第２９卷第５期 平顶山学院学报 Ｖｏ１．２９ Ｎｏ．５ ２０１４年１０月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｉｎｇｄｉｎｇｓｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｏｃｔ．２０１４ 局域表面等离子体增强吸收的 超薄太阳能电池的研究 万明理，冯 芳，程建立，何金娜 （平顶山学院电气信息工程学院，河南平顶山４６７０９９） 摘 要：设计了３种不同形状的纳米结构，即圆柱形光栅、长方形光栅、三角形光栅，将其覆盖在硅吸收 层表面，利用有限元方法对其进行仿真模拟，结果表明金属光栅激发的局域表面等离子体明显增强了薄膜太阳 能电池的吸收效率，通过对比发现圆柱形光栅更能有效地将光能耦合到薄膜硅层中． 关键词：太阳能电池；表面等离子体；金属光栅 中图分类号：０４３６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３—１６７０（２ｏ１４）０５－００３７—０３ 且按一定方式相互联结在一起的单元．由于单元能 ０引言 按不同的联结方式进行组合，单元本身又可以有不 目前，薄膜太阳能电池因为材料消耗少，生产 同形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域． 成本低，已经成为一个新兴且备受关注的领域，成 其一般步骤是：寻找与原问题相适应的变分形式； 为世界各地研究人员的研究热点 Ｊ．由于硅的稳 建立有限元子空间，即选择单元形状和相应的形函 定性、无毒性，且自然资源中来源丰富，大多数薄膜 数；单元矩阵的计算和总矩阵的合成；边界条件的 太阳能电池都以硅为吸收层．人们通常采用绒面薄 处理和有限元方程组求解 ．有限元法求电磁 膜和高效背反射层来增强薄膜太阳能电池的吸收 场偏微分方程（１）和（２），适用于频域分析和模式 效率 ｊ．最近，研究发现金属纳米颗粒激发的表 分析． 面等离子体激元也能够增强硅薄膜太阳能电池的 ×（ ： ×Ｅ）一 （占，一卫）层＝０， （１） 吸收效率，且银纳米颗粒激发的表面等离子体共振 ０ 频率主要在可见光或红外区，因此可以利用其来增 × 一 强太阳能电池的光吸收Ｌ４＇ｍ ．由于表面等离子 ） ×日卜 ｒ日＝０・（２） 体激元共振频率受纳米颗粒材料、尺寸、形状、颗粒 我们采用商业有限元软件包Ｃｏｍｓｏｌ Ｍｕｌ— 间距及周围介质性质等因素影响，因此通过控制这 ｔｉｐｈｙｓｉｃｓ对所有结构进行仿真模拟．周期性边界 些参数来调节共振频率或等离子体激元的传播特 条件和完美吸收层被采用，用于模拟真实物理 性成为研究热点¨ ．笔者主要选取贵金属纳米结 场 ． 构的形状对太阳能吸收效率的影响作为研究对象， ２结果和讨论 我们选取圆柱形光栅、三角形光栅、长方形光栅３ 种形状，通过有限元法进行仿真模拟，绘制吸收效 图１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）给出了不同形状、尺寸 率和波长的关系，同时和只有硅衬底无金属纳米颗 的银纳米颗粒吸收率与波长的关系．将３种不同形 粒的情况相比较，进行进一步理论分析． 状的金属银纳米颗粒放置在硅基底表面，其横截面 １ 计算与仿真方法 尺寸分别为：圆柱形半径为６０ ｎｍ，三角形底边宽 度为６０ ｎｍ，高为４０ ｎｍ和长方形宽８０ ｎｍ，高度为 利用有限元软件进行仿真模拟，有限元方法的 ６０ ｎｍ．硅吸收层的厚度为４０ ｎｍ，宽度为３００ ｎｍ， 基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个， 周围为空气，从硅基底的正面垂直人射． 收稿日期：２０１４—０６—０５ 作者简介：万明理（１９８２一） ，男，河南省南阳市人，平顶山学院电气信息工程学院实验师，主要研究方向：光学 ・３８・ 平顶山学院学报 ２０１４钲 ＊ 蝥 波长／ｎｍ （ａ）薄膜硅层的吸收光谱 婚 波长／ｎｍ （ｂ）圆柱形光栅增强的吸收光谱 瓣 擎 波长／ｎｍ （ｃ）三角形光栅增强的吸收光谱 ４０ｏ ５００ ） ７（）０ 波长，ｎｍ （ｄ）矩形光栅增强的吸收光谱 图１ 不同光栅对硅层吸收效率的影响 第５期 万明理，冯芳，程建立，等：局域表面等离子体增强吸收的超薄太阳能电池的研究 ．３９． 从图中可以看出，在可见光范围内，图（ａ）中 １９９８，７３（２６）：２８１７—３８１５． 只以硅为衬底，在４３０ ｎｍ左右有一个共振峰，这是 ［３］Ｒａｔｈｅｒ Ｈ．Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎｓ ｓｐｒｉｎｇｅｒ ｔｒａｃｔｓ ｉｎ ｍｏｄｅｍ 介质／硅法布里一珀涉耦合形成的．在短波段 ｐｈｙｓｉｃｓ［Ｍ］．Ｂｅｒｌｉｎ：Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，２０１０． 