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新型银纳米点增强非晶硅薄膜的光吸收

2013-06-17 15:06
魏丁小陆
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  当前,提高薄膜太阳能电池的效率是大家所关注的研究课题。除了表面绒化和抗反射层外,金属纳米图形对于增强薄膜太阳能电池的吸收已引起更多的注意。以前的研究表明,不同直径的金属纳米点能在800nm处将光电子流提高数倍。为了研究金属纳米点对增强吸收的作用,纳米点的尺寸和分布必须均匀。有几种方法已用于制造金属纳米图形,例如常规的光刻和自组装技术。但是,这些方法有一些缺点,如产出低或设备成本高。采用阳极氧化的超薄氧化铝(AAO)膜作为淀积掩膜被认为是低成本制作纳米图形的潜在方法,因为它们在大面积上的面密度高,且尺寸分布窄。本研究中,我们用超薄AAO模板在玻璃衬底上制备了Ag纳米点,研究了氢化非晶硅(a-Si:H)薄膜因这些Ag纳米图形而增强的光吸收。

  实验

  AAO模板是在0.3M草酸(C2H2O4)溶液通过铝片的二步法阳极氧化工艺制作的。阳极氧化处理前,铝片用丙酮进行脱脂处理,然后在H2SO4和H3PO4的混合溶液中进行电化学抛光。第一次阳极氧化是在固定电压40V下进行的,用冷却系统把电解液温度保持为0℃。然后把阳极氧化的Al片浸没在6wt%H3PO4中,除去在第一次阳极氧化时形成的氧化铝层。在与第一次阳极氧化工艺相同的条件下进行第二次阳极氧化步骤,不过时间短一些。留下的Al箔和底部的阻挡层分别在基于CuSO4溶液和6wt%H3PO4中刻蚀。

  得到了通孔AAO膜,接着转移到玻璃衬底上。用电子束蒸发通过AAO模板制备Ag纳米点。然后用3MNaOH溶液将AAO模板刻蚀掉,在玻璃衬底表面留下Ag纳米微粒。接着,用等离子增强化学气相淀积(PECVD)在Ag图形玻璃衬底上生长a-Si:H薄膜,再在玻璃背面涂Ag膜。为了比较,也在玻璃上淀积a-Si:H薄膜,而没有Ag纳米点。用扫描电子显微镜(SEM)观察AAO膜和Ag纳米点的表面形貌,确定它们的特性。用UV-VIS-NIR分光光度计研究如此淀积的Ag纳米点和Si:H薄膜的光学性质。

  结果和讨论

新型银纳米点增强非晶硅薄膜的光吸收

图1

  图1是孔径约80nm的AAO膜表面形貌和截面图的SEM图像。由于AAO是用二步法阳极氧化制备的,可以得到孔径及孔间间距分布窄的有序孔结构,见图1(a)。从图1(b)可以证实,在AAO膜底部的氧化铝阻挡层已彻底除去,这使膜能用作真空蒸发时的遮蔽掩膜。AAO的孔径及厚度可以分别用调节孔加宽处理和第二次阳极氧化的加工时间控制。本研究中用的AAO膜的厚度为500nm。

新型银纳米点增强非晶硅薄膜的光吸收

图2

  图2是Ag纳米点的SEM图像,其相应的淀积Ag厚度为20nm。由于阴影效应,Ag纳米点直径稍小于AAO膜的纳米点直径。根据测出的Ag纳米点直径,平均直径约70nm。玻璃衬底上Ag纳米点的吸收谱示于图3。Ag纳米点的表面等离子共振(SPR)效应可以用SPR波长确定,它与谱图的主峰相应。如图3所示,Ag纳米点SPR波长峰值在454nm处。与淀积在玻璃衬底上无Ag纳米点的a-Si:H膜比较(见图3),在Ag图形化衬底上的a-Si:H膜在较长的波长(>600nm)上有更高的光吸收。尽管有些光吸收可能来自金属纳米微粒本身,我们认为Ag纳米点是有效地增强了a-Si:H膜的光吸收。吸收的增强可能与Ag纳米结构的等离子体增强光散射有关。入射光以a-Si:H光活性层的陷波波导模式被共振散射,通过衬底上Ag纳米点与表面等离子体的相互作用,显著增加了光在a-Si:H层中的光学路径。

新型银纳米点增强非晶硅薄膜的光吸收

图3

  总之,我们成功地用基于AAO模板淀积在玻璃衬底上制作了Ag纳米点阵列。玻璃上Ag纳米点阵列的存在提高了a-Si:H光活性层在长波长区的光吸收。

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