optical resonance of SPPs.doc

太原理工大学毕业设计（论文）任务书 毕业设计（论文）题目： 具有凹凸界面的Ag/P3HT表面等离子体效应的研究 毕业设计（论文）要求及原始数据（资料）：1.在毕业设计期间，要按时汇报工作进展。2.毕业设计要自己独立完成，杜绝抄袭。3.论文的格式参照毕业论文补充规定及撰写规范。4.综合运用所学基础理论知识，培养独立的分析能力和解决问题的能力。5.按时交上论文，保证论文质量。 毕业设计（论文）主要内容：1.查找资料，了解有关P3HT的基础知识及表面等离子体效应的原理。2.从数值模拟出发，比较具有传统平行界面Ag/P3HT结构及具有凹凸界面Ag/P3HT结构的表面等离子体效应，并进行分析说明。3.围绕题目、任务要求及自己所做工作写出符合要求的论文。4.翻译一万字符以上的专业英文文献。学生应交出的设计文件（论文）：毕业论文一份电子版毕业论文一份主要参考文献（资料）：1 Rauscher U, Bassler H, Bradley DDCet al. Phys. Rev. B 1990, 42: 98102.2 张福俊，有机太阳能电池的工作原理及研究进展， 物理教学， 2010 ,24(10): 010-044.3 席珍强, 陈君, 杨德仁, 太阳能电池发展现状及展望, 新能源, 2000, 22( 12): 100- 102.4 沈健芬, 有机薄膜太阳能电池研究进展, 化学工程与装备, 2009, 10(2): 27-32.5 陈豪, 王明召, 太阳能电池的基本原理, 中国现代教育装备 ，2011，11(10): 46-51.6D jara V, Bernde JC. Effect of the interface morphology on the fill factor of plastic solar cells J. Thin solid films, 2005, 493: 273-277.7 Haase C ,Stiebig H. Thin-film silicon solar cells with efficient periodic light trapping texture J. Appl. Phys. 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The development of organic solar cells with good stability, high conversion efficiency, long life, low-cost is the major goal in future research. However, due to the characteristics of the thin-film structure of organic solar cells and organic semiconductors, the optical absorption efficiency of organic solar cells is generally low, which seriously restricts the performance improvement of organic solar cells. It has been shown that the surface plasmon resonance effect produced by metal nanostructure in the light is an effective way to improve organic solar cell light absorption efficiency. In this paper, combining the progress of current research, the concavo-convex Ag/P3HT interface structure was studied using the Rigorous Coupled-wave Analysis (RCWA) method, and compared with the traditional parallel Ag/P3HT interface structure. Moreover, we study the role of the surface plasmon resonance effect in promoting