有吸收，在４５０ ｎｍ～８００ ｎｍ的中、长波段无吸收． ［４］王振林．表面等离激元研究新进展［Ｊ］．物理学进展， 图（ｂ）中圆柱形纳米结构出现的波动最大，从图中 ２００９，２９（３）：２８７—３２４． 可看出它有多个共振峰．第一个共振峰是由于硅的 ［５］周冰．表面等离激元增强薄膜光吸收及发光效率研 究［Ｄ］．杭州：浙江大学，２０１０． 法布里一珀涉模式，其他共振峰为偶极子的高 ［６］Ｃａｔｃｈｐｏｌｅ Ｋ Ｒ，Ｐｏｌｍａｎ Ａ．Ｐｌａｓｍｏｎｉｃ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ［Ｊ］．Ｏｐｔｉ— 阶耦合，分别为电偶极矩、电四极矩、电八极矩，和 ｃａｌ Ｅｘｐｒｅｓｓ，２００８，１６（２６）：２１７９３—２１８００． （ａ）相比，除短波段外，在中、长波段有较好的吸收 ［７］Ｐｏｌｍａｎ Ａ．Ｐｌａｓｍｏｎｉｃｓ ａｐｐｌｉｅｄ［Ｊ］．Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００８，３２２ 效率；图（ｃ）三角形的波动几乎没有变化，唯一的 （５９０３）：８６８—８６９． 共振峰是硅层本身的法布里一珀涉模式，在长 ［８］Ｚｅｍａｎ Ｍ．Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ ｏｆ ｔｈｉｎ—ｆｉｌｍ ｓｉｌｉｃｏｎ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ［Ｊ］． 波段无吸收，吸收效率最低；图（ｄ）中在４３０ ｎｍ处 Ｓｃｉ Ｖｅｒｓｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｄｉｒｅｃｔ，２０１３，５（３）：３７—５５． 共振峰为硅的波导模式，第二个共振峰在７００ ｎｍ ［９］Ｋｒｅｉｂｉｇ Ｕ，Ｖｏｌｌｍｅｒ Ｍ．Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｍｅｔａｌ Ｃｌｕｓｔｅｒｓ 左右，和（ａ）相比，在长波段有明显的吸收，可见吸 ［Ｍ］．Ｂｅｄｉｎ：Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，１９９５． 收效率比只有硅为基底要好．通过对（ａ）、（ｂ）、 ［１０］Ｓｈｃｈｅｇｒｏｖ Ａ Ｖ．Ｅｎｈａｎｃｅｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｉｎ ｉｆｌｍ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ （Ｃ）、（ｄ）的吸收效率和波长的关系进行比较可知， ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｄｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２０１３，６（３）：１３０—１４０． ［１ １］Ｌｉｎｄｑｕｉｓｔ Ｎ Ｃ，Ｌｕｈｍａｎ Ｈ．Ｐｌａｓｍｏｎｉｃ ｎａｎｏｃａｖｉｔｙ ａｒｒａｙｓ 圆柱形吸收效率最好． ｆｏｒ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ｉｎ ｏｒｇａｎｉｃ ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃ ｃｅｌｌｓ［Ｊ］． ３ 结论 Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２００８，９３：１２３３０８． ［１２］Ｍｅｒｔｚ Ｊ．Ｒａｄｉａｔｉｖｅ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ，ｌｆｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ，ｎａｄ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ 近些年来，对于表面等离子体激元增强的薄膜 ｏｆ ｃｌａｓｓｉｃａｌ ｄｉｐｏｌｅ ｎｅａｒ ａ ｌｏｓｓｌｅｓｓ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ：ａ ｕｎｉｉｆｅｄ ｄｅ・ 太阳能电池研究一直是热点，笔者主要研究银纳米 ｓｃｒｉｐｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆｔｈｅＯｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆＡｍｅｉｒｃａ：Ｂ， 颗粒的形状对吸收效率的影响，通过比较圆柱形、 ２０００（１７）：１９０６—１９１３． 三角形、长方形光栅等形状，从吸收效率和波长的 ［１３］钟慧．