【摘 要】
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近年来表面等离子材料与硅薄膜光伏器件的集成逐渐成为研究热点。通过引入具有表面等离子近场效应的金属纳米结构,可以在有限物理厚度的情况下增强硅薄膜光伏器件的光吸收能力,从而提升器件效率。而金、银贵金属等传统表面等离子材料因其电子结构与硅异质而将在与硅集成时引入电子缺陷,从而对硅薄膜光伏器件产生不利影响。因此,具有表面等离子性质且与硅同族的金属锡成为了研究者的关注对象。但金属锡的近场效应较弱,因此,将金
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近年来表面等离子材料与硅薄膜光伏器件的集成逐渐成为研究热点。通过引入具有表面等离子近场效应的金属纳米结构,可以在有限物理厚度的情况下增强硅薄膜光伏器件的光吸收能力,从而提升器件效率。而金、银贵金属等传统表面等离子材料因其电子结构与硅异质而将在与硅集成时引入电子缺陷,从而对硅薄膜光伏器件产生不利影响。因此,具有表面等离子性质且与硅同族的金属锡成为了研究者的关注对象。但金属锡的近场效应较弱,因此,将金属锡与银结合,制成银@二氧化硅@锡三层核壳结构,既可利用金属锡与硅电子结构兼容的优势,又可通过金属锡与银之间的表面等离子耦合获得优异的近场增强效应,从而有望在硅基薄膜光伏器件中获得广泛应用。本论文首先在银纳米粒子制备的基础上合成了银@二氧化硅核壳结构,并研究了其表面等离子性能。随后在对银@二氧化硅核壳结构进行改性的基础上,通过静电吸附将其与金属锡纳米粒子组装,制备出银@二氧化硅@锡三层核壳结构并对其表面等离子性能进行研究。最后,将银、锡纳米粒子和银@二氧化硅@锡三层核壳结构等具有不同表面等离子性质的纳米材料与磁控溅射制备的硅薄膜复合,探究不同表面等离子材料对Si薄膜光学/光电性能的影响规律。主要研究成果如下:1、在制备银纳米粒子的基础上,通过改进的St(?)ber法合成出银@二氧化硅核壳结构,并探讨了二氧化硅层厚对其表面等离子性质的影响规律。表面等离子增强拉曼散射测试表明,3 nm厚的二氧化硅层不会降低银纳米粒子的近场增强效应,该银@二氧化硅核壳结构对R6G的拉曼信号有一定的增强作用,最高增强达到了21.5倍。此外,对银@二氧化硅核壳结构进行表面改性,将其表面电荷由负改为正,其Zeta电位值达到12.8,从而使带负电的金属锡纳米粒子通过静电吸附形成三层核壳结构成为可能。2、利用静电自组装法,将预先制备的金属锡纳米粒子与改性后的银@二氧化硅核壳结构复合,成功合成了银@二氧化硅@锡三层核壳结构。该三层核壳结构最外层的金属锡纳米粒子有助于维持整个结构的静电平衡,从而使其能够在溶液中稳定存在。光学测试与有限元仿真结果表明,银@二氧化硅@锡三层核壳结构兼具银纳米粒子的强近场增强效应与锡纳米粒子的宽光谱响应特性。3、分别将银纳米粒子、金属锡纳米粒子和银@二氧化硅@锡三层核壳结构与磁控溅射制备的硅薄膜结合形成负载型或嵌入型复合膜,并探究了不同表面等离子材料对硅薄膜光吸收和光电性能的影响规律。光学表征和有限元仿真结果表明,三种不同的表面等离子材料均能增强硅薄膜的光吸收强度:当形成负载型复合膜时,银@二氧化硅@锡三层核壳结构可增强硅薄膜对300-1000 nm范围内的光吸收强度,其对650 nm光吸收能力提升了4.5倍,其增强能力分别是银纳米粒子和金属锡纳米粒子的1.7倍和4.8倍;当形成嵌入型复合膜时,银@二氧化硅@锡三层核壳结构使硅薄膜对650 nm光吸收能力提升了77%。此外,光电性能表征结果表明,负载和嵌入三层核壳结构的硅薄膜均具有更稳定的光电流响应能力,其六次循环光电流密度平均衰减率是纯硅薄膜的73%和89%。
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