light absorption effect by numerical simulation, which are mainly explored from the following aspects : (I) The change of electric field intensity distribution and the absorption efficiency with the change of the incident TE wave frequency were studied and compared for the above two Ag/P3HT. The results indicate that the concavo-convex interface Ag/P3HT structure can more effectively improve the light absorption efficiency of the active layer of P3HT, and when the frequency is 6 1014 Hz , the light absorption efficiency is the hightest. In addition, with the number of the raised increase, the efficiency of light absorption also improves. (II) The change of the electric field intensity distribution and the absorption efficiency with the change of the incident TE-wave frequency were studied and compared for concavo-convex Ag/P3HT interface structure with the different raised height h (h is equal to 10,20,30nm, respectively). Found that when there is a bulge and h = 20nm, the light absorption efficiency is the most and the electric field strength is the strongest; while setting multiple bulges and h = 30nm, the light absorption efficiency is the most and the electric field strength is the strongest. This must be related to the field local enhancement effect caused by metal corner. These comprehensive simulation show that, the surface plasmon effect of the concavo-convex interface Ag/P3HT structure is stronger, which can greatly improve the light absorption efficiency of the active layer. So the concavo-convex interface Ag/P3HT structure can provide a simple and feasible way for the design and preparation of the future high-efficiency organic solar cells. Key words：Organic solar cells; silver metal corner; surface plasmon effects; concavo-convex interface structure 目 录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 研究的背景及意义11.2.