专利名称：太阳能电池中表面等离子体激元金属纳米链的增效方法
技术领域：
本发明属于太阳能电池技术领域，具体是一种太阳能电池中表面等离子体激元金属纳米链的增效方法。
背景技术：
能源问题是当今社会面临的重要问题之一，随着化石燃料能源的逐渐枯竭，寻找新型、可再生的能量来源成为目前科学研究领域的热门问题。太阳能是人类取之不尽、用之不竭的可再生、清洁能源，最有潜力成为世界的主流能源，其开发和利用已得到人们广泛地关注。太阳能电池领域的重要技术瓶颈就是目前太阳能电池对太阳光的吸收效率不高，特别是对于波长在600纳米以上的长波段的光吸收效率很低。而这些长波段的太阳光占到整个太阳光谱总能量的30%，如果能被太阳能电池有效地吸收，将极大地提高太阳能电池的光电转换效率，进而大幅降低太阳能电池的成本。因此，研究成本低、效率高的太阳能电池的增效方法，是太阳能电池产业发展的关键技术。表面等离子体激元是光与金属表面的自由电子之间的相互作用形成的一种电磁波传输模式。这种光学模式可将光局域在亚波长的范围内形成共振和传输，光在金属表面形成极高的光学局域效应。当入射光照射到具有纳米尺度的金属纳米颗粒表面时，入射光中的电场成分与金属纳米颗粒表面的自由电荷形成强烈地相互作用，光场增强的幅度可达 IO3 - IO7倍。这种显著的光学增强效应使得金属纳米颗粒在众多领域实现应用，如利用金属纳米颗粒研制表面拉曼增强探针，用于生物细胞和药物成分检测；利用金属纳米颗粒制备金属波导，实现纳米尺度的光传输，研制未来的纳米光学芯片；将金属纳米颗粒与癌细胞绑定在一起，利用金属纳米颗粒的光热效应杀死癌细胞，治疗皮肤癌。这些奇异的光学特性使得金属纳米颗粒在太阳能电池技术领域也能有所应用。利用金属纳米颗粒的亚波长传输特性和光学增强效应，促进太阳能电池的光伏层对入射光的吸收效率，进而提高太阳能电池的光电转换效率，是太阳能电池技术发展的新方向，可使得太阳能电池光电转换效率实现突破性提升。
发明内容
技术问题本发明的目的是克服已有技术的不足，提供一种太阳能电池中表面等离子体激元金属纳米链的增效方法。利用各种物理、化学方法在太阳能电池的背电极与光伏层之间制作出一些金属纳米链微结构。通过入射光与金属纳米链之间产生的等离子体激元传输模式使光场能量得到局域化增强，从而提高现有太阳能电池的光吸收效率。该增效方法适用于各种太阳能电池，可使得现有的太阳能电池光电转换效率获得大幅提升。技术方案本发明的太阳能电池中表面等离子体激元金属纳米链的增效方法是在太阳能电池制作过程中，在太阳能电池的背电极与光伏层之间制备出一层由金属纳米链组成的金属纳米薄膜；金属纳米颗粒的直径为数纳米至数百纳米之间，金属纳米颗粒之间相互重叠并连成金属纳米链；入射光经过光阳极和光伏层，被局域在金属纳米链表面，并形
3成横向传输的表面等离子体激元传输模式，因此大幅增长了入射光在光伏层的有效传输距离，从而提高太阳能电池对入射光的吸收效率，提高太阳能电池的光电转换效率。在太阳能电池的背电极与光伏层之间制备出一层由金属纳米链组成的金属纳米薄膜的制备方法为首先通过化学合成方法制备出金属纳米颗粒胶体溶液，再通过化学自组装方法或化学各项异性刻蚀方法或化学焊接方法或激光辐照焊接方法或加热焊接方法， 将胶体溶液中的金属纳米颗粒焊接成金属纳米链，然后通过沉积方法或化学自组装方法或滴涂法把溶胶溶液中的金属纳米链沉积在太阳能电池的背电极表面，并使溶剂自然挥发。在太阳能电池的背电极与光伏层之间制备出一层由金属纳米链组成的金属纳米薄膜的制备方法为通过溅射镀膜方法或热蒸发镀膜或其他金属镀膜法在太阳能电池的背电极表面镀一层厚度为数纳米至数百纳米的金属薄膜，再通过纳米光刻或纳米印压或电子束刻蚀的纳米微加工技术将金属薄膜制备成金属纳米链。金属纳米链的基本单元包括金属纳米球或金属纳米圆盘形状的金属纳米颗粒，纳米球和纳米盘个数不限.
