等离子振荡.docx

1、等离子振荡 电浆太阳电池从附近的本地化的金属纳米粒子的散射等离子体共振是一种很有前途的方法，增加了光吸收薄膜太阳能电池。已经观察到光的增强广泛的半导体及太阳能电池配置。我们回顾实验和理论的进步，近年来已经取得了，描述的基本机制的工作，并提供了一个对未来前景。1. Introduction 光伏有可能作出很大的贡献，以解决气候问题改变的。为了使化石燃料技术，具有竞争力的光伏电力2-5（根据当地的电力价格的一个因素需要降低价格从化石燃料产生） 。目前，基于晶体的太阳能电池市场的90的硅晶片，其厚度为200-300微米。太阳能电池组件的成本的40左右由结晶硅制成的硅晶片的成本。正因为如此，出现了一个

2、大量的薄膜太阳能电池在过去十年的研究。薄膜太阳能电池有厚度通常在1-2微米的范围内，并沉积在廉价的基板，如玻璃，塑料或不锈钢制成。它们是由多种半导体，包括碲化镉和铜铟联硒化物，以及无定形物和多晶硅。在所有的薄膜太阳能电池技术的一个主要限制是，它们的吸光度近带隙的光线是无效的，特别是间接带隙半导体硅。因此，结构的太阳能电池，使得光被困在里面，为了增加吸收率，是非常重要的。 因为硅是一种弱吸收剂，光捕获也可以用在硅片太阳能电池。为晶片细胞，大小为2-10微米的金字塔到表面刻蚀。对于薄膜太阳能电池厚度在微米范围内，与这些尺寸的表面纹理化是不适合的，因此，必须找到新的方法。这是可能实现的光捕获，通过形

3、成波长尺度纹理的基板上，然后在上面沉积的薄膜太阳能电池，光已经实现大幅增长，这种方式 1，2 。然而，粗略增加表面复合，半导体和半导体表面的结果沉积在粗糙的表面通常具有较低的材质。最近已经出现增加光吸收的一种新方法是利用散射贵金属纳米粒子兴奋的在其表面等离子体共振。在这种本文回顾在这一领域的最新进展，并讨论涉及的基本机制和改进的潜力。2. State of the art 金属颗粒的光学特性进行了研究，因为对时间的法拉第。在近几十年来，兴趣加剧，特别是由于发现拉曼散射可以增加几个数量级，通过使用金属纳米结构 3，4 。在此之后，出现了大量的工作在基本性能和应用电浆共振，尤其是在集成光学和生物传

4、感 5，6 。光敏感设备等离子体增强在该地区进行的开创性工作由斯图尔特和霍尔，表明增强因子18的光电流在波长为165 nm厚的硅绝缘体上的光检测器可达到800nm的使用银纳米粒子表面上的设备7。随后Schaadt等。沉积金纳米粒子的高掺杂的晶圆为基础的太阳能电池，获得增强高达80，在波长500 nm附近的8。 derkacs等。常用的金纳米粒子的薄膜上非晶硅太阳能电池转换效率实现了8的整体增幅9。近日，皮莱等。银粒子沉积1.25微米厚的绝缘层上硅太阳能细胞和基于平面薄片的细胞，并实现了整体的光电流增加33和19 10。互惠，金属纳米粒子也可以被用于增加光提取效率的发光二极管而事实上，皮莱等人。

5、已录得整体7倍的电致发光增强的薄的绝缘体上硅结构的发光二极管 10，11 。另据报道，由于粒子的等离子体增强其他半导体比硅。在这里，早期的工作是由斯滕策尔等。 ，谁报告增强光电流由ITO -酞菁铜 - 铟结构的2.7倍。威斯特等。报道增强注册成立的ITO和锌银簇酞菁太阳能电池12 。兰德等。增强效率超薄薄膜有机太阳能电池由于存在非常小（直径为5nm ）的银纳米粒子13。 morfa等。报告了工作效率提高1.7倍的有机散货异质结太阳能电池14。光电流的增加也被报道的CdSe / Si的异质结15 和提高载流子的产生已被观察到染料敏化TiO2薄膜16。最近，我们已经表明，理论上颗粒的形状是一个关键

6、参数确定陷光效率：路径长度增强薄膜高达30倍找到优化的形状17 。3. Basic mechanisms两个主要的基本机制已经被提出来解释光增强纳入或在太阳能电池上的光散射和近场浓度的金属颗粒光。每个机制的贡献主要取决于粒径，如何强烈的半导体吸收的太阳能电池单元的电气设计。本文专注于金属颗粒作为一种手段，以提高散射光捕捉到薄膜太阳能电池，因为它是在多数实验的后面的增强机制已报道的工作4 金属颗粒的光散射 金属纳米粒子等离子体共振波长附近的强散射光，这是由于在金属的传导电子的集体振荡。颗粒用的光的波长以下的直径，电偶极子模型的描述吸收和散射光。的散射和吸收截面18： （图）是粒子的极化率。在这里