有机太阳能电池的基本理论21.2.1 有机太阳能电池的基本工作原理21.2.2太阳能电池的主要参数31.3 有机薄膜太阳能电池器件的发展和存在的问题41.4 太阳能电池的分类51.5 太阳能电池的市场，应用及未来的发展前景71.6 本文研究的内容和意义7第二章 金属纳米结构的表面等离子体的知识82.1 引言9表面等离子体7（surface plasmons,SP)早在1950年Ritchie的工作之后就被人们广泛的认识。其本质上是光子和导体中的自由电子相互作用而被表面俘获的光波，或者说是自由电子和光波电磁场由于共振频率相同而形成的一种集体震荡态。由于表面等离子体一般只出现导体表面，因而金属表面等离子体是目前主要的研究对象。一般所说的SP就是指金属表面等离子体。SP与光波的相互作用是与SP本身紧密联系的，因此通过改变SP的特性（一般是靠改变金属表面一定的亚波长结构），可以进而改变其对光波的作用。基于这个原理，现在已经在太阳能电池方面取得了很大的进展。9本章先简述了SP的的的基本理论和研究历程，再介绍了SP的特性及其对有机太阳能电池性能的影响，最后讨论了SP的发展和应用前景。92.2 纳米结构的表面等离子激元的定义和研究历程9表面等离子体激元（surface plasmon polaritons,SPPs)是沿着导体表面传播的电磁波，或是局域在金属表面的一种自由电子和光子相互作用形成的激发态。在这种相互作用中，自由电子在光波照射下发生集体震荡，表面电荷震荡与光波电磁场之间的相互作用就构成了具有独特性质的SPPs，并呈现一些新奇的现象，如实验观察发现：光通过金属薄膜上单孔径，或者大小为亚波长尺寸的洞阵列结构的金属板时，透射增强， 表面等离 并出现光聚束效应等现象。基于SPPs的光学特性，可以对金属结构进行优化设计，利用SPPs与光场的相互作用，实现对光传播的操纵和控制，克服光的衍射极等难题，实现器件结构的小型化，这在理论和实际应用中都具有重要的意义。91998年，Ebbesen等在Nation上发表了关于亚波长金属小空阵列结构的异常透射现象的文章，实验表明，此结构的透射光强远高于经典衍射计算理论，且大于按照小孔占金属表面的面积比的计算结果。原因是表面等离子体激元（surface plasmon polaritons,SPPs)的存在，这种现象引发了国际上对表面等离子体及其相关问题的广泛关注和研究兴趣。102.3 表面等离子体激元的特性及增强光吸收的原理102.4 表面等离子体的应用前景14第三章 平行界面和凹凸界面的Ag/P3HT结构的表面等离子体效应研究153.1引言-对核壳纳米结构的太阳能电池优越性的简介153.2 P3HT的简介及其相关研究173.3建模及数值模拟193.4本章小结26第四章 全文总结与展望27致 谢30附录1：英文文献31附录2：对照翻译文献47第一章 绪论1.1 研究的背景及意义 能源问题是制约21世纪经济社会发展的全球性问题，而太阳能占地球总能量99%以上，这是重要的可再生能源。近年来，太阳能电池逐渐走向民用化，新型光伏电池发展非常迅速，可以预期，在今后的5到10年里它们将逐步走向产业化，将在光伏市场上扮演越来越重要的角色，并最终成为市场的主导力量。价廉、高效、可大面积制备的太阳能电池一直是人们追求的目标。国际光伏市场以无机太阳能电池为主，组件的成本约3.5美元瓦，国内成本要高于国外，约40元人民币，这必须降至1美元每瓦以下才可能实现大规模应用，中间还有很大的差距。为什么中国企业自己生产的太阳能电池板不用，而几乎全部出口呢？原因就在于太阳能电池的价格太高，要想解决光伏产业中太阳能电池成本过高的问题，就要想办法提高光电转化效率和降低制造成本，有机太阳能电池是太阳能电池发展的必由之路，代表太阳能电池未来的发展方向。现在，光电转换率和电池寿命是阻碍有机太阳能电池产业化的瓶颈。虽然以现在的技术，有机太阳能电池的实验室转换率为7%8%，寿命仅为两年，可一旦突破瓶颈，有机太阳能电池将在生活的各个层面中普及。 光-电直接转化是目前将太阳能转化为电能的最佳途径,它是将太阳辐射的光能直接转化为电能,实现这种转化的装置称为太阳能电池。太阳能电池具有清洁性和灵活性等优点,它既可大到百万千瓦的中型电站,也可小到只供一家之需的电池组,这是其他电源很难做到的。 在化石能源日趋枯竭的今天, 人们把精力更多地投到研究和开发非化石能源领域中. 有机太阳能电池( organicsolar cells, OSCs) 领域就是目前研究的热点之一, 因为有机太阳能电池有着自身的优点:（1） 主体有机材料可以通过不同的分子修饰, 优化有机材料的光伏性能；（2） 器件的制备方法简便, 成本低廉；（3） 易于制备出大面积且柔韧性好的有机光伏器件。 