等离子体太阳能电池.

在准静态近似下，共振增强极化将引起金属纳米颗粒周 围的电场增强，其大小随离开金属表面的距离迅速衰减。此 外，共振增强极化还伴随着金属纳米颗粒对光的散射和吸收 效率的增强，通过计算可以得到散射截面Csca与吸收截面Cabs
公式中a代表颗粒尺寸，当a远小于λ时，Cabs∝a3， Csca∝a6。随着颗粒尺
寸增加到100nm左右时，消光主要由散射支配，我们可以利用这种性质
把金属纳米颗粒集成在薄膜太阳能电池上以增强光吸收。
表面等离子体极化激元（SPP）
当入射光照射到有金属膜结构的器件时，在金属膜和介质界面 上也能产生表面等离子体共振，形成SPP模。 SPP是金属表面 自由电子与电磁场相互作用产生的沿金属表面传播的电子疏密 波。可见光照射到银表面产生的SPP能沿表面传播10~100μm， 对于近红外光能传播1mm。 SPP具有表面局域和近场增强两 个独特的性质。如图， SPP垂直于表面的场分布在金属和介质 中均随离表面距离的增加而呈指数形式衰减，因此在界面上是 高度局域的。
2，近场增强
半导体材料中的微小纳米颗粒 （直 径 5~20nm）可以作为入射太 阳光的有效亚波长天线，实现近场 增强，将表面等离子体波近场耦合 到半导体层增加有效吸收截面。为 了使天线能够有效地转换能量，半 导体材料吸收率必须很高，否则吸 收的能量耗散在金属的欧姆阻尼中。 因此，微小金属纳米颗粒激发表面 等离子体激元局域场增强常应用在 有机、染料敏化太阳电池和直接带 隙无机太阳电池中。
在金属中，价电子为整个晶体 所共有，形成所谓费米电子气。价 电子可在晶体中移动，而金属离子 则被束缚于晶格位置上，但总的电 子密度和离子密度是相同的，从整 体来说金属是电中性的。人们把这
种情况形象地称为“金属离子浸没
于电子的海洋中”。这种情况和气 体放电中的等离子体相似，因此可 以把金属看作是一种电荷密度很高 的低温（室温）等离子体，而气体 子体，电荷密度比金属中的低。
2000年，Westphalen等人 报道了银簇集成在ITO-ZnPc 染料太阳电池上，实验发现 有5nm的银的电池短路电流 增大。
3，表面等离属膜，入射光激发的 SPP 沿金 属和半导体界面传播， SPP的场 分布在金属和半导体中呈指数形 衰减，并且在界面上是高度局域 的，因此SPP在半导 体吸收层能 有效的陷光和导光。入射光激发 沿金属和硅界面传播高度局域的 SPP 模，沟槽附近局域场增强， 提高电池光吸收。
2007年，Pillai等人将银颗粒沉积在 SOI太阳电池和平面硅基电池上，在 整个太阳光谱范围内分别获得33% 和19%的光电流增长
2008年，Moulin等人报道将长 300nm、高50nm的椭圆形银纳 米颗粒集成在微晶硅薄膜太阳能 电池背反glass/Ag/TCO层上， 之后又直接在玻璃上沉积银颗粒。
金属亚波长沟槽结构式太阳电池
表面等离子体共振效应使局域场强度比入射场高出几个 数量级。表面等离子体共振时，入射光的大部分能量耦合到 表面等离子体波，使反射光的能量急剧减少，这可应用在太 阳电池中促进光吸收。 金属微纳结构激发表面等离子体激元增强光吸收主要有 三种机理：
1，金属颗粒散射
表面等离子体共振时，金属纳米颗粒散射截面远大于 其几何截面 。 例如，共振时空气中银纳米颗粒散射截面大 约是其几何截面的 10倍。散射光 以一定倾角在半导体中传 播，有效增加了光程。 2006年，Derkacs等人研究将50~100nm金纳米颗粒沉 积在非晶硅薄膜太阳能电池的ITO层上，金属纳米颗粒用于 亚波长散射元件将来自太阳光自由传播的平面波耦合和限制 在电池吸收层内。电池短路电流增加8.1%，效率增加8.3%。
金属板中电子气的位移
（上）金属离子（+）位于“电子海洋”中（灰 放电中的等离子体是一种高温等离 色背景），（下）电子集体向右移动
表面等离子体激元增强光吸收原理
入射光照射到金属表面，自由电子在电磁场的驱动下在金 属和介质界面上发生集体振荡，产生表面等离子体激元，它们 能够局域在金属纳米颗粒周围或者在平坦的金属表面传播。
表面等离子体激元增强 薄膜太阳能电池技术
概述
为了节省高材料以及降低生产成本，发展高效率薄膜太阳 电池将成为太阳电池研发的重点方向和主流。与传统晶体硅太 阳电池相比，高效薄膜太阳电池半导体吸收层更薄，为了尽可 能多地吸收太阳光和增强光电流，必须采用陷光技术。
目前，人们通常采用绒面TCO薄膜和高效背反射层来增强 薄膜太阳能电池的吸收效率。最近，研究人员又对金属纳米颗 粒激发表面等离子体激元增强硅薄膜太阳能电池、有机半导体 电池光电转换效率感兴趣。贵金属（如金、银、铜等）纳米颗 粒激发的表面等离子体共振频率主要在可见光或红外区，因此 可以利用其来增强太阳能电池的光吸收。
局域表面等离子体激元 （Localized Surface Plasmon, LSP) 表面等离子体极化激元 （ Surface Plasmon Polarization, SPP)
局域表面等离子体激元（ LSP ）
在入射光的照射下，在金属纳米颗粒或者金属表面具有 微结构或缺陷中，会形成局域化的表面等离子体共振。金属 纳米颗粒在可见光范围表现出很强的宽带光吸收特征，其实 质是由于费米能级附近导带上的自由电子在电磁场的作用下 发生集体振荡，共振状态下电磁场的能量被有效地转换为金 属自由电子的集体振动。金属纳米颗粒表面的等离子体共振 将会被局限在纳米颗粒表面，称为LSP共振。