專利名稱：太陽能電池中表面等離子體激元金屬納米鏈的增效方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種太陽能電池中表面等離子體激元金屬納米鏈的增效方法。
背景技術(shù)：
能源問題是當(dāng)今社會(huì)面臨的重要問題之一，隨著化石燃料能源的逐漸枯竭，尋找新型、可再生的能量來源成為目前科學(xué)研究領(lǐng)域的熱門問題。太陽能是人類取之不盡、用之不竭的可再生、清潔能源，最有潛力成為世界的主流能源，其開發(fā)和利用已得到人們廣泛地關(guān)注。太陽能電池領(lǐng)域的重要技術(shù)瓶頸就是目前太陽能電池對(duì)太陽光的吸收效率不高，特別是對(duì)于波長在600納米以上的長波段的光吸收效率很低。而這些長波段的太陽光占到整個(gè)太陽光譜總能量的30%，如果能被太陽能電池有效地吸收，將極大地提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)而大幅降低太陽能電池的成本。因此，研究成本低、效率高的太陽能電池的增效方法，是太陽能電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。表面等離子體激元是光與金屬表面的自由電子之間的相互作用形成的一種電磁波傳輸模式。這種光學(xué)模式可將光局域在亞波長的范圍內(nèi)形成共振和傳輸，光在金屬表面形成極高的光學(xué)局域效應(yīng)。當(dāng)入射光照射到具有納米尺度的金屬納米顆粒表面時(shí)，入射光中的電場(chǎng)成分與金屬納米顆粒表面的自由電荷形成強(qiáng)烈地相互作用，光場(chǎng)增強(qiáng)的幅度可達(dá) IO3 - IO7倍。這種顯著的光學(xué)增強(qiáng)效應(yīng)使得金屬納米顆粒在眾多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用，如利用金屬納米顆粒研制表面拉曼增強(qiáng)探針，用于生物細(xì)胞和藥物成分檢測(cè)；利用金屬納米顆粒制備金屬波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)納米尺度的光傳輸，研制未來的納米光學(xué)芯片；將金屬納米顆粒與癌細(xì)胞綁定在一起，利用金屬納米顆粒的光熱效應(yīng)殺死癌細(xì)胞，治療皮膚癌。這些奇異的光學(xué)特性使得金屬納米顆粒在太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域也能有所應(yīng)用。利用金屬納米顆粒的亞波長傳輸特性和光學(xué)增強(qiáng)效應(yīng)，促進(jìn)太陽能電池的光伏層對(duì)入射光的吸收效率，進(jìn)而提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，是太陽能電池技術(shù)發(fā)展的新方向，可使得太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率實(shí)現(xiàn)突破性提升。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是克服已有技術(shù)的不足，提供一種太陽能電池中表面等離子體激元金屬納米鏈的增效方法。利用各種物理、化學(xué)方法在太陽能電池的背電極與光伏層之間制作出一些金屬納米鏈微結(jié)構(gòu)。通過入射光與金屬納米鏈之間產(chǎn)生的等離子體激元傳輸模式使光場(chǎng)能量得到局域化增強(qiáng)，從而提高現(xiàn)有太陽能電池的光吸收效率。該增效方法適用于各種太陽能電池，可使得現(xiàn)有的太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率獲得大幅提升。技術(shù)方案本發(fā)明的太陽能電池中表面等離子體激元金屬納米鏈的增效方法是在太陽能電池制作過程中，在太陽能電池的背電極與光伏層之間制備出一層由金屬納米鏈組成的金屬納米薄膜；金屬納米顆粒的直徑為數(shù)納米至數(shù)百納米之間，金屬納米顆粒之間相互重疊并連成金屬納米鏈；入射光經(jīng)過光陽極和光伏層，被局域在金屬納米鏈表面，并形
