(6):1487-94。
55. 张勇，欧阳泽，等。低成本、高性能铝纳米颗粒在硅晶片太阳能电池中的应用。应用物理学报，2012;100(15):151101。
56. 张东，杨旭，洪旭，等。铝纳米颗粒通过表面等离子体共振增强硅太阳能电池的光吸收。光子学报。2015;47(6):1421-27。