早在上世纪70年代, 人们就观察到有机小分子的光生伏打效应, 聚合物太阳能电池1也随之诞生, 但当时所制备的太阳能电池效率很低, 远不能满足商业化需求。 直到1986年, 美国EastmenKodak公司的邓青云博士将双层异质结构引入到太阳能电池结构中, 器件效率才得到了很大幅度提高, 使人们看到了有机太阳能电池商业化的美好前景。现阶段, 有机太阳能电池的研究主要有两个大方向, 即新型有机功能材料的研究、开发与有机光伏器件结构的优化。 这两个方面相辅相成, 共同提高了有机太阳能电池的光伏性能。1.2.有机太阳能电池的基本理论1.2.1 有机太阳能电池的基本工作原理 太阳能是一种辐射能，它须借助于能量转换器转换成电能，把太阳能（或其他光能）变换成电能的能量转换器，就叫做太阳能电池。其工作原理是利用光电材料的光生伏打效应完成能量转换。图1.1有机太阳能电池的基本物理过程 有机太阳能电池工作的基本原理2如图1.1所示。由于有机材料中电荷的局限性，光入射后产生束缚在一起的电子空穴对（激子），需要使激子解离才能形成光电流。 一般认为，有机太阳能电池的物理过程包括：光的吸收与激子的产生 太阳光通过透明或半透明的阳极材料进入有机材料中，光被有机材料吸收后激发有机分子从而产生激子。激子的扩散和解离 激子产生后因浓度差而在材料中扩散运动，一部分激子扩散到解离界面后被拆分为电子和空穴。在这一过程中，影响激子解离的主要因素是激子的寿命和激子的扩散长度及材料的结晶性能。载流子的收集 激子被拆分后产生的自由载流子必须被正、负电极收集才能够为器件光电流做贡献。有效的载流子分离需要一定的电场作用。在有机太阳能电池器件中，它由阴、阳材料的功函数差值来提供。 1.2.2太阳能电池的主要参数 太阳能电池的主要特性参数有短路电流，开路电压，填充因子，光电转换效率等。其中，各个物理量的定义如下： I.短路电流（Isc): 太阳能电池在短路条件（电池器件输出电压为零）下的工作电流。为提高短路电流密度, 可从四个方面入手: (l) 光吸收范围扩大(提高吸收强度, 力求吸收光波的长波化)；(2)电荷输送的改善；(3) 增大p一n结界面的接触面积；(4) 促进电荷的生成等。 II.开路电压（Uoc）： 太阳能电池在开路条件（电池器件输出电流为零）下的输出电压。一般的太阳能电池能, 用图1.2所示等值电路表示。由此可知,串联阻抗大和并联阻抗小、电流泄露的场合下, 从外部取出的电压降低, 因此,应尽可能减小相当于串联阻抗的界面接触电阻和电极薄片阻抗等，且生成的电荷有助于有机薄膜的内部电场,并输送空穴和电子。 图1.2 一般太阳能电池的等值电路 III.填充因子(FF): 第四象限中任一工作点的输出功率等于横纵坐标围成的矩形面积。其中一个特定工作点（Umpp,Impp)会使输出功率（Pm）最大。填充因子FF的定义为： -(1.1) IV.光电转换效率（PCE）： 太阳能电池的光电转换效率（PCE）是太阳能电池单位受光面积的最大输出功率（Pm）与入射的太阳能量密度的（Pin）比值: -(1.2) 太阳能电池性能的研究往往通过改变电池结构来比较这四个物理量，找出最优的结构，从而进一步改善太阳能电池，使其更具有普遍性，性能更好，更适合生产生活。1.3 有机薄膜太阳能电池器件的发展和存在的问题目前研究最广泛的太阳电池主要是单晶硅、多晶硅和非晶硅系列电池3，但由于其生产工艺复杂、成本高、难设计、不透明以及其存在转换效率极限等问题，使其大面积实用化受到限制。要使太阳能电池得到大规模推广，就必须降低材料的成本，或找到更廉价的太阳能电池材料。而有机聚合物太阳能电池以低成本、轻重量、分子上的可设计性、生产工艺简单、可实现大面积柔性太阳能电池等优点，日益受到人们的重视。尽管目前有机聚合物太阳能电池光电转换效率很低，约为1%5%,还不能与无机半导体太阳能电池相抗衡，但它可作为用于高日照、尚不具备开发价值地区( 如沙漠) 等的低值光电转换设备而投入实际应用4。为此，各国研究人员都在不断进行有机聚合物太阳能电池的研究，希望能得到新型多功能和高效率的太阳能电池。无论从材料角度还是器件角度讲，研究人员都对有机聚合物太阳能电池进行了较深入的研究，在获得大量可喜成果的同时，也面临着新的挑战，如提高有机聚合物太阳能电池的光电转换效率等。根据Goetzberger等推测，有机聚合物太阳能电池的光电转换效率在未来十几年中有望突破 10% ，如果能达到这一转换效率，用有机聚合物材料制作的太阳能电池将具有巨大的市场。 与无机硅太阳能电池相比，在转换效率、光谱响应范围、电池的稳定性方面，有机太阳能电池还有待提高。