3成橫向傳輸?shù)谋砻娴入x子體激元傳輸模式，因此大幅增長了入射光在光伏層的有效傳輸距離，從而提高太陽能電池對(duì)入射光的吸收效率，提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。在太陽能電池的背電極與光伏層之間制備出一層由金屬納米鏈組成的金屬納米薄膜的制備方法為首先通過化學(xué)合成方法制備出金屬納米顆粒膠體溶液，再通過化學(xué)自組裝方法或化學(xué)各項(xiàng)異性刻蝕方法或化學(xué)焊接方法或激光輻照焊接方法或加熱焊接方法， 將膠體溶液中的金屬納米顆粒焊接成金屬納米鏈，然后通過沉積方法或化學(xué)自組裝方法或滴涂法把溶膠溶液中的金屬納米鏈沉積在太陽能電池的背電極表面，并使溶劑自然揮發(fā)。在太陽能電池的背電極與光伏層之間制備出一層由金屬納米鏈組成的金屬納米薄膜的制備方法為通過濺射鍍膜方法或熱蒸發(fā)鍍膜或其他金屬鍍膜法在太陽能電池的背電極表面鍍一層厚度為數(shù)納米至數(shù)百納米的金屬薄膜，再通過納米光刻或納米印壓或電子束刻蝕的納米微加工技術(shù)將金屬薄膜制備成金屬納米鏈。金屬納米鏈的基本單元包括金屬納米球或金屬納米圓盤形狀的金屬納米顆粒，納米球和納米盤個(gè)數(shù)不限.
制備金屬納米鏈所用的金屬材料為金、銀、銅、鎳、鋅、鉬，或是以上材料各自的合金，或是不同金屬層復(fù)合的材料。實(shí)施該增效方法的太陽能電池包括晶體硅太陽能電池、硅基薄膜太陽能電池、銅銦鎵硒太陽能電池、銅銦硒太陽能電池、碲化鎘太陽能電池、砷化鎵太陽能電池、鋁鎵砷太陽能電池、鎵銦磷鍺太陽能電池、染料敏化太陽能電池和有機(jī)薄膜太陽能電池。有益效果本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比具有以下的優(yōu)點(diǎn)
這種增效方法，可以在不影響電池光伏層對(duì)迎光面入射光的吸收的情況下大幅增加入射光在太陽能電池中的有效傳輸距離，進(jìn)而極大地增加太陽光的利用率，提高太陽能電池的整體的光電轉(zhuǎn)換效率。這種增效方法可顯著增加傳統(tǒng)太陽能電池吸收效率很低的長波段的可見光和近紅外波段光線(波長在600納米以上)的光電轉(zhuǎn)換效率。這種增效方法還具有制備方法多樣化，成本低，增效效果明顯等優(yōu)點(diǎn)，而且適用于各種太陽能電池，可獲得極強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)效益。


圖1是金屬納米鏈應(yīng)用于太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖，
