新颖纳米结构导电薄膜的光电特性及应用研究

摘要

纳米结构导电薄膜具备独特而有趣的光电学特性，并且在许多领域有很重要的应用，如透明电极、纳米结构背电极等。透明电极是多种光电子器件的核心部件之一。金属纳米结构背电极在增强薄膜电池光吸收方面发挥着重要作用。本论文主要研究了制备大面积随机银纳米线(AgNW)网络透明电极及改善其性能的方法，还介绍了一种简便的制备二维纳米金碗阵列的方法，并将金碗阵列作为背电极增强非晶硅薄膜的光吸收。
　　首先简介了各种类型的透明电极及非金属和金属陷光结构的发展现状，然后以渗透理论为基础对随机Ag NW网络的光电学性能进行了理论分析，并介绍了自建的各种测试系统以及一些通用的实验方法。
　　在透明电极方面，提出了一种PMMA辅助旋涂的方法以制备在大面积范围内（4英寸熔石英玻璃衬底）光透射率高(～91％)、导电性好（Rsh＜20Ω/□）并且性能均匀、稳定性好的随机Ag NW网络透明电极，系统探索了Ag NW PMMA悬浊液浓度、匀胶第二阶段转速等关键参量对最终得到的AgNW光电学性能的影响。还成功将此方法推广到柔性衬底上，制备出5×5cm2的PDMS柔性透明电极。紧接着，通过实验证明，用与自然太阳光功率密度(0.1W/cm2)相当的阳光照射用上述PMMA辅助旋涂方法制备的Ag NW网络，就能使其Rsh取得与200℃热处理几乎相同的改善效果，而前者对柔性衬底几乎没有影响。通过基于有限元方法的数值仿真方法和改变光照强度的系列实验，阐明，光照导致的Ag NW网络性能改善可能源于Ag NW-Ag NW交叉接触点处由等离子体效应产热引起的PVP去除和线-线轻微焊接。还证明，经光照改善后的Ag NW网络有优良的抗弯折性能，并将之应用到薄膜加热器和解冻器中。
　　就纳米结构背电极而言，介绍了一种以自组装形成的聚苯乙烯小球阵列为模板结合PMMA辅助转移的方法制备二维六角密集排布的纳米金碗阵列的方法，用自建的系统测量了纳米金碗阵列及金纳米球壳阵列（即倒置的金碗）的反射谱和透射谱，计算得到其吸收谱;结果表明，在＞620nm的长波阶段，前者的吸收弱于后者，这主要是因为前者在该波段反射太高。但沉积上60nm厚的非晶硅薄膜后，纳米金碗阵列的吸收变得明显好于金纳米球壳阵列，在380-880nm内平均吸收达到0.82。为了理解两者在溅射非晶硅薄膜前后截然相反的表现，用时域有限元差分方法对它们在不同波长处的电场分布进了仿真，还通过实验系统地研究了非晶硅厚度对其整体光学性能的影响，结果表明，顶层a-Si膜层在两种纳米结构中的SPPs激发和电场分布的调节中扮演着极其重要的作用。还建立了精确的三维光电混合仿真模型以系统地研究基于纳米金碗阵列的太阳能电池的陷光特性及光生载流子的产生、输运和复合过程。数值仿真结果显示，该电池的陷光特性优于基于反转金碗（即金纳米球壳）阵列和平面金膜的电池;尽管复合速率较高，它仍然具有远高于后两者的短路电流（14.62mA/cm2）;虽然局部电流反转使得它的开路电压略低于后两者，纳米金碗电池仍然有13.83％的光电转换效率，比平面对照电池和金纳米球壳电池分别高出25.73％和6.71％。
　　最后总结了本论文并对随机Ag NW网络透明电极及金属纳米结构背电极值得继续研究之处进行了展望。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 透明电极及其研究进展

1．2．1 透明导电氧化物(TCO)

1．2．2 新颖透明导电薄膜

1．2．3 随机银纳米线透明电极

1．3 金属纳米结构背电极及其在薄膜光伏中的应用

1．3．1 薄膜光伏研究进展

1．3．2 非金属陷光结构

1．3．3 金属陷光结构

1．4 本论文的研究内容和创新点

第2章 金属纳米结构薄膜的制备及表征

2．1 银纳米线网络

2．1．1 银纳米线的合成

2．1．2 随机银纳米线网络的制备

2．1．3 银纳米线网络的光电性能

2．1．4 银纳米线网络的光电及机械性能测试

2．2 纳米金碗阵列的制备和测试

2．2．1 二维聚苯乙烯小球阵列的制备工艺研究

2．2．2 溅射原理及工艺研究

2．2．3 反射谱测试

2．3 本章小结

第3章 大面积随机银纳米线网络的制备、性能优化及应用

3．1 基于光刻胶辅助旋涂的方法制备大面积范围内均匀的随机银纳米线网络透明导电薄膜

3．1．1 实验过程

3．1．2 硬性衬底上的均匀银钠米线网络

3．1．3 柔性透明电极

3．1．4 应用实例研究

3．2 利用太阳光照改善银纳米线间接触电阻

3．2．1 实验步骤和仿真方法

3．2．2 利用太阳光照改善银纳米线间接触电阻的物理机制研究

3．2．3 利用太阳光照改善银纳米线间接触电阻的应用研究

3．3 本章小结

第4章 纳米金碗背电极及其在非晶硅光伏中的应用

4．1 金属纳米碗阵列及其制备

4．1．1 纳米金碗制备方法简介

4．1．2 实验过程

4．2 纳米金碗结构的陷光机制研究

4．2．1 形貌分析

4．2．2 反常陷光增强效应

4．2．3 非晶硅薄膜厚度的影响

4．2．4 数字仿真及结果分析

4．3 基于纳米金碗阵列的高效非晶硅电池

4．3．1 结构及三维光电混合仿真方法

4．3．2 优异的光电转换效率

4．3．3 光学分析

4．3．4 电学分析

4．4 本章小结

第5章 总结和展望

参考文献

作者简介

在攻读博士学位期间发表的学术论文及申请的发明专利