金属纳米颗粒光散射特性研究.doc

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1、金属纳米颗粒光散射特性研究国家重点基础研究发展计划（批准号：2011CB201606）和国家自然科学基金（批准号：11204276）资助的课题张宇杰,杨仕娥通讯作者：杨仕娥（1973-），女，博士，副教授。E-mail：yangshie@zzu.edu.cn,陈永生,郜小勇,谷锦华,卢景霄（郑州大学物理工程学院材料物理教育部重点实验室,河南郑州450052）摘要:采用基于有限元的数值模拟方法，建立了微晶硅衬底上单个金属纳米颗粒与光相互作用的三维（3D）模型，分别计算了不同半径的Ag、Al、Au和Cu球状纳米颗粒的散射截面、吸

2、收截面、散射效率及耦合效率。结果表明：随着金属纳米球半径R的增大，表面等离激元偶极共振峰发生红移且展宽，同时颗粒的归一化吸收截面快速下降；在中长波段（500~1100nm），颗粒的散射效率随R的增大而增大，但耦合效率则呈现单调下降趋势。在相同尺寸的Ag、Al、Au和Cu颗粒中，Au和Cu的吸收截面较大，其中R=50nm时，Au和Cu颗粒的吸收截面甚至大于其散射截面，二者在中短波段（300~550nm）的散射效率明显偏低。另外，金属纳米颗粒的耦合效率对颗粒成分变化不敏感。关键词：金属纳米颗粒，表面等离激元共振，光散射，太阳电池

3、陷光0引言近年来，太阳电池在能源领域展现出了良好的应用前景，甚至被认为是解决人类所面临的能源危机的一个重要的途径[1]。要实现这一目标，必须大力开发高效率、高稳定、低成本太阳电池。与晶体硅太阳电池相比，各类薄膜太阳电池具有明显的低成本优势，其中，微晶硅薄膜电池以高稳定、节省原材料、低温大面积沉积、宽光谱响应等优点而备受关注。然而，由于微晶硅的光吸收系数较低，薄膜化后电池对太阳光谱中红光和近红外光的吸收显著下降，从而限制了太阳电池的短路电流和光电转换效率[2]。陷光(LightTrapping)技术是提高薄膜太阳电池光吸收的重

4、要手段[3]。近年来，利用金属纳米结构产生的表面等离激元改善电池陷光成为了光伏领域研究的热点[4]。例如，Derkacs等将直径为100nm的Au纳米球凝胶滴于非晶硅薄膜电池前表面，使电池的短路电流密度提高8.1%[5]。Yang等在硅太阳电池背面沉积Ag纳米颗粒，结果发现，与金属Al背反层相比，单层和双层Ag颗粒可使电池长波段（900~1200nm）的光电流分别提高11%和25.6%[6]。另外，金属等离激元在GaAs等化合物太阳电池[7]、有机太阳电池[8]及染料敏化太阳电池[9]中的应用也取得了许多可喜的研究成果。上述

5、金属等离激元陷光的物理机制主要归因于金属纳米结构的强散射效应或局域场增强效应[4]。在等离激元硅基太阳电池的制备中，通常将金属纳米颗粒沉积在电池的前或背表面，此时金属颗粒的光散射特性对其陷光效果有重要影响。金属纳米颗粒的光散射特性与颗粒的成分、尺寸、形状以及周围介电环境密切相关[10]。Tanabe[11]通过经典的电磁理论计算了空气中Ag、Al、Au、Co、Cr、Cu、Ni、Pd、Pt、Sn和Ti十一种球状纳米颗粒的光散射，发现Ag、Al、Au和Cu颗粒具有较高的光散射效率。Tomchuk等[12]研究了纳米颗粒的形状对光

6、散射截面的影响。然而，目前大部分研究工作是针对空气或均匀介质中的金属纳米颗粒的散射特性。在金属等离激元太阳电池的设计中，金属颗粒应具有高散射、低吸收特性。另外，只有进入电池光吸收层的散射光才可能对电池的光吸收有贡献，因此，除了散射和吸收截面外，金属颗粒的散射效率和耦合效率也尤为重要。本文采用有限元方法模拟了微晶硅底上Ag、Al、Au和Cu球状纳米颗粒的散射截面、吸收截面、散射效率和耦合效率，为微晶硅薄膜太阳电池陷光结构的设计提供理论依据。1模拟仿真采用基于有限元法的Comsol软件包模拟金属纳米颗粒的光散射特性。图1(a)为

7、三维几何模型，图1(b)为三维数值模型在x-z平面内的截面图。图1(b)中从下到上依次为半无限厚微晶硅（µc-Si）衬底、20nm厚的ITO透明导电膜和单个金属纳米颗粒，四周采用完美匹配层（PML）边界条件。太阳光从金属颗粒上方垂直入射，波长范围为300~1100nm。模型中微晶硅的光学常数取自本实验室椭圆偏振光谱测量结果，ITO的折射率取为1.9，各种金属颗粒的光学常数均取自文献[13]。(a)(b)图1(a)三维几何模型;(b)三维数值模型截面图Fig.1(a)3Dgeometrymodel，(b)Schematiccr

8、oss-sectionof3Dnumericalmodel通过求解麦克斯韦方程组，可得到图1(b)中PML以内各个区域的总电磁场及散射电磁场分布。在纳米颗粒外取一个虚拟的封闭球面，可定义颗粒的归一化散射截面Qsc如下：(1)式中，I0—入射光强度；S—颗粒的几何截面；Ssc—散射场的坡印廷