太陽(yáng)能電池中表面等離子體增強(qiáng)光捕獲技術(shù)

光捕獲技術(shù)是提高太陽(yáng)能電池光吸收率的有效方法之一，它可以減少材料厚度，從而降低成本。近年來(lái)，表面等離子體（SP）在這一領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。利用表面等離子體的光散射和耦合效應(yīng)，可以大大提高太陽(yáng)能電池的效率。

應(yīng)用于太陽(yáng)能電池的光捕獲解決方案的基本原理是減少?gòu)碾姵厣戏瓷涞奶?yáng)光，延長(zhǎng)太陽(yáng)光通過(guò)電池的路徑，從而最大限度地吸收太陽(yáng)光。

表面等離子體陷光原理

延長(zhǎng)光路的常見(jiàn)方法是在電池中集成背反射器，或使用光捕獲結(jié)構(gòu)多次散射光線(xiàn)，使其進(jìn)入活性吸收層。在電池表面添加防反射涂層或在電池表面進(jìn)行紋理處理，可以減少陽(yáng)光的反射。通過(guò)散射將光部分轉(zhuǎn)化為引導(dǎo)光波，從而增加光子路徑長(zhǎng)度，進(jìn)而提高光吸收率。

利用等離激元陷光的常見(jiàn)微納結(jié)構(gòu)有顆粒以及光柵等。納米結(jié)構(gòu)的形狀、位置和顆粒特性也會(huì)對(duì)吸收增強(qiáng)效果產(chǎn)生影響。其中，金屬顆粒因其制備簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用。

等離激元陷光原理

用于顆粒陷光結(jié)構(gòu)的常見(jiàn)材質(zhì)

實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在電池表面構(gòu)建金屬納米顆?；螂娊橘|(zhì)材料的納米結(jié)構(gòu)，可以增強(qiáng)電池對(duì)光子的吸收，從而提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率。

用于產(chǎn)生等離子體效應(yīng)的典型金屬納米粒子材料是貴金屬金和銀。但相比之下，鋁也因預(yù)算低、易于獲得、兼容性強(qiáng)以及在可調(diào)等離子峰位置的有效散射而備受關(guān)注。在之前的一項(xiàng)研究中，研究人員比較了銀、鋁和金納米粒子陣列的光電二極管性能。研究發(fā)現(xiàn)，在短波長(zhǎng)范圍內(nèi)，Al 納米粒子的發(fā)光效率優(yōu)于 Au 和 Ag 納米粒子，這也是 Al 被應(yīng)用于 GaAs 太陽(yáng)能電池光捕獲的原因之一。

砷化鎵太陽(yáng)能電池中還使用了銅及其氧化物。雖然銅在空氣中極易自然氧化，但仍可用于提高太陽(yáng)能電池的光電效率。

不同材質(zhì)顆粒對(duì)光的反射函數(shù)關(guān)系

除了單一種類(lèi)的納米粒子外，還有兩種金屬納米粒子以非合金的方式集成到太陽(yáng)能電池中。Lee 提出了一種由金和銀兩種金屬納米粒子混合物組成的光捕獲結(jié)構(gòu)，并系統(tǒng)地研究了兩種納米粒子的尺寸和比例對(duì)光捕獲效果的影響。

混合顆粒的SEM圖像

目前應(yīng)用于砷化鎵太陽(yáng)能電池的大多數(shù)光捕獲機(jī)制都是金屬納米結(jié)構(gòu)，但也考慮了其他介電材料，如二氧化硅。通過(guò)調(diào)整顆粒尺寸與分布，也取得了很好的陷光效果，提升了太陽(yáng)能電池的光轉(zhuǎn)化效率。

用于太陽(yáng)能電池陷光的二氧化硅顆粒

金屬納米結(jié)構(gòu)的制備方法

制備技術(shù)的可實(shí)現(xiàn)性對(duì)于等離子光捕獲結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。

