金屬等離激元調(diào)節(jié)半導(dǎo)體薄膜太陽電池的光電性能研究.pdf

1、半導(dǎo)體薄膜太陽電池由于加工及成本低廉受到人們的廣泛關(guān)注并取得了較快的發(fā)展。但是目前半導(dǎo)體薄膜太陽電池效率還不夠高。一種新穎而有效的方法是利用金屬納米粒子所產(chǎn)生的表面等離激元的散射或近場增強(qiáng)效應(yīng)來增加太陽電池的光吸收，從而改善半導(dǎo)體薄膜太陽電池效率。本文就是基于這一理論，將金屬等離激元用于提高半導(dǎo)體薄膜太陽電池光吸收，通過設(shè)計不同的薄膜陽極結(jié)構(gòu)，并對其進(jìn)行相關(guān)光電性能測試與表征，進(jìn)而對薄膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以獲得性能最優(yōu)的金屬等離激元調(diào)節(jié)半導(dǎo)

2、體薄膜太陽電池光陽極結(jié)構(gòu)。主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下:
　　1.利用電化學(xué)方法在ITO導(dǎo)電玻璃表面沉積金納米粒子，然后再沉積CdSe量子點(diǎn)，制得ITO/Au/CdSe復(fù)合多孔薄膜。一定尺寸、一定密度的金納米粒子可作為光散射元素，將太陽光聚集并限制到CdSe吸收層內(nèi)，增加了光吸收;并且當(dāng)金納米粒子之間距離合適時，可以激發(fā)局域表面等離激元共振效應(yīng)，增加了鄰近CdSe對光的吸收，進(jìn)而產(chǎn)生更多的光生電子和空穴，提高光電流。另外，金納米粒子利于

3、電子傳輸，也進(jìn)一步提高光電流。光電性能測試結(jié)果表明，當(dāng)沉積時間為300s時，單層ITO/Au300/CdSe復(fù)合多孔陽極的光電流和光電壓最大。在此基礎(chǔ)上通過重復(fù)不同次數(shù)的制備過程構(gòu)筑了多層的ITO/(Au/CdSe)n(n=1～5)復(fù)合薄膜，并對其進(jìn)行表征及性能測試。結(jié)果表明當(dāng)復(fù)合薄膜的層數(shù)為4時，所得復(fù)合薄膜的光電性能最優(yōu)。這是因?yàn)橐欢ê穸鹊奈諏幽軌蛭崭嗟奶柟鈴亩岣咂涔怆娦阅?。但是如果吸收層太厚時，薄膜的多孔性降低。這阻礙了

4、電解液的滲入，使電子的傳輸受阻。
　　2.采用電化學(xué)方法結(jié)合連續(xù)離子層吸附與反應(yīng)法(SILAR)制備了CdS量子點(diǎn)敏化Au/TiO2復(fù)合多孔薄膜。探究了金納米粒子在復(fù)合薄膜中位置對電池光電性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)FTO/Au/TiO2/CdS具有最佳的光電性能。這是因?yàn)榈讓拥慕鸺{米粒子由于光散射作用增加了光在薄膜中的有效傳播路徑，而且金納米粒子與鄰近TiO2之間的近場耦合效應(yīng)有效增加了TiO2周圍的有效吸收截面。再加

5、上底層的金納米粒子有利于CdS敏化TiO2復(fù)合薄膜中電子的傳輸，進(jìn)一步提高薄膜電池的光電性能。在此基礎(chǔ)上通過調(diào)整CdS的厚度測試樣品性能，獲得具有最優(yōu)光電性能的CdS的最適宜厚度為循環(huán)沉積7次CdS。這主要是因?yàn)镃dS厚度適當(dāng)增加時，光吸收增加，產(chǎn)生的電子空穴增多，光電流增加。但是，當(dāng)CdS厚度太大時，不利于電解液的注入而導(dǎo)致光電流和光電壓降低。
　　3.采用水熱法制備了一維TiO2納米棒陣列，探究了鹽酸的濃度對TiO2納米棒形貌

6、的影響，得出當(dāng)鹽酸濃度為7.0mol/L時，得到的TiO2納米棒排列規(guī)整、疏密度適中。在此基礎(chǔ)上通過電化學(xué)方法沉積金納米粒子，然后再沉積CdSe量子點(diǎn)制備成FTO/TiO2(NR)/Au/CdSe復(fù)合薄膜。以不含金納米粒子的FTO/TiO2(NR)/CdSe復(fù)合薄膜作為對比，測試不同薄膜的光電性能。結(jié)果顯示，在CdSe量子點(diǎn)敏化TiO2復(fù)合薄膜中加入金納米粒子，不僅增強(qiáng)了CdSe量子點(diǎn)敏化TiO2復(fù)合薄膜的光吸收，而且大大提高了其光電性