7、， V是粒子体积， p为粒子的介电函数和m是嵌入介质的介电函数。我们可以看到，时p = - 2m粒子极化率时，会变得非常大。这是被称为表面等离子体共振。上面的表面等离子体共振散射截面能很好地超过该粒子的几何横截面。例如，在一个谐振在空气中有小的银纳米粒子的散射横截面大约十倍的横截面的粒子的面积。在这种情况下，一阶，用10的基板覆盖颗粒面密度可以充分吸收和散射入射光。光诱捕重要的是，散射比吸收更有效的，满足一个条件，对于较大的颗粒，由式如下。 （1） 。通常情况下，用直径为100nm的Ag粒子具有反照率（散射截面的散射和吸收截面的总和以上）超过0.9 。在这些较大规模的！动态的去极化和辐射阻尼重

8、要更正式准静态表情。 （1）和（2） 。此外，对于较大尺寸的等离激元的激发高阶模式（四极，八极）必须是考虑 1820 。发生动态的去极化，因为随着粒径的增加，传导电子整个粒子不再移动相。这将导致减少在去极化字段（这是由周围的偏振光有关的）在颗粒的中心21。其结果是，有一个减少的恢复力，因此红移颗粒中共鸣。对于颗粒尺寸是显着的散射，这种再辐射导致辐射衰减校正的准静态的极化率，而其效果是大大拓宽了等离子体共振22。红移和扩大一般预期是一个优势，随着颗粒尺寸的谐振太阳能电池的应用，因为应该发生在一个比较宽的波长光捕获范围和波长比较长的表面与准静态值贵金属粒子的共振波长。虽然增加的大小导致绝对值较大的

9、散射截面，这些影响导致降低的截面时，做归大小。纳入动态的去极化和辐射阻尼效应给予较大的消光光谱的许多功能合理准确的预测颗粒可以忽略不计的情况下，高阶多极的贡献23 ，24 。粒子形状也起着重要的作用，在上的金属纳米粒子的效果光电器件。如磁盘，有一个大的分数，它们的体积的颗粒形状附近的半导体可导致散射的光进入衬底的一个非常高的级分17。相反，Sundararajan等。已经表明，纳米粒子的聚集体，可导致光减少，必须考虑胶状的制造ofnanoparticle组件25点。他们还表明，纳米壳可能会导致光的涡流，这导致光产生的电流减少。对于具有低的带间吸收的金属，可以由所述的介电函数Drude模型，它描

10、述了一个应用的响应的阻尼，自由电子电子磁力场角频率：（公式） 这里批量的等离子体频率，由02 NE2/M=，其中N的密度是自由电子，为电子电荷，是一个电子和一个有效的质量0自由空间的介电常数。插入式。 （3）式。 （2）（在自由空间）（公式）因此，在自由空间中的一个球体的表面等离激元共振频率发生在 （）= 3 ，主要依赖于颗粒中的自由电子密度。的密自由电子是最高的，导致铝和银表面等离子体共振紫外光，黄金和铜低，导致在表面等离子共振可见。通过不同的介电常数的可调谐的谐振频率包埋剂：更高的指数导致红移的共振 26，27 的。图1显示了散射和消光（散射加吸收）的横截面为100 - 银纳米直径球体嵌入

11、在空气中，硅氮化物和硅，计算三重理论 18 ， 28 ，使用嵌合实验数据作为输入的介质的模型常量。截面的归一化的几何颗粒的截面。对于每一个包埋剂，偶极共振观察，峰值在390纳米，690纳米空气3N4和1190纳米（图1 ）以外的波长范围内对硅。波长较短四极，八极（在硅的情况下，十六极）也观察到共振。散射和消光光谱的比较，可以看出，高阶多极共振表现出反照率略低，但仍显示出显着的散射截面。本地的介电环境的贡献的等离激元共振的移位高阶多极需要被考虑为所有的太阳能电池的几何形状，但在特别是建议把太阳能电池的有源层内的金属纳米粒子。 （对于这样的建议也很重要，以确保半导体钝化上面的金属 - 半导体界面）

12、避免非常快速的电子 - 空穴对的复合。不同的底层介质调谐光增强的有效性频谱已经由B等人的实验和数值模拟表明。 29。这是有趣地注意到，在红外波长范围内所需的最陷光应用中，超过700 ， A，A的电介质的功能是非常相似的17。银，由于其下的吸收和更低的成本，因此是更好的选择比A ，但它必须是良好的封装，以避免氧化作用，不存在对A 。 X是便宜，但更吸收比欧。对于A1在1.5电子伏特的带间跃迁的影响原生氧化层上的散射横截面和反照率，需要考虑的30 。对于光俘获应用中，金属纳米粒子被放置在一个半导体到高折射率的基板，基板，以及优先散射光的角可以计算的偶极子在介质基片的散射分布与一些方法 31-33