各种研究表明，决定光电效率损失的机制主要有： (1)半导体表面和前电极的光反射； (2)禁带越宽，没有吸收的光传播越大； (3)由高能光子在导带和价带中产生的电子和空穴导致的能量驱散； (4)光电子和光空穴在光电池光照面和体内的复合； (5)有机染料的高电阻和低的载流子迁移率。 目前，成本问题是制约太阳能电池大规模应用的瓶颈。要真正使太阳能成为替代其他化石能源，太阳能电池的成本必须接近或低于常规电池的成本。因此，在技术上实现创新和突破，发展廉价、高效的新一代太阳电池，是摆在我们面前的迫切任务。 有机薄膜太阳能电池拥有材料潜在的低价格、加工容易、可大面积成膜、分子及薄膜性质的可设计性、质轻、柔性等优点, 但有机半导体的载流子迁移率较无机半导体低、稳定性较差。目前有机太阳能电池光电转换效率很低, 只有将光电转换效率提高到5%以上才可能大规模应用。1.4 太阳能电池的分类 常见的太阳能电池主要有硅基太阳能电池，有机太阳能电池及染料敏化太阳能电池。下面分别对这三种电池的结构和原理进行介绍。一、硅太阳能电池 硅太阳能电池的基本原理光生伏打效应。PN结的光生伏特效应，即在光的照射下，半导体 p-n结的两端产生电位差的现象。硅太阳能电池的基本结构5如图1.3 所示。它的核心是N 型硅/P 型硅构成的活性层。当把P型硅与N型硅通过一定方式结合在一起时， 图1.3 硅太阳能电池基本结构 形成PN结。在N区与P区的交界面附近，N区的自由电子较多而空穴较少，P区则是空穴较多而自由电子较少，从而在P区和N区间出现空穴和自由电子的浓度差。浓度差导致空穴从P区向N区扩散，自由电子从N区向P区扩散，二者在界面附近复合。P区界面附近带正电荷的空穴离开后，留下带负电荷的硼，因此形成1个负电荷区。同理，在N区界面附近出现1个正电荷区。把交界面附近的这种正、负电荷区域叫做空间电荷区。空间电荷区中的正、负电荷产生1个由N区指向P区的内建电场。在内建电场的作用下，空穴和电子发生漂移，方向与它们各自的扩散方向相反，即电子从P区漂移到N区，空穴从N区漂移到P区。所以，内建电场同时又起着阻碍电子和空穴继续扩散的作用。随着扩散的进行，空间电荷逐渐增多，内建电场逐渐增强，空穴和电子的漂移也逐渐增强，但空穴和电子的扩散却逐渐变弱。无外界影响时，空穴和电子的扩散和漂移最终达到动态平衡。此时，空间电荷的数量一定，空间电荷区不再扩展，内建电场的大小就确定下来12。 当光子入射到PN结表面时，光子在硅表面及体内激发产生大量的电子-空穴对。由于入射光的强度因材料的吸收而不断衰减，因而沿着光照方向，材料内部电子-空穴对的浓度逐渐降低，这致使电子-空穴对向内部扩散。当电子-空穴对扩散到PN结边界时，在内建电场的作用下，空穴、电子被分别拉向P区和N区，电子-空穴对被分离。空穴在P区积累，电子在N区积累，从而产生一个与内建电场反向的光生电场，在P区和N区之间形成与PN结电势反向的光生电势，这就是著名的光生伏特效应。该效应使PN结内部形成自N区向P区的光生电流，当PN结与外电路接通，只要光照不停止，就会有电流源源不断地通过电路。二 、有机太阳能电池 如1.2节所讲，由于有机材料中电荷的局限性，光入射后产生束缚在一起的电子空穴对，需要使激子解离才能形成光电流。 一般认为，有机太阳能电池的物理过程6包括：光的吸收与激子的产生激子的扩散和解离载流子的收集三、染料敏化纳米晶太阳能电池 1998年Crazel 等成功制作了全固态染料纳米晶太阳能电池, 相对于1991 年该小组采用的高比表面积纳米多孔TiO2 薄膜作电极6, 以三联吡啶钌衍生物作为光活性物质在液态电解质中研制成功染料敏化纳米晶电池克服了因液态电解质而存在的一系列问题。2003年他们又通过掺杂技术，改善了其性能。由于此种太阳能电池转化效率较高, 因此目前研究较多。染料敏化纳米晶太阳能电池利用高比表面积多孔特性的薄膜吸附染料敏化剂, 吸收未被半导体吸收的光产生电动势, 从而对半导体电极的光电动势显示敏化作用。在半导体多孔膜电极上修饰的敏化层, 对降低电极的禁带宽度使其增强吸收太阳光的能力、提高转换效率有很重要的作用, 因此敏化剂的选择是制作染料敏化纳米晶太阳能电池的重要环节。敏化剂的选择一般有2种: 有机染料和导电高聚物, 它们各有其优势。有机染料来源丰富，具有高的光吸收率, 因此有可能提高太阳能电池的转化效率, 它具有多样化结构, 为进行分子上的设计提供了可能。Hideki Sugihara 等通过制备新型香豆素使其作为敏化剂而制得染料纳米晶电池, 其光电转化效率可达6% 。