制备金属纳米链所用的金属材料为金、银、铜、镍、锌、钼，或是以上材料各自的合金，或是不同金属层复合的材料。实施该增效方法的太阳能电池包括晶体硅太阳能电池、硅基薄膜太阳能电池、铜铟镓硒太阳能电池、铜铟硒太阳能电池、碲化镉太阳能电池、砷化镓太阳能电池、铝镓砷太阳能电池、镓铟磷锗太阳能电池、染料敏化太阳能电池和有机薄膜太阳能电池。有益效果本发明与现有的技术相比具有以下的优点
这种增效方法，可以在不影响电池光伏层对迎光面入射光的吸收的情况下大幅增加入射光在太阳能电池中的有效传输距离，进而极大地增加太阳光的利用率，提高太阳能电池的整体的光电转换效率。这种增效方法可显著增加传统太阳能电池吸收效率很低的长波段的可见光和近红外波段光线(波长在600纳米以上)的光电转换效率。这种增效方法还具有制备方法多样化，成本低，增效效果明显等优点，而且适用于各种太阳能电池，可获得极强的经济效益。
图1是金属纳米链应用于太阳能电池的结构示意图，
图2是金属纳米链基本单元为球形金属纳米颗粒的结构示意图， 图3是金属纳米链基本单元为圆盘金属纳米颗粒的结构示意图， 图4是三个金属纳米颗粒连接在一起的金属纳米链表面光强分布5是四个金属纳米颗粒连接在一起的金属纳米链表面光强分布图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。本发明所提出的太阳能电池中表面等离子体激元金属纳米链的增效方法，从结构上看如图1所示，是在太阳能电池制作过程中，在太阳能电池的背电极2与光伏层3之间制备出一层由金属纳米链11组成的金属纳米薄膜。金属纳米链11的基本单元包括金属纳米球或金属纳米圆盘或其他各种形状的金属纳米颗粒12，如金属纳米三角板、纳米短棒、纳米多面体等，金属纳米链11包含的纳米球和纳米盘个数不限，金属纳米颗粒12的直径为数纳米至数百纳米之间，金属纳米颗粒12之间相互重叠并连成金属纳米链。入射光经过光阳极 4和光伏层3，被局域在金属纳米链11表面，并形成横向传输的表面等离子体激元传输模式，因此大幅增长了入射光在光伏层3的有效传输距离，从而提高太阳能电池对入射光的吸收效率，提高太阳能电池的光电转换效率。金属纳米链11的制备方法包括多种物理化学方法，具体包括，首先通过化学合成方法制备出金属纳米颗粒12胶体溶液，再通过化学自组装方法或化学各项异性刻蚀方法或化学焊接方法或激光辐照焊接方法或加热焊接方法等，将胶体溶液中的金属纳米颗粒12 焊接成金属纳米链11。然后通过沉积方法或化学自组装方法或滴涂法把溶胶溶液中的金属纳米链11沉积在太阳能电池的背电极2表面，并使溶剂自然挥发。或者，通过溅射镀膜方法或热蒸发镀膜或其他金属镀膜法在太阳能电池的背电极2表面镀一层厚度为数纳米至数百纳米的金属薄膜，再通过纳米光刻或纳米印压或电子束刻蚀等纳米微加工技术将金属薄膜制备成金属纳米链11。制备金属纳米链11所用的金属材料为金、银、铜、镍、锌、钼等金属，或是各自的合金，或是不同金属层复合的材料。本发明所提出的太阳能电池中表面等离子体激元金属纳米链的增效方法适用于各种太阳能电池，包括晶体硅太阳能电池、硅基薄膜太阳能电池、铜铟镓硒太阳能电池、铜铟硒太阳能电池、碲化镉太阳能电池、砷化镓太阳能电池、铝镓砷太阳能电池、镓铟磷锗太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机薄膜太阳能电池和其他各种太阳能电池。本发明所提出的太阳能电池中表面等离子体激元金属纳米链，可以由不同形状的金属纳米颗粒12组成，图2和图3分别是两种典型的金属纳米链11的结构示意图。