金屬納米粒子對(duì)硅薄膜太陽(yáng)能電池光吸收效率影響的研究

榮融　厲寶增

摘 要：近年來(lái)開(kāi)發(fā)研制硅薄膜太陽(yáng)能電池以減少硅片原材料的消耗來(lái)降低硅太陽(yáng)能電池的成本成為熱點(diǎn)領(lǐng)域。文章具體對(duì)硅薄膜太陽(yáng)能電池的背景、分類及其特點(diǎn)進(jìn)行了相關(guān)探討，簡(jiǎn)要說(shuō)明了金屬納米粒子中具有代表性的銀金屬納米粒子，并且分析了不同結(jié)構(gòu)的銀納米粒子集成于硅薄膜后引起太陽(yáng)能電池對(duì)太陽(yáng)光吸收效率產(chǎn)生的影響，力求通過(guò)文章，對(duì)這種新型的增強(qiáng)光吸收效率的方法進(jìn)行宏觀的認(rèn)識(shí)。

關(guān)鍵詞：金屬納米粒子；硅薄膜太陽(yáng)能電池；研究分析；宏觀認(rèn)識(shí)

1 硅薄膜太陽(yáng)能電池發(fā)展背景簡(jiǎn)介

能源，作為21世紀(jì)的重要話題近年來(lái)被逐漸關(guān)注，隨著各個(gè)國(guó)家和地區(qū)的發(fā)展和進(jìn)一步科技的提高，能源的消耗也在迅猛增加，其中可再生資源的利用越來(lái)越受到關(guān)注。在眾多可再生資源中，太陽(yáng)能作為一種取之不盡用之不竭的綠色可再生能源被逐漸重視起來(lái)，其中如何將太陽(yáng)能利用效率進(jìn)一步提升一直是各國(guó)科研工作者不斷追求的目標(biāo)。其中重要的轉(zhuǎn)換方式和媒介就是——太陽(yáng)能電池，它是一種能夠直接將太陽(yáng)能能源轉(zhuǎn)化為電能能源而被進(jìn)一步利用的裝置，為了提高太陽(yáng)能電池的光吸收效率，科學(xué)家一方面對(duì)半導(dǎo)體材料本身進(jìn)行著大量的研究，希望可以獲得具有高載流子遷移率的新型半導(dǎo)體材料。另一方面，還要通過(guò)進(jìn)一步改變已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)的太陽(yáng)能電池的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良，并逐漸發(fā)展出結(jié)構(gòu)上為體異質(zhì)結(jié)、多異質(zhì)結(jié)以及光限制結(jié)構(gòu)等各種方法。其中，在1994年由Meier博士首次報(bào)導(dǎo)，由其團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的第一塊納米硅薄膜太陽(yáng)電池以來(lái)，納米硅薄膜太陽(yáng)電池就以其幾乎無(wú)光致衰減效應(yīng)而受到人們的廣泛關(guān)注，其實(shí)驗(yàn)室最高效率已達(dá) 10.3%。其中，硅薄膜太陽(yáng)能電池集成金屬納米粒子成為了一個(gè)具有代表性的研究課題和方向，被廣大科研工作者所研究，并對(duì)其進(jìn)行了大量的論證實(shí)驗(yàn)和理論研究工作。

2 硅膜太陽(yáng)能電池主要分類及其主要特點(diǎn)

針對(duì)于硅薄膜太陽(yáng)電池分類主要包括：氫化非晶硅太陽(yáng)電池、氫化納米硅太陽(yáng)電池，以及由氫化非晶硅和納米硅太陽(yáng)能電池構(gòu)成的雙結(jié)或多結(jié)疊層太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)。硅薄膜太陽(yáng)電池具有眾多優(yōu)異的特點(diǎn)，其分布于自然界中的材料豐富，消耗能量小，沒(méi)有毒性，成本低廉，可以大面積沉積，是一種具有巨大潛力的材料，可以大規(guī)模生產(chǎn)太陽(yáng)能電池。但是由于在長(zhǎng)波段的吸收系數(shù)比較小，而且硅薄膜太陽(yáng)電池的厚度十分有限，因此，采取合適的金屬納米粒子集成在硅薄膜電池上的方法，可以增加太陽(yáng)電池對(duì)太陽(yáng)光的吸收，對(duì)提高太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率有著十分重要的作用。