某些导电高聚物的电子电导率在数量级上已接近金属, 且具有高的稳定性, 所以可将它们看作电极保护涂层的侯选材料, 以取代有机染料。同时染料敏化剂的含量、薄膜厚度、孔隙率等也会影响到电荷复合和最终的光电转化效率，因此制备优质多孔膜、优化其结构是成功制作染料纳米晶电池的关键。1.5 太阳能电池的市场，应用及未来的发展前景 近年来太阳能电池在技术上的不断突破，使太阳能电池的商业化应用要比人们原先预期的快很多。目前，全世界总共有23万座光伏发电设备，以色列、澳大利亚、新西兰居于领先地位。技术上的不断突破使光电池以高速度进入市场。80年代后期，由于多晶薄膜光电池的出现，使光电池的光电转换率达16，而生产成本降低了50，极利于在缺能少电的发展中国家推广。目前，美国和日本在世界光伏市场上占有最大的市场份额。美国拥有世界上最大的光伏发电厂，其功率为7MW，日本也建成了发电功率达1MW的光伏发电厂。最初太阳能电池主要是广泛应用于人造卫星和航空航天领域，因为在太空中只有白天，没有黑夜，太阳光强度也不受天气变化和季节更替的影响。如人造卫星、宇宙空间站上的能源都是有太阳能电池提供。 目前，太阳能电池已在民用电力、交通，以及军用航海、航天等诸多领域发挥着愈来愈大的作用。大型的可用于电话通讯系统、卫星地面接收站、微波中继站等；中型的可用于电车、轮船、卫星、宇宙飞船等；小(微)型的呵用于太阳能手表、太阳能计算器、太阳能充电器、太阳能手机等。1.6 本文研究的内容和意义 本文在介绍了太阳能电池、金属纳米颗粒等离子体效应及P3HT相关知识的基础上，运用COMSOL软件对具有传统平行界面和凹凸界面的Ag/P3HT结构进行建模，对这两种结构的电场分布、吸收效率随入射光频率及凸起高度的变化关系进行数值模拟。研究凹凸界面的凹凸高度、凹凸个数对活性层P3HT光吸收效率影响，并对其中的物理机制进行初步分析。这些研究将为进一步设计与制备有机太阳能电池提供一种简单而可行的方案。 第二章 金属纳米结构的表面等离子体的知识2.1 引言 表面等离子体7（surface plasmons,SP)早在1950年Ritchie的工作之后就被人们广泛的认识。其本质上是光子和导体中的自由电子相互作用而被表面俘获的光波，或者说是自由电子和光波电磁场由于共振频率相同而形成的一种集体震荡态。由于表面等离子体一般只出现导体表面，因而金属表面等离子体是目前主要的研究对象。一般所说的SP就是指金属表面等离子体。SP与光波的相互作用是与SP本身紧密联系的，因此通过改变SP的特性（一般是靠改变金属表面一定的亚波长结构），可以进而改变其对光波的作用。基于这个原理，现在已经在太阳能电池方面取得了很大的进展。 本章先简述了SP的的的基本理论和研究历程，再介绍了SP的特性及其对有机太阳能电池性能的影响，最后讨论了SP的发展和应用前景。2.2 纳米结构的表面等离子激元的定义和研究历程 表面等离子体激元（surface plasmon polaritons,SPPs)是沿着导体表面传播的电磁波，或是局域在金属表面的一种自由电子和光子相互作用形成的激发态。在这种相互作用中，自由电子在光波照射下发生集体震荡，表面电荷震荡与光波电磁场之间的相互作用就构成了具有独特性质的SPPs，并呈现一些新奇的现象，如实验观察发现：光通过金属薄膜上单孔径，或者大小为亚波长尺寸的洞阵列结构的金属板时，透射增强， 表面等离 并出现光聚束效应等现象。基于SPPs的光学特性，可以对金属结构进行优化设计，利用SPPs与光场的相互作用，实现对光传播的操纵和控制，克服光的衍射极等难题，实现器件结构的小型化，这在理论和实际应用中都具有重要的意义。 表面等离子体（surfae plasmons,SP)的相关研究已有一百多年的历史了。 1902年，Wood等人首次观测到入射光波照射到金属光栅上引起的反常衍射现象，预感到表面等离子体波的存在，从而发现了表面等离子体共振的电磁效应。之后，虽然研究一直没有中断，但由于条件和理论上限制，表面等离子体的研究一直处于停滞不前的状态，直到1957年Ritchid从理论上证明了表面等离子体激元激发现象的存在。1960年Stem和Ferrell发现了金属表面存在着与表面等离子体激元耦合的电磁辐射，并第一次推导了这种金属表面电磁波的色散关系，同年Powell和Swan在实验上用电子束观测到了金属薄膜上表面等离子体的激发。1968年Otto的衰减全反射（Attenuated Total Reflection,ATR)方法的实验中首次实现在光频段观测到了表面等离子体激元的激发，并且在实验中实现光波段的表面等离子体的激发，这种方法延续至今。