南昌大学材料学院毕业设计开题报告.doc

本科生毕业论文开题报告题 目： 太阳电池表面光谱响应增强研究 学 院： 材料科学与工程 专 业： 材料物理 班 级： 材料物理102班 学 号： 5703110048 姓 名： 涂志明 指导教师： 孙喜莲 填表日期： 2014 年 2 月 25 日一、 选题的依据及意义从太阳电池的应用角度来说，太阳电池的光谱响应特性与光源的辐射光谱特性相匹配是非常重要的，这样可以更充分地利用光能和提高太阳电池的光电转化效率。最佳状态当然是全太阳光谱响应都是100%，但这是不可能实现的。那么就要让太阳光能量集中的光谱波段（STC标准是400-1100nm）得到尽量大的光谱响应百分比。研究证明，利用各种金属纳米微粒在薄膜太阳电池表面产生的等离子光散射与俘获效应，可以有效地增加太阳电池对入射光子能量的吸收，由此达到提升太阳电池效率的目的。对太阳电池表面光谱响应增强研究能够有效提高太阳电池光吸收效率。这对太阳能能源应用，普及，科研具有重要的意义。二、 国内外研究现状及发展趋势（含文献综述）晶硅太阳电池研究中为了提高太阳电池对太阳光各波段的吸收,太阳能工作者一直致力于提高太阳电池的光谱响应。其中提高短波响应的方法主要有扩散浅结、在电池片光照面制减反射膜。扩散浅结可以减少“死层”的影响,增加光生载流子的收集率,提高短波响应。提高长波响应的方法主要制作背场电池,高低结减少了表面复合损失,在铝深扩散尾部的吸杂作用有助于增加体少子寿命,高温处理形成的金属间相有利于光的囚禁,从而增强了光谱近红外区的响应比。国外对太阳电池的光谱响应非常重视,国内主要在光谱响应测试方法的改进上进行了一些研究!,而在提高太阳电池的光谱响应上还有大量工作要做【1】。 而对于有机太阳电池，目前人们主要通过合成窄带隙的有机共轭分子来提高太阳光的吸收效率【2】同无机半导体的宽光谱吸收不同, 有机共轭半导体材料的光谱吸收通常为谱带式吸收, 因而具有吸收波峰及波谷位置.因此, 传统的单一共混异质结结构的太阳电池器件的外量子效率(EQE)会在材料吸收的波谷处较低, 不能充分利用这个波段的光子能量. 例如,Yu 【3】报道了(4,8-二烷氧基苯并二噻吩)-(4-氟代噻并3,4-b噻吩)共聚合物(PTB4), 其薄膜光谱吸收带在600-750 nm, 而在400-550 nm处的吸光较弱, 利用其与PC61BM 制得的光伏器件在 400-550 nm 处的外量子效率仅为40%左右在一定程度上限制了器件的整体效率. 利用在可见光区有更强吸收能力的 C70富 勒 烯 衍 生 物 PC71BM 替 代 吸 收 较 弱 的PC61BM 可以在一定程度上弥补对光谱响应能力的不足, 提高器件整体的光电转换效率【4】【5】。 之后又有研究证明利用光谱具有互补性的两种有机半导体材料来制备叠层电池是解决单结有机太阳电池光谱响应局限的一种有效手段【6】【7】。Janssen【8】利用苯并噻二唑-咔唑交替共聚物(PCPDTBT)与吡咯并吡咯二酮聚合物(PDPP5T)制备了效率达7.5%的双结电池. Yang【9】则利用苯并二噻吩-吡咯并吡咯二酮共聚物(PBDTT-DPP)与聚(3-己基噻吩)(P3HT)制备了效率为8.6%的高效叠层电池。另一种增强光谱响应的方法则是利用三组份材料共混制备光学活性层弥补单一材料光谱吸收不足, 扩展器件对光谱的响应能力(图1(c)【10】。例如You等【11】利用苯并二噻吩-苯并噻二唑交替共聚物共混实现了7%的光电转换效率, 其器件的短路电流(JSC)相对于单节电池提高了40%. Thompson【12】等利用不同给体材料的组合, 可以有效地调节器件的开路光电压及光电转换效率. Brabe【13】和Chen【14】等则详细地研究了PCPDTBT及P3HT组合形成三组分共混异质结的器件性能。结果表明, 由于PCPDTBT及P3HT在光谱上具有一定的互补性, 调节PCPDTBT及P3HT之间的浓度比例, 可以有效调节器件对太阳光谱的响应能力, 进而在一定程度上提高器件的光电转换效率。.