制備方法不僅需要考慮納米結(jié)構(gòu)的幾何形狀，還需要將材料的光學(xué)特性作為參考因素，并且該方法需要具有可重復(fù)性和高度可靠性，制備成本也是一個(gè)需要考慮的因素。

為了制備能更好地捕獲光線(xiàn)的納米結(jié)構(gòu)，人們付出了很多努力。金屬納米粒子通常有兩種制備方法，即 "自上而下 "法和 "自下而上 "法。

自上而下法主要用于通過(guò)直接刻蝕獲得所需的金屬納米結(jié)構(gòu)。常見(jiàn)的工藝包括聚焦離子束（FIB）、電子束光刻（EBL）和納米壓印光刻，這些工藝可以精確控制金屬納米顆粒的尺寸和形狀。然而，對(duì)于用于光捕捉的貴金屬來(lái)說(shuō)，加工廢料嚴(yán)重且成本高昂。

自下而上的方法包括：納米多孔陽(yáng)極氧化鋁（AAO）模板輔助沉積法、膠體旋涂法、金屬膜快速熱退火法等。

（1）AAO模板輔助沉積法

表面等離子體共振的波長(zhǎng)受金屬納米粒子的形狀和間距影響，而利用 AAO 模板可以有效地調(diào)整納米粒子的尺寸參數(shù)。通過(guò)改變陽(yáng)極氧化和刻蝕條件來(lái)調(diào)節(jié) AAO 模板的孔徑，從而調(diào)節(jié)制備的納米粒子的尺寸。

利用AAO模板制備的銀納米顆粒SEM圖像，整體大小均勻

納米多孔 AAO 模板對(duì)于制備具有各向異性形狀均勻性的粒子非常有效，但面對(duì)復(fù)雜的粒子形狀（如圓柱形、圓錐形）時(shí)，很難制備，而且用 AAO 模板結(jié)合熱退火制備 NPs 的工藝成本較高，不利于復(fù)制。

（2）膠體旋涂法

將顆粒分散在有機(jī)溶劑中，利用溶劑的良好分散性將顆粒均勻旋涂在電池表面。而眾多分散溶劑中，PEDOT:PSS因其薄膜具有良好的光學(xué)性能和廣泛的兼容性引起了研究人員的關(guān)注，并被用于硅和有機(jī)太陽(yáng)能電池的膠體旋涂分散溶劑。

（3）金屬膜快速熱退火法

金屬膜快速熱退火法因其簡(jiǎn)單、高效、易于控制等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于納米粒子的制備。金屬納米粒子的制備分為兩部分：制備高純度和均勻的金屬薄膜，然后對(duì)薄膜進(jìn)行快速熱退火，使薄膜中的孤島聚集成形狀規(guī)則的納米粒子。

研究人員利用退火電子束蒸發(fā)銀膜，在氮?dú)猸h(huán)境下制備了銀納米粒子 。不同尺寸納米粒子的對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，利用尺寸為 6 nm 的銀膜的砷化鎵太陽(yáng)能電池最大短路電流密度增強(qiáng)率為 14.2%。

不同薄膜制備的銀納米粒子的掃描電鏡圖像（退火前后對(duì)比）

與其他捕集結(jié)構(gòu)相結(jié)合

為了最大限度地提高捕集效率，捕集結(jié)構(gòu)通常不會(huì)單獨(dú)使用，而是與兩種金屬納米結(jié)構(gòu)或其他捕集方法（如背反射器或抗反射膜）結(jié)合使用。

組合多種金屬納米結(jié)構(gòu)

背面的光捕獲結(jié)構(gòu)通常與正面的結(jié)構(gòu)結(jié)合使用，以達(dá)到最佳的光吸收效果。研究人員將優(yōu)化的鋁納米粒子陣列引入到薄膜太陽(yáng)能電池的前后表面（后表面指砷化鎵活性層內(nèi)的后表面），發(fā)現(xiàn)陣列產(chǎn)生的表面等離子體效應(yīng)和光柵效應(yīng)顯著提高了光吸收率 。