圖2是金屬納米鏈基本單元為球形金屬納米顆粒的結(jié)構(gòu)示意圖， 圖3是金屬納米鏈基本單元為圓盤金屬納米顆粒的結(jié)構(gòu)示意圖， 圖4是三個(gè)金屬納米顆粒連接在一起的金屬納米鏈表面光強(qiáng)分布5是四個(gè)金屬納米顆粒連接在一起的金屬納米鏈表面光強(qiáng)分布圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。本發(fā)明所提出的太陽能電池中表面等離子體激元金屬納米鏈的增效方法，從結(jié)構(gòu)上看如圖1所示，是在太陽能電池制作過程中，在太陽能電池的背電極2與光伏層3之間制備出一層由金屬納米鏈11組成的金屬納米薄膜。金屬納米鏈11的基本單元包括金屬納米球或金屬納米圓盤或其他各種形狀的金屬納米顆粒12，如金屬納米三角板、納米短棒、納米多面體等，金屬納米鏈11包含的納米球和納米盤個(gè)數(shù)不限，金屬納米顆粒12的直徑為數(shù)納米至數(shù)百納米之間，金屬納米顆粒12之間相互重疊并連成金屬納米鏈。入射光經(jīng)過光陽極 4和光伏層3，被局域在金屬納米鏈11表面，并形成橫向傳輸?shù)谋砻娴入x子體激元傳輸模式，因此大幅增長了入射光在光伏層3的有效傳輸距離，從而提高太陽能電池對(duì)入射光的吸收效率，提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。金屬納米鏈11的制備方法包括多種物理化學(xué)方法，具體包括，首先通過化學(xué)合成方法制備出金屬納米顆粒12膠體溶液，再通過化學(xué)自組裝方法或化學(xué)各項(xiàng)異性刻蝕方法或化學(xué)焊接方法或激光輻照焊接方法或加熱焊接方法等，將膠體溶液中的金屬納米顆粒12 焊接成金屬納米鏈11。然后通過沉積方法或化學(xué)自組裝方法或滴涂法把溶膠溶液中的金屬納米鏈11沉積在太陽能電池的背電極2表面，并使溶劑自然揮發(fā)。或者，通過濺射鍍膜方法或熱蒸發(fā)鍍膜或其他金屬鍍膜法在太陽能電池的背電極2表面鍍一層厚度為數(shù)納米至數(shù)百納米的金屬薄膜，再通過納米光刻或納米印壓或電子束刻蝕等納米微加工技術(shù)將金屬薄膜制備成金屬納米鏈11。制備金屬納米鏈11所用的金屬材料為金、銀、銅、鎳、鋅、鉬等金屬，或是各自的合金，或是不同金屬層復(fù)合的材料。本發(fā)明所提出的太陽能電池中表面等離子體激元金屬納米鏈的增效方法適用于各種太陽能電池，包括晶體硅太陽能電池、硅基薄膜太陽能電池、銅銦鎵硒太陽能電池、銅銦硒太陽能電池、碲化鎘太陽能電池、砷化鎵太陽能電池、鋁鎵砷太陽能電池、鎵銦磷鍺太陽能電池、染料敏化太陽能電池、有機(jī)薄膜太陽能電池和其他各種太陽能電池。本發(fā)明所提出的太陽能電池中表面等離子體激元金屬納米鏈，可以由不同形狀的金屬納米顆粒12組成，圖2和圖3分別是兩種典型的金屬納米鏈11的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2 是金屬納米鏈11基本單元為球形金屬納米顆粒12的結(jié)構(gòu)示意圖。多個(gè)球形金屬納米顆粒 12連接在一起，金屬納米顆粒的直徑為數(shù)納米到數(shù)百納米之間，金屬納米顆粒12之間的重疊厚度為數(shù)納米左右。圖3是金屬納米(11基本單元為圓盤金屬納米顆粒12的結(jié)構(gòu)示意圖，圓盤金屬納米顆粒12厚度、直徑均為數(shù)納米至數(shù)百納米之間，金屬納米顆粒12之間的重疊厚度為數(shù)納米左右。本發(fā)明所涉及到的增效方法具體實(shí)現(xiàn)如下當(dāng)入射光照射(垂直方向)到太陽能電池中的金屬納米鏈11所在的薄膜層時(shí)，入射光在金屬納米鏈11表面形成橫向傳輸(水平方向)的表面等離子體激元傳輸模式，這種表面等離子體激元模式具有極高的光強(qiáng)，并可在納米尺度的金屬微結(jié)構(gòu)表面以亞波長的光斑傳輸。這種作用對(duì)入射光產(chǎn)生強(qiáng)烈的局域化增強(qiáng)的效果，在金屬納米鏈11的兩端和納米顆粒的連接處具有極大的光場(chǎng)強(qiáng)度(如圖4、5所示)，場(chǎng)強(qiáng)大小可達(dá)入射光的IO3 -IO7倍。