表面等离激元增加薄膜光吸收及发光效率研究

论文摘要

太阳能发电在解决全球能源危机,以及减缓温室效应方面有着巨大的潜在应用。作为半导体和微电子工业中最重要的基础材料,硅以其高储量、较为成熟的工艺、污染小、较高的转换效率、稳定性好等优势成为了太阳能光电池研究开发的重点材料。其中,硅薄膜电池在节约电池成本方面具有巨大的优势,是近年来研究的重点。然而,由于非晶硅的光学禁带宽度在1.7ev左右,对太阳辐射光谱的长波段吸收较弱,使其光电转换效率较低,另外,由于其载流子扩散长度的限制,很难通过进一步降低薄膜厚度来减少成本,这些都严重影响了硅在光伏市场上的推广应用。将金属等离激元共振用于增强太阳能电池的效率,是提高太阳能电池效率的研究热点之一。本文将表面等离激元用于提高非晶硅薄膜吸收,不仅在表面等离激元增强薄膜吸收方面有重要的理论探索意义,而且在太阳能电池领域具有良好的应用前景。此外,本文还将表面等离激元共振用于增强薄膜的发光强度,取得较为不错的增强效果。本文制备了金属银纳米颗粒结构,研究了影响其形貌和表面等离激元共振特性的因素,在此基础上,将金属银颗粒用于增强非晶硅薄膜的吸收及用于增强Y2O3;Yb3+薄膜的发光强度,并且分别研究了增强吸收和增强发光的机理。主要内容如下:（1）利用电子束蒸发法（EBE）制备了Ag纳米颗粒,研究了衬底温度,热处理温度等对其形貌和表面等离激元特性的影响,利用后续热处理法改变颗粒形貌来调节其表面等离激元共振峰的位置,还研究了通过改变周围介电材料环境来调节银纳米颗粒的表面等离激元共振峰的位置。实验结果表明,通过改变银颗粒的介电环境、生长温度以及热处理温度,可以达到调节银颗粒LSP共振特性的目的。（2）利用银纳米颗粒增强了非晶硅薄膜的吸收,结果表明,在适当尺寸的银纳米颗粒作用下,非晶硅薄膜对长波长光的吸收可以得到有效增强。在银纳米颗粒的作用下,入射光在非晶硅中的光学路径得到了增加,从而增强非晶硅对入射光的吸收。（3）利用Ag纳米颗粒的局域表面等离激元增强了Y2O3:Yb3+薄膜的发光。结果表明,表面等离激元增强了激发过程,从而增强薄膜荧光发光。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 表面等离激元的概念和性质
• 1.1.1 光滑金属表面处的表面等离激元
• 1.1.2 粗糙金属表面处的表面等离激元
• 1.1.3 金属颗粒对光的散射和吸收
• 1.2 金属颗粒的制备方式
• 1.3 金属局域表面等离激元在太阳能电池领域
• 1.4 局域等离激元增强稀土离子发光以及在太阳能电池领域的应用
• 1.5 本论文的研究目的和意义
• 第2章 实验设备介绍
• 2.1 样品生长设备
• 2.1.1 电子束蒸发（EBE）设备
• 2.1.2 PECVD设备
• 2.2 热处理设备
• 2.3 测试设备
• 2.3.1 紫外-可见吸收谱
• 2.3.2 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.3.3 原子力显微镜（AFM）
• 2.3.4 光致发光光谱测试（PL）
• 2.3.5 拉曼光谱（RAMAN）
• 2.3.6 X射线衍射仪（XRD）
• 2.3.7 椭偏光谱仪
• 第3章 局域表面等离激元结构的制备与表征
• 3.1 引言
• 3.2 衬底的清洗
• 3.3 银颗粒的形貌
• 3.3.1 制备参数
• 3.3.2 银颗粒的形貌
• 3.4 衬底温度和后续热处理对银颗粒的形貌以及LSP的影响
• 3.4.1 衬底温度对银颗粒形貌的影响
• 3.4.2 后续热处理对银颗粒形貌和LSP的影响
• 3.5 LSP材料与结构的制备与表征
• 3.5.1 几种介电材料的制备以及表征
• 3.5.2 LSP结构的制备和表征
• 3.5.3 介电薄膜包覆厚度对银颗粒形貌和LSP峰位的影响
• 3.6 本章总结
• 第4章 局域表面等离激元增强非晶硅薄膜光吸收
• 4.1 引言
• 4.2 样品制备
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 样品的结构和形貌
• 4.3.2 样品的性能表征
• 4.4 本章总结
• 2O₃:Yb³⁺薄膜发光的研究'>第5章 局域表面等离激元用于Y₂O₃:Yb³⁺薄膜发光的研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验条件
• 5.2.1 样品制备
• 5.2.2 样品测试
• 5.3 实验结果与讨论
• 5.3.1 银颗粒形貌观察
• 5.3.2 薄膜烧结后的表面形貌和结构特征
• 5.3.3 样品的荧光激发谱
• 5.3.4 样品的荧光光谱
• 5.4 本章总结
• 第6章 全文总结
• 参考文献
• 硕士期间获得的科研成果