图（1）有机太阳电池的器件结构示意图最近，有人报导了一种新型的采用小颗粒(直径小于100 nm)金属纳米粒子增强光吸收的方法，它来源于光照引起金属纳米粒子局域表面等离子体共振(LSPR)该方法已经在有机太阳电池和染料敏化太阳池的研究中得到了应用，并相应的增加了太阳电池的光谱响应。然而，在硅薄膜太阳电池的研究中，虽然发现了纳米粒子具有很强的LSPR增强光吸收以及表面增强拉曼散射，但并未发现量子效率的相应增加。有人在晶体硅和非品硅太阳电池表面制备了大颗粒金属纳米粒子，并通过纳米粒子LSPR增强光散射使太阳电池光吸收和光谱响应得到增加。研究发现，当纳米粒子和纳米结构直接与太阳电池n层接触时，纳米粒子和纳米结构还存在着表面等离子体共振光吸收损耗，该损耗可以通过覆盖一层比硅薄膜折射率低的介质层在纳米粒子上使共振光吸收损耗蓝移而得到有效抑制。这为我们提高硅薄膜太阳电池的光电流和减少光吸收损耗提供了一种新的思路和方法，具有重要的应用价值。纳米微粒在半导体表面的光散射效应，最初是由H.R.Stuart等人【15】于1996年发现的。他们利用紧密排列的纳米微粒阵列作为共振散射元，将入射光耦合到SOI光探测器上!使光电流增加了近20倍。其后，人们又陆续在单晶硅、非晶硅、量子阱以及GaAs太阳电池中观测到了这种表面等离子增强的光散射现象。澳大利亚新南威尔士大学的研究小组在Si基薄膜表面等离子增强太阳电池方面进行了富有成效的研究。2007年他们采用Ag纳米微粒的局域表面等离子效应，有效增强了薄膜Si太阳电池的光吸收特性。实验发现，表面等离子几乎可以在整个太阳光谱范围内增加太阳电池的光谱响应。在接近于Si禁带宽度的波长，对薄膜Si和晶片Si两种太阳电池都观测到了有效的光吸收增强现象。【16】如果将具有一定尺寸的纳米粒子沉积在多量子阱结构表面，并通过纳米微粒诱导产生的光散射效应可以有效改善量子阱结构太阳电池的光伏性能。D.Derkacs等人【17】分别利用电子束蒸发工艺和溅射沉积方法，在晶格匹配的InP/InGaAsP多量子阱(MQW)太阳电池结构表面形成了金属纳米膜层和介电纳米膜层，由于这些纳米微粒对入射光的强散射作用，对多量子阱有源区的光吸收产生了重要影响。一方面，它可以改善入射光子向器件有源区的传输，另一方面还可以将垂直入射光耦合到多量子阱层的横向光学封闭通路中，因此导致了光子吸收(光电流密度和转换效率的提高。2007年，美国麻省理工学院的J.K.Mapel等人【18，19】研究了表面等离子极化激元对C60/CuPC双异质结太阳电池光伏性能的影响.结果指出,波长550nm的光吸收系数为104cm-1外量子效率可 达12%，光 电 流 增 加 了200%。2008年T.H.Reilly等人【20】利用随机的Ag纳米孔薄膜所导致的表面等离子增强光电转换效应，有效改善了P3HT:PCBM太阳电池的光伏特性。三、 本课题研究内容1、表面等离子激元的基本概念与性质。2、热蒸发制备薄膜原理及薄膜生长理论。3、太阳电池表面金属纳米结构薄膜的制备。4、等离子体共振吸收光谱与形貌分析方法。5、金属岛状薄膜对太阳电池光吸收效率的影响。6、金属岛状薄膜对器件光电导、IV特性的影响。四、 本课题研究方案五、 研究目标、主要特色及工作进度工作进度：二月初-选定论文的题目，收集与研究课题相关的各类信息资料。三月份-拟定论文提纲，提交开题报告，交老师审阅，并继续在各类期刊杂志上查阅最新资料。同时，完成一篇英文文献的翻译。四月份-确定实验方案，并进行实验研究。五月初至五月中旬-撰写毕业论文初稿。五月中旬至五月底-修改论文，定稿。预期目标： 通过对金属纳米颗粒的局域表面等离子体效应增强太阳能电池效率的实验研究，分析表面等离子体共振效应增强太阳能电池效率的机制，进一步理解表面等离子体光学结构在纳米尺度上对太阳能电池表面光谱响应的调控。六、参考文献(1) Ajay Upadhyaya,Manav sheoran,Ajeet Rohatgi. 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