光捕獲技術是提高太陽能電池光吸收率的有效方法之一，它可以減少材料厚度，從而降低成本。近年來，表面等離子體（SP）在這一領域取得了長足的進步。利用表面等離子體的光散射和耦合效應，可以大大提高太陽能電池的效率。

應用于太陽能電池的光捕獲解決方案的基本原理是減少從電池上反射的太陽光，延長太陽光通過電池的路徑，從而最大限度地吸收太陽光[1]。

表面等離子體陷光原理?

延長光路的常見方法是在電池中集成背反射器，或使用光捕獲結構多次散射光線，使其進入活性吸收層。在電池表面添加防反射涂層或在電池表面進行紋理處理，可以減少陽光的反射。通過散射將光部分轉化為引導光波，從而增加光子路徑長度，進而提高光吸收率。

利用等離激元陷光的常見微納結構有顆粒以及光柵等。納米結構的形狀、位置和顆粒特性也會對吸收增強效果產生影響。其中，金屬顆粒因其制備簡單的優勢被廣泛應用。

等離激元陷光原理

用于顆粒陷光結構的常見材質

? 實驗研究發現，在電池表面構建金屬納米顆粒或電介質材料的納米結構，可以增強電池對光子的吸收，從而提高太陽能電池的轉換效率。 用于產生等離子體效應的典型金屬納米粒子材料是貴金屬金和銀。但相比之下，鋁也因預算低、易于獲得、兼容性強以及在可調等離子峰位置的有效散射而備受關注。在之前的一項研究中，研究人員比較了銀、鋁和金納米粒子陣列的光電二極管性能。研究發現，在短波長范圍內，Al 納米粒子的發光效率優于 Au 和 Ag 納米粒子，這也是 Al 被應用于 GaAs 太陽能電池光捕獲的原因之一。

砷化鎵太陽能電池中還使用了銅及其氧化物。雖然銅在空氣中極易自然氧化，但仍可用于提高太陽能電池的光電效率。

不同材質顆粒對光的反射函數關系

除了單一種類的納米粒子外，還有兩種金屬納米粒子以非合金的方式集成到太陽能電池中。Lee 提出了一種由金和銀兩種金屬納米粒子混合物組成的光捕獲結構，并系統地研究了兩種納米粒子的尺寸和比例對光捕獲效果的影響。

混合顆粒的SEM圖像

目前應用于砷化鎵太陽能電池的大多數光捕獲機制都是金屬納米結構，但也考慮了其他介電材料，如二氧化硅。通過調整顆粒尺寸與分布，也取得了很好的陷光效果，提升了太陽能電池的光轉化效率。

用于太陽能電池陷光的二氧化硅顆粒

金屬納米結構的制備方法 ? ? 制備技術的可實現性對于等離子光捕獲結構至關重要。

制備方法不僅需要考慮納米結構的幾何形狀，還需要將材料的光學特性作為參考因素，并且該方法需要具有可重復性和高度可靠性，制備成本也是一個需要考慮的因素。

為了制備能更好地捕獲光線的納米結構，人們付出了很多努力。金屬納米粒子通常有兩種制備方法，即 "自上而下 "法和 "自下而上 "法。

自上而下法主要用于通過直接刻蝕獲得所需的金屬納米結構。常見的工藝包括聚焦離子束（FIB）、電子束光刻（EBL）和納米壓印光刻，這些工藝可以精確控制金屬納米顆粒的尺寸和形狀。然而，對于用于光捕捉的貴金屬來說，加工廢料嚴重且成本高昂。

自下而上的方法包括：納米多孔陽極氧化鋁（AAO）模板輔助沉積法、膠體旋涂法、金屬膜快速熱退火法等。 （1）AAO模板輔助沉積法

表面等離子體共振的波長受金屬納米粒子的形狀和間距影響，而利用 AAO 模板可以有效地調整納米粒子的尺寸參數。通過改變陽極氧化和刻蝕條件來調節 AAO 模板的孔徑，從而調節制備的納米粒子的尺寸。

利用AAO模板制備的銀納米顆粒SEM圖像，整體大小均勻

納米多孔 AAO 模板對于制備具有各向異性形狀均勻性的粒子非常有效，但面對復雜的粒子形狀（如圓柱形、圓錐形）時，很難制備，而且用 AAO 模板結合熱退火制備 NPs 的工藝成本較高，不利于復制。

（2）膠體旋涂法

將顆粒分散在有機溶劑中，利用溶劑的良好分散性將顆粒均勻旋涂在電池表面。而眾多分散溶劑中，PEDOT:PSS因其薄膜具有良好的光學性能和廣泛的兼容性引起了研究人員的關注，并被用于硅和有機太陽能電池的膠體旋涂分散溶劑。

