基于表面等离子增强的量子点太阳能电池的研究

摘要

随着我国经济发展的转型和对能源的需求的加大，发展清洁的、可再生的能源迫在眉睫。众所周知，人类生产所带来的污染使得地球环境每况愈下。量子点太阳电池和等离子太阳电池近年来成为了太阳能电池领域的研究热点，有望解决能源危机问题。一是量子点太阳能电池能够打破传统p-n结太阳电池的理论极限，达到66％左右。二是等离子能够增强电池中的光吸收，极大的减小太阳能电池的原材料，进而降低成本，使得其能够和传统能源竞争。如果实现高效低价的太阳电池，不仅可以减少对传统化石能源的依赖，而且能够实现国家的可持续经济发展战略。本学位论文研究了表面等离子体对砷化镓量子点太阳能电池效率的影响，通过极其简便的方法耦合纳米星到量子点太阳能电池的表面，从而实现了极大的效率提升。这是因为耦合在表面的多角纳米星能够提供宽频域的散射截面和吸收截面。纳米星提供的近场增强模式使得外量子效率在短波区域增强了400%，并且纳米星的散射效应使得其在长波区域增加了(10-50%)。为了研究等离子对量子点的影响，太阳能电池的表面被化学腐蚀，使得表面距离本征区的砷化铟量子点更近。再把相同浓度的纳米星耦合在其表面。实验结果显示当表面等离子源距离量子点更加近的时候，太阳能电池的吸收效率比起没被刻蚀前有大幅度的提高。最后，本文采用时域有限差分方法来解释表面等离子量子点太阳电池增强效应的物理机制，为进一步的研究提供理论支持。分析显示，可以通过制备不同角的纳米星来增强特定波长的吸收。并且，纳米粒子的形状和大小对于光吸收至关重要。越大的纳米颗粒越能增加散射效率，减少寄生吸收。不同角数量的纳米星的吸收效率也不同。角数量越多的纳米星的吸收增强作用越强。因为纳米星的陷光效应和近场增强作用，作为表面等离子的纳米星能够极大的增加太阳能电池的转换效率。同时，纳米星的耦合方法也能够和大规模生产兼容。所以，表面等离子太阳电池具有潜力降低太阳能电池材料的使用，降低太阳能电池的价格，为解决全世界的能源危机提供新的思路。

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第一章 绪 论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 等离子量子点太阳电池国内外研究历史与现状

1.3 本文的主要创新与贡献

第二章 研究的理论基础

2.1 太阳光与太阳电池的工作原理

2.2 量子点太阳电池理论

2.3 等离子体激元太阳电池理论

2.4 本章小结

第三章 研究方法

3.1 样品的生长、加工和表征

3.2 基于FDTD的分析

3.3 本章小结

第四章 结果讨论

4.1 未刻蚀前的纳米星增强作用

4.2 刻蚀后的纳米星增强作用

4.3 论文的不足

4.4 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 全文结论

5.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果