金属纳米粒子对硅薄膜太阳能电池光吸收效率影响的研究

荣融　厉宝增

摘 要：近年来开发研制硅薄膜太阳能电池以减少硅片原材料的消耗来降低硅太阳能电池的成本成为热点领域。文章具体对硅薄膜太阳能电池的背景、分类及其特点进行了相关探讨，简要说明了金属纳米粒子中具有代表性的银金属纳米粒子，并且分析了不同结构的银纳米粒子集成于硅薄膜后引起太阳能电池对太阳光吸收效率产生的影响，力求通过文章，对这种新型的增强光吸收效率的方法进行宏观的认识。

关键词：金属纳米粒子；硅薄膜太阳能电池；研究分析；宏观认识

1 硅薄膜太阳能电池发展背景简介

能源，作为21世纪的重要话题近年来被逐渐关注，随着各个国家和地区的发展和进一步科技的提高，能源的消耗也在迅猛增加，其中可再生资源的利用越来越受到关注。在众多可再生资源中，太阳能作为一种取之不尽用之不竭的绿色可再生能源被逐渐重视起来，其中如何将太阳能利用效率进一步提升一直是各国科研工作者不断追求的目标。其中重要的转换方式和媒介就是——太阳能电池，它是一种能够直接将太阳能能源转化为电能能源而被进一步利用的装置，为了提高太阳能电池的光吸收效率，科学家一方面对半导体材料本身进行着大量的研究，希望可以获得具有高载流子迁移率的新型半导体材料。另一方面，还要通过进一步改变已经开发出来的太阳能电池的各项结构进行改良，并逐渐发展出结构上为体异质结、多异质结以及光限制结构等各种方法。其中，在1994年由Meier博士首次报导，由其团队开发的第一块纳米硅薄膜太阳电池以来，纳米硅薄膜太阳电池就以其几乎无光致衰减效应而受到人们的广泛关注，其实验室最高效率已达 10.3%。其中，硅薄膜太阳能电池集成金属纳米粒子成为了一个具有代表性的研究课题和方向，被广大科研工作者所研究，并对其进行了大量的论证实验和理论研究工作。

2 硅膜太阳能电池主要分类及其主要特点

针对于硅薄膜太阳电池分类主要包括：氢化非晶硅太阳电池、氢化纳米硅太阳电池，以及由氢化非晶硅和纳米硅太阳能电池构成的双结或多结叠层太阳电池结构。硅薄膜太阳电池具有众多优异的特点，其分布于自然界中的材料丰富，消耗能量小，没有毒性，成本低廉，可以大面积沉积，是一种具有巨大潜力的材料，可以大规模生产太阳能电池。但是由于在长波段的吸收系数比较小，而且硅薄膜太阳电池的厚度十分有限，因此，采取合适的金属纳米粒子集成在硅薄膜电池上的方法，可以增加太阳电池对太阳光的吸收，对提高太阳电池的光电转换效率有着十分重要的作用。

3 提高太阳能电池光吸收效率的方法及原因

提高太阳能电池光吸收效率的方法主要有：（1）制作一种表面为透明导电膜绒面的结构，使硅薄膜电池表面接收到的太阳光在透明导电膜与硅薄膜的界面之间发生光散射效应，增加入射太阳光在太阳电池内部传播时的光程，这样的结构可以大大增加太阳电池对光的吸收。（2）采用小颗粒金属纳米粒子增强光吸收效率的方法，它之所以能够改变太阳光吸收效率的原因是，光照引起金属纳米粒子局域表面等离子体共振效应。（3）利用大颗粒金属纳米粒子（大于100nm）的等离子体共振效应增强太阳光散射能力。该散射与几何散射不同，是一种与入射光的波长有关的散射。当在晶体硅和非晶硅太阳能电池表面制备了大颗粒金属纳米粒子时，等离子体共振效应可以大大增强太阳光光散射对太阳能电池光吸收效率。（4）利用大面积沉积制备小颗粒纳米粒子，通过蒸镀方法将其集成在特殊结构的氢化非晶硅，提高其对太阳光的吸收效率。

4 金属纳米粒子对硅薄膜太陽能电池光吸收效率影响研究分析

金属纳米粒子中具有代表性的粒子为银纳米粒子，也是目前为止各国研究人员重点研究的金属纳米粒子之一，下面结合两种通过改变纳米粒子膜层厚度和改变纳米粒子聚集形状的方法对金属纳米粒子硅薄膜太阳能电池光吸收效率的影响分析。

将银纳米粒子集成在硅薄膜太阳电池中，随着银纳米粒子厚度从20nm-40nm膜层变化时，间接增加了纳米结构中纳米粒子的平均纵向高度和横向宽度，其背反射器散射光谱范围和强度得到提高，使其对太阳光吸收面积增大，提升了太阳能电池对光的吸收效率。但是当继续提升膜层厚度为50nm时，由于纳米结构中纳米粒子的整体横纵高度和宽度的减小。其表面不均匀性的增加，以及集合粒子后散射光谱明显降低，其使光吸收效率明显降低。所以对于金属纳米粒子膜层厚度是其中影响太阳能电池对太阳光吸收效率影响的重要因素之一。

另外，纳米粒子的形状也对硅薄膜对太阳光的吸收效率具有很大的影响，将金属纳米粒子制作成为一个具有岛状颗粒的硅薄膜形式的太阳能电池。由于特殊结构和纳米粒子微小结构的独特光电性能，使得光在其内传播的面积和光程被加大，进而进一步提高了太阳光的综合利用效率，其中，在生物探测领域，辐射衰变与硅薄膜太阳能电池等领域被广泛的使用。另外通过实验和研究证明，在岛状薄膜中，一种集合高密度小颗粒硅薄膜的结构被发现，他对于提高硅薄膜太阳能电池对太阳光的吸收效率具有重要的作用。

5 结束语

随着金属纳米粒子硅薄膜太阳能电池技术的创新性发展，通过不断的改变和挖掘金属纳米粒子的各项性质，将会使太阳能电池对太阳光吸收的效率获得进一步提升。同时，文章通过探讨硅薄膜太阳能的发展，对金属纳米硅薄膜太阳能电池提高光吸收效率的方法进行简单叙述，了解其中的原因。最后对典型的银纳米粒子为代表的金属纳米粒子厚度和形状对其光吸收效率的影响进行了探讨，使人们对于金属纳米粒子对硅膜太阳能电池技术有了基本的宏观认识。

参考文献

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