图2 是金属纳米链11基本单元为球形金属纳米颗粒12的结构示意图。多个球形金属纳米颗粒 12连接在一起，金属纳米颗粒的直径为数纳米到数百纳米之间，金属纳米颗粒12之间的重叠厚度为数纳米左右。图3是金属纳米(11基本单元为圆盘金属纳米颗粒12的结构示意图，圆盘金属纳米颗粒12厚度、直径均为数纳米至数百纳米之间，金属纳米颗粒12之间的重叠厚度为数纳米左右。本发明所涉及到的增效方法具体实现如下当入射光照射(垂直方向)到太阳能电池中的金属纳米链11所在的薄膜层时，入射光在金属纳米链11表面形成横向传输(水平方向)的表面等离子体激元传输模式，这种表面等离子体激元模式具有极高的光强，并可在纳米尺度的金属微结构表面以亚波长的光斑传输。这种作用对入射光产生强烈的局域化增强的效果，在金属纳米链11的两端和纳米颗粒的连接处具有极大的光场强度(如图4、5所示)，场强大小可达入射光的IO3 -IO7倍。不同链长的金属纳米链表现的特征也不一样，如图4、5，当金属纳米链包含纳米颗数目越多，金属纳米链两端的光强越强(图中金属纳米颗粒周围的场强线越密集表示该位置处场强越高)，说明光由原来的垂直入射转化为沿金属纳米链11表面的水平方向传输。传统的太阳能电池，光伏层厚度仅为几十纳米到数百纳米之间，入射光垂直入射到太阳能电池中，其传输路径很短，并且有大量的光被反射出去，因此太阳光无法被完全吸收。而采用本发明提出的增效方法，在太阳能的背电极2表面增加一层由金属纳米链11 组成的薄膜，当太阳光垂直入射到背电极表面时，转化为高能量密度的表面等离子体激元模式，以极高的光强和纳米尺度的模式分布，沿金属纳米链11即光伏层3的水平方向横向长距离传输，因此，入射光的有效光学路径大幅增长，光被吸收的效率随之增强。特别是针对传统太阳能电池无法有效利用的长波段(波长大于600纳米的可见光和近红外波段的光线)太阳光可实现有效的吸收，其主要的原理是这些长波段的光线转化为表面等离子体激元模式之后，动量大幅增加，且有效传输路径显著增长，更容易在光伏层3中激发出电子空穴对。长波段的光线在太阳光谱中占30%的比例，将这部分光能有效地吸收，可显著提高太阳能电池的光电转化效率。本发明正是利用这一原理来实现对太阳能电池的增效。在具体的实施方式和操作过程中，根据不同的太阳能电池而有所不同。以下所有实施例都是在以本发明技术方案为前提下进行实施，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。实施例1 在太阳能电池的背电极2表面制备金属纳米颗粒12为圆球形的金属纳米链11采用化学合成方法配置金属纳米银颗粒溶液，金属颗粒直径为数十纳米至数百纳米左右。采用飞秒激光器焊接技术，对金属纳米银颗粒溶液辐照，把金属纳米银颗粒焊接成金属银纳米链，每条纳米链所包含的金属纳米颗粒数目不限。金属银颗粒之间相互重叠，重叠厚度为数纳米左右。焊接好后，用含有金属银纳米链的配置溶液涂覆在背电极2的表面， 然后蒸发掉溶液即可。随后再按标准的太阳能电池制备工艺，制备光伏层3、光阳极4等结构。实施例2 在太阳能电池的背电极2表面制备金属纳米颗粒12为圆盘形的金属纳米链11对准备好的太阳能电池背电极2衬底进行清洗、干燥，采用磁控溅射、热蒸镀等镀膜工艺方法沉积一层金属银薄膜，厚度为数十纳米至数百纳米之间，采用电子束刻蚀的方法制备出银纳米链结构，多余的金属薄膜被去除。这样可制备出形状均一，排列方向整齐的金属银纳米链11阵列。随后再按标准的太阳能电池制备工艺，制备光伏层3、光阳极4等结构。
