利用局域表面等离子体效应增强多孔硅的发光及增强太阳能电池效率研究

论文摘要

金属由于包含大量的自由电子,使其具有不同于一般介质的优越特性,它们可以和电磁波耦合,在金属表面形成表面等离极化激元(SPP)。金属纳米颗粒的光学性质及其在增强荧光中的应用是当今纳米科学研究中的一个热点。利用金属纳米颗粒的局域表面等离子体效应增强荧光以及在改善太阳能电池效率方面的研究是非常热门的课题。多孔硅作为一种与硅基工艺兼容的发光材料可能在光互联技术中发挥重要作用。光互连是解决芯片间、芯片内电互连延迟的技术途径,而光发射器件是其中的核心器件之一,该发光器件必须与成熟的硅工艺和微电子技术常用的硅材料兼容。多孔硅材料便成为很有用的候选,所以,如何进一步提高多孔硅的发光效率成为芯片间光互连技术能否实用化的核心问题。利用金纳米颗粒的局域表面等离子体效应能够增强多孔硅的发光,多孔硅发光中心发出的光先耦合到表面等离子波导的导模中去,然后再散射到自由空间中去,由于表面等离子体波导模式的态密度很大,多孔硅的自发辐射被大大增强了,所以发光效率得以很大程度的提高。这使得多孔硅成为高效硅基发光器件在材料方面的候选,并为光电集成、光互联等实际应用提供可能。随着人类社会的发展,能源与人口问题一样成为全球最大的问题之一,随着不可再生资源的日益耗尽,太阳能、核能等已成为科学界追求的主要能量来源,目前硅基和其他无机金属化合物的太阳能电池是这一研究领域的主流。一些有机太阳能电池的研究被广泛关注,但是就传统工艺上来说,硅基太阳能电池还是最成熟的,所以如果能提高它的转化效率是一种很直接的方法。目前硅太阳能电池转化效率低,主要原因是对太阳光的吸收效率低,利用金属纳米岛状颗粒能够提高它的吸收从而提高转化效率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 第二章 （局域）表面等离子体原理和应用
• 2-1 表面等离子体的概念及基本原理介绍
• 2-1-1 基本方程
• 2-1-2 金属介电常数和自由电子气的表面等离子体频率
• 2-1-3 表面等离极化激元的色散关系
• 2-1-4 表面等离激元波矢与自由空间中传播的光波矢之间的耦合
• 2-1-5 局域表面等离激元的介绍
• 2-2 （局域）表面等离子体效应增强体系荧光效应的原理和举例
• 2-2-1 局域表面等离子体效应增强荧光的理论分析
• 2-2-2 金属颗粒的局域表面等离子体效应增强发光体荧光的应用
• 2-3 （局域）表面等离子体效应增强太阳能电池效率的原理和应用
• 2-4 对表面等离子体效应应用的展望
• 第三章 实验样品制备与表征
• 3-1 多孔硅样品的制备原理及方法
• 3-1-1 样品制备和形成机理
• 3-1-2 样品的形貌和金颗粒的共振频率确定
• 3-2 研究纳米金颗粒增强硅吸收的原理及样品制备
• 3-2-1 实验样品制备设备
• 3-2-2 样品具体的制备条件和相应的表征图
• 3-3 小结
• 第四章 局域表面等离子体效应增强多孔硅的发光
• 4-1 多孔硅发光原理及增强发光的实验简介
• 4-2 局域表面等离子体效应增强多孔硅发光的发光光谱研究
• 4-2-1 纳米金颗粒的吸收光谱
• 4-2-2 多孔硅在局域表面等离子体效应作用下的光致发光谱
• 4-2-3 光致发光在改变激发功率时的影响
• 4-3 纳米金颗粒增强多孔硅发光的理论解释
• 4-4 小结
• 第五章 局域表面等离子体效应改善太阳能电池效率
• 5-1 太阳能电池研究现状及障碍
• 5-2 金层或者金纳米颗粒对于多孔硅漫反射的影响
• 5-3 金岛状薄膜的光电性能研究
• 5-3-1 等离子体振荡理论下的共振吸收峰宽度
• 5-3-2 载玻片上沉积金岛状薄膜的光谱图
• 5-4 小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 硕士期间发表的论文
• 致谢