不同鏈長的金屬納米鏈表現(xiàn)的特征也不一樣，如圖4、5，當(dāng)金屬納米鏈包含納米顆數(shù)目越多，金屬納米鏈兩端的光強(qiáng)越強(qiáng)(圖中金屬納米顆粒周圍的場(chǎng)強(qiáng)線越密集表示該位置處場(chǎng)強(qiáng)越高)，說明光由原來的垂直入射轉(zhuǎn)化為沿金屬納米鏈11表面的水平方向傳輸。傳統(tǒng)的太陽能電池，光伏層厚度僅為幾十納米到數(shù)百納米之間，入射光垂直入射到太陽能電池中，其傳輸路徑很短，并且有大量的光被反射出去，因此太陽光無法被完全吸收。而采用本發(fā)明提出的增效方法，在太陽能的背電極2表面增加一層由金屬納米鏈11 組成的薄膜，當(dāng)太陽光垂直入射到背電極表面時(shí)，轉(zhuǎn)化為高能量密度的表面等離子體激元模式，以極高的光強(qiáng)和納米尺度的模式分布，沿金屬納米鏈11即光伏層3的水平方向橫向長距離傳輸，因此，入射光的有效光學(xué)路徑大幅增長，光被吸收的效率隨之增強(qiáng)。特別是針對(duì)傳統(tǒng)太陽能電池?zé)o法有效利用的長波段(波長大于600納米的可見光和近紅外波段的光線)太陽光可實(shí)現(xiàn)有效的吸收，其主要的原理是這些長波段的光線轉(zhuǎn)化為表面等離子體激元模式之后，動(dòng)量大幅增加，且有效傳輸路徑顯著增長，更容易在光伏層3中激發(fā)出電子空穴對(duì)。長波段的光線在太陽光譜中占30%的比例，將這部分光能有效地吸收，可顯著提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率。本發(fā)明正是利用這一原理來實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能電池的增效。在具體的實(shí)施方式和操作過程中，根據(jù)不同的太陽能電池而有所不同。以下所有實(shí)施例都是在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。實(shí)施例1 在太陽能電池的背電極2表面制備金屬納米顆粒12為圓球形的金屬納米鏈11采用化學(xué)合成方法配置金屬納米銀顆粒溶液，金屬顆粒直徑為數(shù)十納米至數(shù)百納米左右。采用飛秒激光器焊接技術(shù)，對(duì)金屬納米銀顆粒溶液輻照，把金屬納米銀顆粒焊接成金屬銀納米鏈，每條納米鏈所包含的金屬納米顆粒數(shù)目不限。金屬銀顆粒之間相互重疊，重疊厚度為數(shù)納米左右。焊接好后，用含有金屬銀納米鏈的配置溶液涂覆在背電極2的表面， 然后蒸發(fā)掉溶液即可。隨后再按標(biāo)準(zhǔn)的太陽能電池制備工藝，制備光伏層3、光陽極4等結(jié)構(gòu)。實(shí)施例2 在太陽能電池的背電極2表面制備金屬納米顆粒12為圓盤形的金屬納米鏈11對(duì)準(zhǔn)備好的太陽能電池背電極2襯底進(jìn)行清洗、干燥，采用磁控濺射、熱蒸鍍等鍍膜工藝方法沉積一層金屬銀薄膜，厚度為數(shù)十納米至數(shù)百納米之間，采用電子束刻蝕的方法制備出銀納米鏈結(jié)構(gòu)，多余的金屬薄膜被去除。這樣可制備出形狀均一，排列方向整齊的金屬銀納米鏈11陣列。隨后再按標(biāo)準(zhǔn)的太陽能電池制備工藝，制備光伏層3、光陽極4等結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種太陽能電池中表面等離子體激元金屬納米鏈的增效方法，其特征在于在太陽能電池制作過程中，在太陽能電池的背電極(2)與光伏層(3)之間制備出一層由金屬納米鏈(11)組成的金屬納米薄膜；金屬納米顆粒(12)的直徑為數(shù)納米至數(shù)百納米之間，金屬納米顆粒(12)之間相互重疊并連成金屬納米鏈；入射光經(jīng)過光陽極(4)和光伏層(3)，被局域在金屬納米鏈(U)表面，并形成橫向傳輸?shù)谋砻娴入x子體激元傳輸模式，因此大幅增長了入射光在光伏層(3)的有效傳輸距離，從而提高太陽能電池對(duì)入射光的吸收效率，提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