现在广泛应用的暗场照明模式的近场光学显微镜（PSTM)正是基于Otto的实验构想。同年由Kretschmann和Racther改进了Otto的结构，提出了现在广泛应用的激发SPPs的Kretschmann模型。这些研究为后来的深入奠定了理论基础，对后来的研究起到了关键作用。 1998年，Ebbesen等在Nation上发表了关于亚波长金属小空阵列结构的异常透射现象的文章，实验表明，此结构的透射光强远高于经典衍射计算理论，且大于按照小孔占金属表面的面积比的计算结果。原因是表面等离子体激元（surface plasmon polaritons,SPPs)的存在，这种现象引发了国际上对表面等离子体及其相关问题的广泛关注和研究兴趣。2.3 表面等离子体激元的特性及增强光吸收的原理 对晶体硅太阳能电池，可用化学腐蚀的方法在硅片表面制备金字塔结构，或在硅片表面制备减反射膜以减少太阳光的反射，增强光的吸收和利用。但这种方法对薄膜太阳能电池不再适用，通常采用透明导电膜和高效被反射层来增加入射光在薄膜太阳能电池内的光程，而增加光吸收7。最近，研究人员又对金属纳米颗粒激发表面等离子体激元增强硅薄膜电池、有机半导体太阳能电池光吸收提高电池转换效率产生浓厚的兴趣8。入射光照射到金属表面，自由电子在电磁场作用下在金属和介质界面上发生集体震荡，产生表面等离子激元，它们能够局域在金属纳米颗粒周围或者在平坦的金属表面传播。贵重金属纳米颗粒激发的表面等离子体共振频率主要集中在可见光谱或红外区，因此可以利用表面等离子体激元增强太阳能电池的光吸收。纳米银由于在可见光范围内具有最小的吸收系数，因此有望成为薄膜太阳电池陷光结构的主要材料。金属表面等离子体激元的独特的光学特性，在太阳能电池方面有着重要的应用前景，成为研究的新热点。 在入射光的照射下，金属纳米颗粒会形成局域化的表面等离子体共振9，如图2.1。(a)描述的是电场作用下金属纳米颗粒等离子体振荡示意图，显示了自由电子气团在电场作用下产生相对于核心的位移：(b)描述的是球形纳米颗粒局域化表面等离子体激元共振示意图。金属纳米颗粒在可见光范围表现出很强的宽带光吸收，其实质是由于费 (b) 图2.1（a）电场作用下金属纳米颗粒等离子体振荡示意图(b) 球形纳米颗粒局域化表面等离子体激元共振示意图米能级附近导带上的自由电子在电磁场作用下发生集体震荡，共振状态下的电磁场能量被有效地转换为金属自由电子的集体振动能10。金属纳米颗粒表面的等离子体共振将会被局限在金属纳米颗粒表面，称为LSP共振。当介质中的球形金属纳米颗粒的直径d与入射光波长满足d=时，纳米颗粒与入射光的相互作用可以采用静电偶极子近似，此时介质球的极化率可表示为 -(2.1)式中，为金属纳米颗粒半径，m为纳米颗粒的介电常数，d为颗粒周围介质的介电常数。当|m+2d|最小时，极化率达到最大值，从而形成共振最强。因此存在一个共振频率spr满足关系式Re=m()=-2d。假设金属颗粒的介电常数可以用Drude模型描述。 -(2.2) 其中，p为等离子体频率，是入射光的角频率，为阻尼系数。当球型金属纳米颗粒入射光相互作用产生表面等离子体共振时，其表面等离子体共振频率spr可表示为 -(2.3) 从上式可看出，表面等离子体共振频率对电介质环境有很大的依赖。当纳米颗粒周围的介质的d增加时，其共振频率spr出现红移。此外表面等离子体共振频率还与纳米颗粒的材料，形状，尺寸以及颗粒之间的距离密切相关。 在准静态近似下，共振增强极化将引起金属纳米颗粒周围的电场增强，其大小随离开金属表面的距离迅速衰减。此外共振增强极化还伴随着金属纳米颗粒对光的散射和吸收效率的增强。并且在偶极子等离子共振时，金属纳米颗粒的吸收和散射都得到了共振增强。比光波长更小的颗粒更易于吸收光波，因此在金属颗粒中消光主要由吸收支配。然而，随着金属颗粒尺寸增加到100nm左右，消光主要由散射支配，我们可以利用这种性质把金属纳米颗粒集成在薄膜太阳能电池中来增强光的吸收.但是当金属颗粒尺寸太大，金属颗粒的有效散射又将减小11。因此为了最大限度增强金属颗粒光散射，需要优化设计半导体吸收层重金属纳米颗粒的尺寸。 此外，当入射光照射到有金属膜结构的器件时，金属膜和介质界面上也能在产生表面等离子体共振，形成SPP模。SPP是金属表面自由电子与电磁波相互作用产生的沿金属表面传播的电子疏密波，其具有表面局域和近场增强两个独特的性质9。如图2.2。如图所示,SP具有横向的磁场（x方向）和纵向的电场（z方向）。由此电磁场分布是容易推出的，因为要