金屬納米粒子對硅薄膜太陽能電池光吸收效率影響的研究

榮融　厲寶增

摘 要：近年來開發研制硅薄膜太陽能電池以減少硅片原材料的消耗來降低硅太陽能電池的成本成為熱點領域。文章具體對硅薄膜太陽能電池的背景、分類及其特點進行了相關探討，簡要說明了金屬納米粒子中具有代表性的銀金屬納米粒子，并且分析了不同結構的銀納米粒子集成于硅薄膜后引起太陽能電池對太陽光吸收效率產生的影響，力求通過文章，對這種新型的增強光吸收效率的方法進行宏觀的認識。

關鍵詞：金屬納米粒子；硅薄膜太陽能電池；研究分析；宏觀認識

1 硅薄膜太陽能電池發展背景簡介

能源，作為21世紀的重要話題近年來被逐漸關注，隨著各個國家和地區的發展和進一步科技的提高，能源的消耗也在迅猛增加，其中可再生資源的利用越來越受到關注。在眾多可再生資源中，太陽能作為一種取之不盡用之不竭的綠色可再生能源被逐漸重視起來，其中如何將太陽能利用效率進一步提升一直是各國科研工作者不斷追求的目標。其中重要的轉換方式和媒介就是——太陽能電池，它是一種能夠直接將太陽能能源轉化為電能能源而被進一步利用的裝置，為了提高太陽能電池的光吸收效率，科學家一方面對半導體材料本身進行著大量的研究，希望可以獲得具有高載流子遷移率的新型半導體材料。另一方面，還要通過進一步改變已經開發出來的太陽能電池的各項結構進行改良，并逐漸發展出結構上為體異質結、多異質結以及光限制結構等各種方法。其中，在1994年由Meier博士首次報導，由其團隊開發的第一塊納米硅薄膜太陽電池以來，納米硅薄膜太陽電池就以其幾乎無光致衰減效應而受到人們的廣泛關注，其實驗室最高效率已達 10.3%。其中，硅薄膜太陽能電池集成金屬納米粒子成為了一個具有代表性的研究課題和方向，被廣大科研工作者所研究，并對其進行了大量的論證實驗和理論研究工作。

2 硅膜太陽能電池主要分類及其主要特點

針對于硅薄膜太陽電池分類主要包括：氫化非晶硅太陽電池、氫化納米硅太陽電池，以及由氫化非晶硅和納米硅太陽能電池構成的雙結或多結疊層太陽電池結構。硅薄膜太陽電池具有眾多優異的特點，其分布于自然界中的材料豐富，消耗能量小，沒有毒性，成本低廉，可以大面積沉積，是一種具有巨大潛力的材料，可以大規模生產太陽能電池。但是由于在長波段的吸收系數比較小，而且硅薄膜太陽電池的厚度十分有限，因此，采取合適的金屬納米粒子集成在硅薄膜電池上的方法，可以增加太陽電池對太陽光的吸收，對提高太陽電池的光電轉換效率有著十分重要的作用。

3 提高太陽能電池光吸收效率的方法及原因

提高太陽能電池光吸收效率的方法主要有：（1）制作一種表面為透明導電膜絨面的結構，使硅薄膜電池表面接收到的太陽光在透明導電膜與硅薄膜的界面之間發生光散射效應，增加入射太陽光在太陽電池內部傳播時的光程，這樣的結構可以大大增加太陽電池對光的吸收。（2）采用小顆粒金屬納米粒子增強光吸收效率的方法，它之所以能夠改變太陽光吸收效率的原因是，光照引起金屬納米粒子局域表面等離子體共振效應。（3）利用大顆粒金屬納米粒子（大于100nm）的等離子體共振效應增強太陽光散射能力。該散射與幾何散射不同，是一種與入射光的波長有關的散射。當在晶體硅和非晶硅太陽能電池表面制備了大顆粒金屬納米粒子時，等離子體共振效應可以大大增強太陽光光散射對太陽能電池光吸收效率。（4）利用大面積沉積制備小顆粒納米粒子，通過蒸鍍方法將其集成在特殊結構的氫化非晶硅，提高其對太陽光的吸收效率。

4 金屬納米粒子對硅薄膜太陽能電池光吸收效率影響研究分析

金屬納米粒子中具有代表性的粒子為銀納米粒子，也是目前為止各國研究人員重點研究的金屬納米粒子之一，下面結合兩種通過改變納米粒子膜層厚度和改變納米粒子聚集形狀的方法對金屬納米粒子硅薄膜太陽能電池光吸收效率的影響分析。

將銀納米粒子集成在硅薄膜太陽電池中，隨著銀納米粒子厚度從20nm-40nm膜層變化時，間接增加了納米結構中納米粒子的平均縱向高度和橫向寬度，其背反射器散射光譜范圍和強度得到提高，使其對太陽光吸收面積增大，提升了太陽能電池對光的吸收效率。但是當繼續提升膜層厚度為50nm時，由于納米結構中納米粒子的整體橫縱高度和寬度的減小。其表面不均勻性的增加，以及集合粒子后散射光譜明顯降低，其使光吸收效率明顯降低。所以對于金屬納米粒子膜層厚度是其中影響太陽能電池對太陽光吸收效率影響的重要因素之一。

另外，納米粒子的形狀也對硅薄膜對太陽光的吸收效率具有很大的影響，將金屬納米粒子制作成為一個具有島狀顆粒的硅薄膜形式的太陽能電池。由于特殊結構和納米粒子微小結構的獨特光電性能，使得光在其內傳播的面積和光程被加大，進而進一步提高了太陽光的綜合利用效率，其中，在生物探測領域，輻射衰變與硅薄膜太陽能電池等領域被廣泛的使用。另外通過實驗和研究證明，在島狀薄膜中，一種集合高密度小顆粒硅薄膜的結構被發現，他對于提高硅薄膜太陽能電池對太陽光的吸收效率具有重要的作用。

5 結束語

隨著金屬納米粒子硅薄膜太陽能電池技術的創新性發展，通過不斷的改變和挖掘金屬納米粒子的各項性質，將會使太陽能電池對太陽光吸收的效率獲得進一步提升。同時，文章通過探討硅薄膜太陽能的發展，對金屬納米硅薄膜太陽能電池提高光吸收效率的方法進行簡單敘述，了解其中的原因。最后對典型的銀納米粒子為代表的金屬納米粒子厚度和形狀對其光吸收效率的影響進行了探討，使人們對于金屬納米粒子對硅膜太陽能電池技術有了基本的宏觀認識。

參考文獻

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