2.如權(quán)利要求1所述的太陽能電池中表面等離子體激元金屬納米鏈的增效方法，其特征在于，在太陽能電池的背電極(2)與光伏層(3)之間制備出一層由金屬納米鏈(11)組成的金屬納米薄膜的制備方法為首先通過化學(xué)合成方法制備出金屬納米顆粒(12)膠體溶液，再通過化學(xué)自組裝方法或化學(xué)各項(xiàng)異性刻蝕方法或化學(xué)焊接方法或激光輻照焊接方法或加熱焊接方法，將膠體溶液中的金屬納米顆粒(12)焊接成金屬納米鏈(11 )，然后通過沉積方法或化學(xué)自組裝方法或滴涂法把溶膠溶液中的金屬納米鏈(11)沉積在太陽能電池的背電極(2 )表面，并使溶劑自然揮發(fā)。
3.如權(quán)利要求1所述的太陽能電池中表面等離子體激元金屬納米鏈的增效方法，其特征在于，在太陽能電池的背電極(2)與光伏層(3)之間制備出一層由金屬納米鏈(11)組成的金屬納米薄膜的制備方法為通過濺射鍍膜方法或熱蒸發(fā)鍍膜或其他金屬鍍膜法在太陽能電池的背電極(2)表面鍍一層厚度為數(shù)納米至數(shù)百納米的金屬薄膜，再通過納米光刻或納米印壓或電子束刻蝕的納米微加工技術(shù)將金屬薄膜制備成金屬納米鏈(11)。
4.如權(quán)利要求1所述的太陽能電池中表面等離子體激元金屬納米鏈的增效方法，其特征在于金屬納米鏈(11)的基本單元包括金屬納米球或金屬納米圓盤形狀的金屬納米顆粒(12)，納米球和納米盤個(gè)數(shù)不限。
5.如權(quán)利要求1所述的太陽能電池中表面等離子體激元金屬納米鏈的增效方法，其特征在于，制備金屬納米鏈(11)所用的金屬材料為金、銀、銅、鎳、鋅、鉬，或是以上材料各自的合金，或是不同金屬層復(fù)合的材料。
6.如權(quán)利要求1所述的太陽能電池中表面等離子體激元金屬納米鏈的增效方法，其特征在于，實(shí)施該增效方法的太陽能電池包括晶體硅太陽能電池、硅基薄膜太陽能電池、銅銦鎵硒太陽能電池、銅銦硒太陽能電池、碲化鎘太陽能電池、砷化鎵太陽能電池、鋁鎵砷太陽能電池、鎵銦磷鍺太陽能電池、染料敏化太陽能電池和有機(jī)薄膜太陽能電池。
全文摘要
本發(fā)明屬于太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種太陽能電池中表面等離子體激元金屬納米鏈的增效方法。在太陽能電池制作過程中，在太陽能電池的背電極與光伏層之間制備出一層由金屬納米鏈組成的金屬納米薄膜。入射光經(jīng)過光陽極和光伏層，被局域在金屬納米鏈表面，并形成橫向傳輸?shù)谋砻娴入x子體激元傳輸模式，因此大幅增長了入射光在光伏層的有效傳輸距離，從而提高太陽能電池對(duì)入射光的吸收效率，可大幅提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。這種技術(shù)還具有制備工藝多樣化，制作成本低，增效效果明顯等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01L31/18GK102157627SQ201110068868
公開日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2011年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月22日
發(fā)明者張彤, 張曉陽, 朱圣清 申請(qǐng)人:東南大學(xué)