双金属纳米颗粒等离子体杂化提高硅表面宽带抗反射性能的研究

针对目前硅宽带抗反射表面结构和工艺复杂、制造困难的问题，本项目提出一种基于双金属纳米颗粒等离子体共振（particle plasmon resonance,PPR）的新方法，拟通过调节纳米颗粒的尺寸分布、材料组分等因素实现窄带PPR杂化，获得宽带PPR，并利用该宽带PPR，提高硅表面在紫外-近红外波段范围内的抗反射性能。主要研究Au-Ag双金属纳米颗粒的PPR特性，PPR的杂化模式及其对宽带抗反射性能的影响，验证窄带PPR杂化形成宽带PPR、提升硅表面宽带抗反射性能的可行性；初步建立金-银纳米颗粒阵列的物理模型，揭示宽带PPR的形成机制及其对宽带抗反射性能的作用机制。拟利用dewetting等技术，制备该抗反射表面，初步实现在900nm宽带内提高抗反射性能70～85%。为高性能宽带抗反射表面的设计和实现提供新的思路,对提升光伏器件性能、降低其成本有着重要的意义。

在这三年的研究期间,主要开展了如下研究工作:单金属Ag、Au及双金属Ag/Au、Au/Ag纳米颗粒在玻璃、硅表面的制备,其纳米颗粒形貌表征、尺寸分散度计算以及反射光谱、能谱的测量,基于试验结果,运用FDTD建模仿真，试验和仿真结果均表明非周期的random双金属纳米颗粒，当其起初膜厚在15nm左右时所制备出的双金属纳米颗粒具有良好的宽带（300-1200nm）抗反射性能，这与其低表面覆盖度从而有效抑制金属纳米颗粒自身吸收、反射有关，与单金属纳米颗粒相比，其PPR峰位更向近紫外波段方向移动。在硅片的基础上，还开展了在单晶硅电池表面制备金属纳米颗粒的试验，以及仿真了在GaAs电池上集成Au、Ag、Al纳米颗粒后对电池光学性能的影响，得到“Al纳米颗粒比Au、Ag纳米颗粒具有更好的宽带抗反射性能”的结论。最后，考察了将金属纳米颗粒集成于III-V族三结太阳能电池后电池性能变化情况的研究。发现在有SiO2缓冲层的情况下，将Al纳米颗粒几乎全部掩埋于SiO2层，得到顶、中子电池输出量子效率为76.5%和76.4%，这比商业用III-V族三结太阳能电池参考样品的性能更好（只有单层抗反射层的商业电池参考样品的顶、中子电池输出量子效率:74.2%和74.6%;具有双层抗反射层的商业电池参考样品的顶、中子电池输出量子效率: 73.2%和83.3%)。可见金属纳米颗粒不仅可以改善硅表面的抗反射性能，还可以改善单晶硅太阳能电池、GaAs太阳能电池以及III-V族三结太阳能电池的性能。