模擬發(fā)現(xiàn)，隨著納米粒子半徑的增加，電池效率也在增加。原因是半徑大的納米粒子往往具有更大的散射面，這意味著更多的光被散射回活性層，納米粒子和電池之間的接觸面積越大，由此產(chǎn)生的近場(chǎng)效應(yīng)也有助于提高光吸收率。

與背面反射器相結(jié)合的納米結(jié)構(gòu)

為了解決薄膜太陽(yáng)能電池吸收層過(guò)薄、導(dǎo)致太陽(yáng)光直接透過(guò)而無(wú)法被充分吸收的問(wèn)題，在太陽(yáng)能電池背面增加反射器，可以將到達(dá)電池底部但未被吸收的太陽(yáng)光反射回電池內(nèi)部進(jìn)行二次甚至多次吸收，從而提高電池的光吸收率。

在 2014 年，科學(xué)家就提出了一種由周期性圓柱形銀納米顆粒和具有高反射率的分布式布拉格反射器（DBR）組成的高效捕光結(jié)構(gòu)。布拉格反射器結(jié)構(gòu)的原理是通過(guò)反射光在不同界面上的 "相長(zhǎng)干涉 "來(lái)加強(qiáng)不同波長(zhǎng)光的反射 。

電池結(jié)構(gòu)示意圖

用于陷光結(jié)構(gòu)中的二維材料

除了常見(jiàn)的納米結(jié)構(gòu)，新興的二維材料石墨烯也為太陽(yáng)能電池效率的提高帶來(lái)了新的曙光。石墨烯是一種非常理想的二維材料，具有獨(dú)特的性質(zhì)：反常量子霍爾效應(yīng)和高本征載流子遷移率、恒定的光學(xué)透過(guò)率等，使其在光電器件中具有廣闊的應(yīng)用前景。

有報(bào)道稱(chēng)，石墨烯與半導(dǎo)體結(jié)合形成的混合異質(zhì)結(jié)可大幅提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率。由于石墨烯的零帶隙能帶結(jié)構(gòu)，當(dāng)石墨烯的化學(xué)勢(shì)大于一般光子能量時(shí)，導(dǎo)帶的帶內(nèi)躍遷就會(huì)發(fā)揮重要作用。這使得石墨烯能夠支持表面等離子激元的傳播。

石墨烯表面等離子激元的傳播集中在太赫茲和紅外波段。這一特性與金屬在可見(jiàn)光波段對(duì)表面等離子體的支持相輔相成，擴(kuò)展了光譜范圍 。

結(jié)合石墨烯陷光結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池示意圖

總結(jié)

在考慮等離子體納米捕獲策略是否適用于砷化鎵薄膜太陽(yáng)能電池時(shí)，首先要考慮的是捕獲效率，其次是能否利用現(xiàn)有工藝手段實(shí)現(xiàn)捕獲結(jié)構(gòu)。排列間距和陣列形狀可以通過(guò)仿真軟件輕松確定，但仿真中優(yōu)化的最佳陣列尺寸能否在實(shí)際器件生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)，同時(shí)兼顧成本和性能，還有待觀察。

除了納米結(jié)構(gòu)的尺寸和排列外，納米結(jié)構(gòu)集成的位置也是制造過(guò)程中的一個(gè)問(wèn)題。砷化鎵薄膜太陽(yáng)能電池的有源層非常薄，只有幾微米或幾百納米，如何在指定位置將金屬納米結(jié)構(gòu)集成到有源層是現(xiàn)有工藝面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。

即使有可能通過(guò)工藝手段將金屬納米結(jié)構(gòu)集成到所需位置，大規(guī)模生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定的金屬結(jié)構(gòu)的能力也是一個(gè)挑戰(zhàn)。同樣，在防反射涂層中嵌入納米粒子的組合也需要考慮到納米粒子的電特性。

在等離激元陷光結(jié)構(gòu)探究之路上，吾輩依舊任重而道遠(yuǎn)。

審核編輯：湯梓紅