13、。我们在这里集中默茨 33 ，它可以计算的方法散射横截面，以及辐射方向图在无损基板。在一个真正的显然必须考虑到光俘获应用程序中，在半导体衬底中的吸收帐户，这种方法提供了明确的物理见解。（图）1。（实线）和散射消光（虚线）的横截面直径为100纳米银微球嵌入在空气中（黑色），氮化硅（ = 2时，蓝）和（红色），归一化的投影球体的面积。在1190 处的峰和偶极共振范围之外的是的曲线图。图2（ ）示出了偶极子的电偶极子的辐射方向图的极坐标图平行于表面的时刻，指数为3.5以上的（无损）基板放置20纳米。该在自由空间中的电偶极子辐射模式绘制，以供参考。我们可以看到，为偶极子的硅表面之上，只有一个微小的，几

14、乎没有可见的，部分光辐射到空气中，而绝大多数（96） ，辐射到硅。该这个传递的能量从一个偶极子的高折射率基板的有效性已经被所指出的索勒等。 32 ，以及相关的高密度的光学模式内硅。的角度分布也显示了一个显着的部分光耦合到的角度超过16的临界角。这是因为散射光高平面波向量，消逝在空气中，可以在硅传播。图2（ ）示出从基板放置在20 和60 的电偶极子的辐射方向图，分别我们可以看出，在更大的距离从基板，一小部分的减少光被照射到衬底（例如， 84为从基板的偶极子60纳米） 。我们可以还可以看到，这一部分的耦合的光的临界角之外的距离减小偶极基板减小。（图）（一）辐射型态的一个点偶极子的方向平行的表面，

15、在距离20的衬底（蓝色虚线）。的可用空间的情况下的辐射方向图是显示引用（黑色实线）。 B）辐射模式为并行点偶极子20纳米（蓝色虚线）和60纳米（红色实线），从衬底散成厚的半导体器件和薄（如OI ）波导的光的部分是高出于同样的原因在每种情况下，这是非常高的密度与空气相比光学在模式。在波导管的情况下，小部分散到波导波长的光学模式接近截止。这是因为，切断附近渐逝场光学模式进一步延伸超出波导，所以位于渐逝场的纳米颗粒的相互作用增加了34 ，35 。但是，同样重要的是要注意，对于只有少数光学波导模式比较厚的基板的光学模式的密度降低也将趋于减少散射到波导的光的部分36。除了辐射模式的变化，也改变散射截面的

16、底物的存在。图3 （右轴）显示的散射截面的阴谋衬底上方的点偶极子，偶极子共振，假设没有阻值损失。光入射在垂直入射和散射截面的绘制相对在没有在衬底的横截面。相对散射横截面的减少靠近基板是由于驱动场的降低，由于干扰的入射和反射场。对于波导基片，将有可能增加或减小的散射截面，根据37的波长。现实的情况下，金属纳米粒子，表现出欧姆损失，归一化散射截面部分进一步调制由于本地附近的状态的光密度的变化接口 38，39 。图3还示出的光的分数的分数即散到基板的点偶极子为从基板的距离的函数。可以看出在图。如图2所示，散射分数随距离减弱。因此，不同距离的整体效果是一个折中之间增加的横截面，减少耦合组分17。最佳距

17、离是然后由吸收效率的半导体层，所要求的颗粒密度（这是关系到横截面） ，并在颗粒中的欧姆损失的程度。我们注意到，看到图。 1 ，银纳米粒子嵌入中显示有趣的高阶等离子共振的高反照率。这些高阶模式显示减少耦合到介电基片周围的粒子，因为该字段衰减快得多比偶极共振40。（图）归散射截面的散射光从一个点偶极子成硅基板，作为基板的距离的函数（蓝色虚线）。还绘制的散到衬底的距离为一个函数（红色实线）的光的分数。激发波长低于共振散射辐射的相位与入射的辐射（见方程（ 4） ） ，取决于频率的相位差，并作为因此散射光干破坏性的直接（非散射）入射光18。这导致了减少的光耦合到所述半导体，因此一个为波长低于共振波长的光

18、减少41。因此，出现最大耦合和最大光电流稍高于表面波长，散射截面是高的，但散射场仍然是大致与入射场的相位。在图3相位的影响已被删除让整体提高的影响因素分别进行评估。为了获得整体提高散到衬底的光的小部分，将需要结合的散射截面和相位信息。但是，因为相位变化只能慢慢直至非常接近的谐振波长，则该部分到衬底中散射的光，将给出一个很好的近似部分的总强度在衬底周围的光电流中的最大值的位置5. Conclusions and outlook已显示出本地化的表面等离子体提供大量的效率增强太阳能电池中的半导体材料和器件和颗粒几何形状的范围内。本文综述了许多金属光散射背后的基本概念纳米粒子的介电衬底上。还有更多的工作有待完成，以确定用于太阳能电池应用的最佳颗粒分布，考虑到帐户相互作用以及包括在与吸收衬底的相互作用的粒子之间的现实的方式。我们注意到，相对简单和廉价的方法制造这种大面积的纳米金属图案，使用软光刻技术，已经上市。Acknowledgments这项工作是该研究的方案斯蒂廷OOP 的O EP质料（OM），这是财政支持购买！的手背上 O（NO）。它是一部分的工业之间的合作伙伴计划OM和基金会壳牌研究。博士卡彻波尔是收件人的澳大利亚研究理事会奖学金（项目0880017）。