3 提高太陽(yáng)能電池光吸收效率的方法及原因

提高太陽(yáng)能電池光吸收效率的方法主要有：（1）制作一種表面為透明導(dǎo)電膜絨面的結(jié)構(gòu)，使硅薄膜電池表面接收到的太陽(yáng)光在透明導(dǎo)電膜與硅薄膜的界面之間發(fā)生光散射效應(yīng)，增加入射太陽(yáng)光在太陽(yáng)電池內(nèi)部傳播時(shí)的光程，這樣的結(jié)構(gòu)可以大大增加太陽(yáng)電池對(duì)光的吸收。（2）采用小顆粒金屬納米粒子增強(qiáng)光吸收效率的方法，它之所以能夠改變太陽(yáng)光吸收效率的原因是，光照引起金屬納米粒子局域表面等離子體共振效應(yīng)。（3）利用大顆粒金屬納米粒子（大于100nm）的等離子體共振效應(yīng)增強(qiáng)太陽(yáng)光散射能力。該散射與幾何散射不同，是一種與入射光的波長(zhǎng)有關(guān)的散射。當(dāng)在晶體硅和非晶硅太陽(yáng)能電池表面制備了大顆粒金屬納米粒子時(shí)，等離子體共振效應(yīng)可以大大增強(qiáng)太陽(yáng)光光散射對(duì)太陽(yáng)能電池光吸收效率。（4）利用大面積沉積制備小顆粒納米粒子，通過(guò)蒸鍍方法將其集成在特殊結(jié)構(gòu)的氫化非晶硅，提高其對(duì)太陽(yáng)光的吸收效率。

4 金屬納米粒子對(duì)硅薄膜太陽(yáng)能電池光吸收效率影響研究分析

金屬納米粒子中具有代表性的粒子為銀納米粒子，也是目前為止各國(guó)研究人員重點(diǎn)研究的金屬納米粒子之一，下面結(jié)合兩種通過(guò)改變納米粒子膜層厚度和改變納米粒子聚集形狀的方法對(duì)金屬納米粒子硅薄膜太陽(yáng)能電池光吸收效率的影響分析。

將銀納米粒子集成在硅薄膜太陽(yáng)電池中，隨著銀納米粒子厚度從20nm-40nm膜層變化時(shí)，間接增加了納米結(jié)構(gòu)中納米粒子的平均縱向高度和橫向?qū)挾龋浔撤瓷淦魃⑸涔庾V范圍和強(qiáng)度得到提高，使其對(duì)太陽(yáng)光吸收面積增大，提升了太陽(yáng)能電池對(duì)光的吸收效率。但是當(dāng)繼續(xù)提升膜層厚度為50nm時(shí)，由于納米結(jié)構(gòu)中納米粒子的整體橫縱高度和寬度的減小。其表面不均勻性的增加，以及集合粒子后散射光譜明顯降低，其使光吸收效率明顯降低。所以對(duì)于金屬納米粒子膜層厚度是其中影響太陽(yáng)能電池對(duì)太陽(yáng)光吸收效率影響的重要因素之一。

另外，納米粒子的形狀也對(duì)硅薄膜對(duì)太陽(yáng)光的吸收效率具有很大的影響，將金屬納米粒子制作成為一個(gè)具有島狀顆粒的硅薄膜形式的太陽(yáng)能電池。由于特殊結(jié)構(gòu)和納米粒子微小結(jié)構(gòu)的獨(dú)特光電性能，使得光在其內(nèi)傳播的面積和光程被加大，進(jìn)而進(jìn)一步提高了太陽(yáng)光的綜合利用效率，其中，在生物探測(cè)領(lǐng)域，輻射衰變與硅薄膜太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域被廣泛的使用。另外通過(guò)實(shí)驗(yàn)和研究證明，在島狀薄膜中，一種集合高密度小顆粒硅薄膜的結(jié)構(gòu)被發(fā)現(xiàn)，他對(duì)于提高硅薄膜太陽(yáng)能電池對(duì)太陽(yáng)光的吸收效率具有重要的作用。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著金屬納米粒子硅薄膜太陽(yáng)能電池技術(shù)的創(chuàng)新性發(fā)展，通過(guò)不斷的改變和挖掘金屬納米粒子的各項(xiàng)性質(zhì)，將會(huì)使太陽(yáng)能電池對(duì)太陽(yáng)光吸收的效率獲得進(jìn)一步提升。同時(shí)，文章通過(guò)探討硅薄膜太陽(yáng)能的發(fā)展，對(duì)金屬納米硅薄膜太陽(yáng)能電池提高光吸收效率的方法進(jìn)行簡(jiǎn)單敘述，了解其中的原因。最后對(duì)典型的銀納米粒子為代表的金屬納米粒子厚度和形狀對(duì)其光吸收效率的影響進(jìn)行了探討，使人們對(duì)于金屬納米粒子對(duì)硅膜太陽(yáng)能電池技術(shù)有了基本的宏觀認(rèn)識(shí)。

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