权利要求
1.一种太阳能电池中表面等离子体激元金属纳米链的增效方法，其特征在于在太阳能电池制作过程中，在太阳能电池的背电极(2)与光伏层(3)之间制备出一层由金属纳米链(11)组成的金属纳米薄膜；金属纳米颗粒(12)的直径为数纳米至数百纳米之间，金属纳米颗粒(12)之间相互重叠并连成金属纳米链；入射光经过光阳极(4)和光伏层(3)，被局域在金属纳米链(U)表面，并形成横向传输的表面等离子体激元传输模式，因此大幅增长了入射光在光伏层(3)的有效传输距离，从而提高太阳能电池对入射光的吸收效率，提高太阳能电池的光电转换效率。
2.如权利要求1所述的太阳能电池中表面等离子体激元金属纳米链的增效方法，其特征在于，在太阳能电池的背电极(2)与光伏层(3)之间制备出一层由金属纳米链(11)组成的金属纳米薄膜的制备方法为首先通过化学合成方法制备出金属纳米颗粒(12)胶体溶液，再通过化学自组装方法或化学各项异性刻蚀方法或化学焊接方法或激光辐照焊接方法或加热焊接方法，将胶体溶液中的金属纳米颗粒(12)焊接成金属纳米链(11 )，然后通过沉积方法或化学自组装方法或滴涂法把溶胶溶液中的金属纳米链(11)沉积在太阳能电池的背电极(2 )表面，并使溶剂自然挥发。
3.如权利要求1所述的太阳能电池中表面等离子体激元金属纳米链的增效方法，其特征在于，在太阳能电池的背电极(2)与光伏层(3)之间制备出一层由金属纳米链(11)组成的金属纳米薄膜的制备方法为通过溅射镀膜方法或热蒸发镀膜或其他金属镀膜法在太阳能电池的背电极(2)表面镀一层厚度为数纳米至数百纳米的金属薄膜，再通过纳米光刻或纳米印压或电子束刻蚀的纳米微加工技术将金属薄膜制备成金属纳米链(11)。
4.如权利要求1所述的太阳能电池中表面等离子体激元金属纳米链的增效方法，其特征在于金属纳米链(11)的基本单元包括金属纳米球或金属纳米圆盘形状的金属纳米颗粒(12)，纳米球和纳米盘个数不限。
5.如权利要求1所述的太阳能电池中表面等离子体激元金属纳米链的增效方法，其特征在于，制备金属纳米链(11)所用的金属材料为金、银、铜、镍、锌、钼，或是以上材料各自的合金，或是不同金属层复合的材料。
6.如权利要求1所述的太阳能电池中表面等离子体激元金属纳米链的增效方法，其特征在于，实施该增效方法的太阳能电池包括晶体硅太阳能电池、硅基薄膜太阳能电池、铜铟镓硒太阳能电池、铜铟硒太阳能电池、碲化镉太阳能电池、砷化镓太阳能电池、铝镓砷太阳能电池、镓铟磷锗太阳能电池、染料敏化太阳能电池和有机薄膜太阳能电池。
全文摘要
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种太阳能电池中表面等离子体激元金属纳米链的增效方法。在太阳能电池制作过程中，在太阳能电池的背电极与光伏层之间制备出一层由金属纳米链组成的金属纳米薄膜。入射光经过光阳极和光伏层，被局域在金属纳米链表面，并形成横向传输的表面等离子体激元传输模式，因此大幅增长了入射光在光伏层的有效传输距离，从而提高太阳能电池对入射光的吸收效率，可大幅提高太阳能电池的光电转换效率。这种技术还具有制备工艺多样化，制作成本低，增效效果明显等优点。
文档编号H01L31/18GK102157627SQ201110068868
公开日2011年8月17日 申请日期2011年3月22日 优先权日2011年3月22日
发明者张彤, 张晓阳, 朱圣清 申请人:东南大学