用于太阳能光伏器件的表面等离子体理想吸收结构机理、设计与实验研究

针对限制太阳能光伏器件效率的能量吸收问题，提出构造表面等离子体理想吸收结构（SPPAS）实现对太阳光能量的宽谱段捕获、局域和理想吸收，以大幅度提高太阳能光伏器件的吸收效率和光电转换效率。本项目以有机太阳能电池为切入点，采用人工结构材料电磁特性分析方法，深入研究可置于光伏器件表面、界面与底层内表面的不同形状与分布的亚波长金属结构与太阳谱段光作用的散射、局域、耦合与谐振等多种效应，建立考虑金属材料色散的等效介电常数和磁导率的SPPAS太阳光综合调制模型。进而发展表面等离子体理想吸收结构设计方法，并利用SPPAS结构实现宽光谱、大角度太阳光电磁能量的理想吸收。通过结合实验室对亚波长金属结构微细加工的特色积累，开展基于SPPAS的有机光伏器件原理实验与性能测试，验证理论与方法的正确性。本项目发展的方法将为基于各种材料的高效率、低成本薄膜太阳能电池提供一种新的实用方法。

在本项目中，我们针对增强薄膜太阳能光伏器件光吸收关键问题，基于人工结构材料电磁特性分析理论，研究与薄膜太阳能电池一体的表面等离子体理想吸收结构。发展出表面等离子体理想吸收结构设计、制作和表征方法，并开展了实验研究，取得了吸收增强的效果。在有机电池方面，我们提出了基于金属颗粒的表面等离子体电池。建立了散射效率（Scattering efficiency：Qsca）模型，基于该模型，我们对引入有机光伏电池活性层表面的一类MNPs结构参数进行了研究，找出了尺寸参数与散射效率的关系，得出了最优颗粒尺寸。数值仿真表明吸收增强达到26%。我们提出了完整的制备工艺、并实现了电池结构的制作、表征。研究表明，通过选取合适的条件，电池转换效率能够提升超过13%。验证了我们建立的方法。在非晶硅电池方面，我们提出了一种增宽吸收谱的新思路，即，短波长阻抗匹配联合长波长陷光，并提出了支持这一思路的新电池结构，开展了深入的理论设计、分析与计算。所获得的太阳能电池理论上的吸收效率显著提高。本项目这些研究成果为新一代薄膜太阳能电池技术开发打下了物理与实验基础。