（3）金屬膜快速熱退火法

金屬膜快速熱退火法因其簡單、高效、易于控制等優點被廣泛應用于納米粒子的制備。金屬納米粒子的制備分為兩部分：制備高純度和均勻的金屬薄膜，然后對薄膜進行快速熱退火，使薄膜中的孤島聚集成形狀規則的納米粒子。

研究人員利用退火電子束蒸發銀膜，在氮氣環境下制備了銀納米粒子[2]。不同尺寸納米粒子的對比實驗表明，利用尺寸為 6 nm 的銀膜的砷化鎵太陽能電池最大短路電流密度增強率為 14.2%。

不同薄膜制備的銀納米粒子的掃描電鏡圖像（退火前后對比）

與其他捕集結構相結合 ? ?

為了最大限度地提高捕集效率，捕集結構通常不會單獨使用，而是與兩種金屬納米結構或其他捕集方法（如背反射器或抗反射膜）結合使用。

組合多種金屬納米結構

背面的光捕獲結構通常與正面的結構結合使用，以達到最佳的光吸收效果。研究人員將優化的鋁納米粒子陣列引入到薄膜太陽能電池的前后表面（后表面指砷化鎵活性層內的后表面），發現陣列產生的表面等離子體效應和光柵效應顯著提高了光吸收率[3]。

模擬發現，隨著納米粒子半徑的增加，電池效率也在增加。原因是半徑大的納米粒子往往具有更大的散射面，這意味著更多的光被散射回活性層，納米粒子和電池之間的接觸面積越大，由此產生的近場效應也有助于提高光吸收率。

與背面反射器相結合的納米結構

為了解決薄膜太陽能電池吸收層過薄、導致太陽光直接透過而無法被充分吸收的問題，在太陽能電池背面增加反射器，可以將到達電池底部但未被吸收的太陽光反射回電池內部進行二次甚至多次吸收，從而提高電池的光吸收率[5]。

在 2014 年，科學家就提出了一種由周期性圓柱形銀納米顆粒和具有高反射率的分布式布拉格反射器（DBR）組成的高效捕光結構。布拉格反射器結構的原理是通過反射光在不同界面上的 "相長干涉 "來加強不同波長光的反射[4]。

電池結構示意圖

用于陷光結構中的二維材料 ? ?

除了常見的納米結構，新興的二維材料石墨烯也為太陽能電池效率的提高帶來了新的曙光。石墨烯是一種非常理想的二維材料，具有獨特的性質：反常量子霍爾效應和高本征載流子遷移率、恒定的光學透過率等，使其在光電器件中具有廣闊的應用前景。

有報道稱，石墨烯與半導體結合形成的混合異質結可大幅提高太陽能電池的轉換效率。由于石墨烯的零帶隙能帶結構，當石墨烯的化學勢大于一般光子能量時，導帶的帶內躍遷就會發揮重要作用。這使得石墨烯能夠支持表面等離子激元的傳播[6]。

石墨烯表面等離子激元的傳播集中在太赫茲和紅外波段。這一特性與金屬在可見光波段對表面等離子體的支持相輔相成，擴展了光譜范圍[7,8]。

結合石墨烯陷光結構的太陽能電池示意圖

總結 ? ? 在考慮等離子體納米捕獲策略是否適用于砷化鎵薄膜太陽能電池時，首先要考慮的是捕獲效率，其次是能否利用現有工藝手段實現捕獲結構。排列間距和陣列形狀可以通過仿真軟件輕松確定，但仿真中優化的最佳陣列尺寸能否在實際器件生產中實現，同時兼顧成本和性能，還有待觀察。

除了納米結構的尺寸和排列外，納米結構集成的位置也是制造過程中的一個問題。砷化鎵薄膜太陽能電池的有源層非常薄，只有幾微米或幾百納米，如何在指定位置將金屬納米結構集成到有源層是現有工藝面臨的一個挑戰。

即使有可能通過工藝手段將金屬納米結構集成到所需位置，大規模生產質量穩定的金屬結構的能力也是一個挑戰。同樣，在防反射涂層中嵌入納米粒子的組合也需要考慮到納米粒子的電特性。

在等離激元陷光結構探究之路上，吾輩依舊任重而道遠。

參考文獻

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[7]Zhu J, Hsu C-M, Yu Z, Fan S, Cui Y(2010), NanoLetters, 10? 1979-1984

[8]Green M A(2002) , Physica E-Low-Dimensional Systems &Nanostructures, 14? 65-70.

審核編輯：黃飛