光栅减反层太阳能电池光电转换效率的研究 关系中，可知当不同形状的纳米颗粒放在硅吸收层 ［Ｊ］．光谱学与光谱分析，２０１１，３１（７）：１７３９—１７４２． 表面时，吸收效率比单独的硅基底要高，不同形状 ［１４］陈凤翔，汪礼胜，祝霁沼．表面等离子体激元增强薄膜 太阳能电池研究进展［Ｊ］．半导体光电，２０１１，３２（２）： 的纳米颗粒其有效光路径不同，导致其散射程度也 １５８—１６５． 不相同，其中，圆柱形纳米颗粒散射最强，在相同的 ［１５］顾本源．表面等离子体亚波长光学原理和新颖效应 波长下，吸收率最高． ［Ｊ］．物理学报，２００７（３６）：２８０—２８７． ［１６］徐威．金属平板和光栅结构理论研究［Ｄ］．长沙：国 防科学技术大学，２０１０． ［１７］王勖力，邵 敏．有限单元法基本原理和数值方法 参考文献： ［Ｍ］．北京：清华大学出版社，１９９６． ［１］王李．基于背部表面等离子体对薄膜太阳能电池效 ［１８］Ｐｉｌｌａｉ Ｓ．Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｅｈｎａｎｃｄｅ ｓｉｌｉｃｏｎ ｓｏｌａｒ ｃｅＵｓ［Ｊ］． 率的影响［Ｄ］．长春：长春理工大学，２０１２． Ａｍｅｉｒｃｎａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ，２ＯＯ７，１２（２６）：１０５—１１４． ［２］Ｓｔｕａｒｔ Ｈ Ｒ，Ｈａｌｌ Ｄ Ｇ．Ｉｓｌａｎｄ ｓｉｚｅ ｅｆｅｃｔｓ ｉｎ ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅ— ［１９］黄艾香，周天孝．有限元理论与方法［Ｍ］．北京：科学 ｅｎｈａｎｃｅｄ ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， 技术出版社，２００９． Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ—．ｅｎｈａｎｃｅｄ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｉｎ Ｕｌｔｒａ— ｔｈｉｎ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌｓ ＷＡＮ Ｍｉｎｇｌｉ，ＦＥＮＧ Ｆａｎｇ，ＣＨＥＮＧ Ｊｉａｎｌｉ，ＨＥ Ｊｉｎｎａ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｐｉｎｇｄｉｎｇｓｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｐｉｎｇｄｉｎｇｓｈａｎ，Ｈｅｎａｎ ４６７０９９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｗｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｔｈｒｅｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｈａｐｅｓ ｏｆ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｇｒａｔｉｎｇ，ｇｒａｔ— ｉｎｇ ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ，ｔｉｒａｎｇｕｌｒａ ｇｒａｔｉｎｇ ｔｏ ｃｏｖｅｒ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｌｉｃｏｎ ａｂｓｏｒｂｅｒ ｌａｙｅｒ，ａｎｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅｓｅ ｓｔｒｕｃ－ ｔｕｒｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｇｒａｔｉｎｇ ｅｘｃｉｔａ－ ｔｉｏｎ ｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｔｌｙ ｅｎｈａｎｃｅｓ ｔｈｅ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌａｓｍａ ｔｈｉｎ—－ｆｉｌｍ ｓｏｌｒａ ｃｅｌｌ ｄｕｅ ｔｏ ｉｔｓ ｅｘｃｉｔｅｄ ｌｏｃａｌｉｚｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｒｅｓｏｎａｎｃｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ；ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ；ｓｌｉｖｅｒ ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ
