表面等离子体聚焦调制及增强太阳能电池吸收研究

【摘要】：金属表面等离子体(surface plasmon),是目前纳米光子学中最引人注目的应用研究方向;借助于金属界面,或者金属纳米结构,它可以将电磁场高度局限在纳米尺度的范围之内,使得光近场区域场强得到大幅度的提高;表面等离子体激元(SPPs)和局域表面等离子体(LSP)分别是其中的两个组成部分。理论上,利用SPPs的传播特性,可以开发出亚波长尺寸的光子器件;而利用LSP的场局限作用,可以将发散的电磁能量高度汇聚在金属纳米结构的近场区域。基于这两方面的特性,本论文分别进行了两种应用研究: 1.为了研究远场超聚焦的可能,本论文研究了基于纳米孔结构的银薄膜等离子体透镜聚焦模型;调查了银薄膜的厚度对这种透镜聚焦效果的调制作用。利用时域有限差分法(FDTD),论文中分别计算和分析了一系列厚度的银薄膜透镜的光聚焦特性。仿真结果表明:一方面,由于SPPs的作用,该平板结构能够实现光聚焦,而且聚焦强度很高;另一方面,不同的银薄膜厚度,会得到不同的聚焦效果;增加银薄膜的厚度,会使得该透镜的焦距从近场,逐渐推移到远场;近场焦斑尺寸可以达到波长以下,而远场焦斑的大小略大于一个波长。 2.为了提高有机物薄膜太阳能电池的光电转化效率,论文中考察了一种内嵌有金属纳米粒子的复合型有机物太阳能电池材料。借助三维的电磁波仿真软件,文中建立了金属-有机物混合薄膜结构;并且通过仿真计算,对比分析了金属粒子阵列对太阳能电池的光子吸收效率的影响。数据表明,由于LSP的共振效应,金属纳米粒子可以起到光子吸收的增强作用;在材料中,改变金属纳米粒子的位置,大小,形状,阵列周期,会得到不一样的场分布,增强光子吸收的效果也有较大的差别。最后,通过一系列的对比分析,论文总结出了金属纳米粒子阵列的最优布局,为设计混合型有机物薄膜太阳能电池提供了很好的依据。 【关键词】：表面等离子体 等离子体透镜 金属纳米粒子 薄膜太阳能电池
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-16
• 1.1 引言9-10
• 1.2 金属表面等离子体发展概述10-12
• 1.3 金属表面等离子体聚焦成像研究进展12-13
• 1.4 金属表面等离子体在太阳能电池中的应用13-14
• 1.5 论文选题和研究内容14-16
• 第二章 金属表面等离子体相关原理16-32
• 2.1 光波中的金属模型16-18
• 2.2 金属与介质分界面上的表面等离子体激元（SPPs）18-25
• 2.2.1 单层分界面上的表面等离子体18-23
• 2.2.2 多层分界面上的表面等离子体23-25
• 2.3 纳米金属粒子的局域表面等离子体(LSP)25-29
• 2.3.1 亚波长尺寸金属粒子的准静态近似模型26-28
• 2.3.2 纳米金属粒子阵列中的LSP28-29
• 2.4 纳米孔阵列增强电磁透射原理29-31
• 2.5 金属纳米粒子增强太阳能电池吸收原理简介31
• 2.6 本章小结31-32
• 第三章 金属表面等离子体聚焦调制研究32-43
• 3.1 纳米孔等离子体透镜模型介绍33-34
• 3.2 纳米孔等离子体透镜的聚焦原理分析34-36
• 3.3 纳米孔等离子体透镜的聚焦调制仿真36-42
• 3.4 本章小结42-43
• 第四章 金属纳米粒子增强薄膜太阳能电池吸收研究43-59
• 4.1 金属-有机物纳米薄膜太阳能电池模型44-45
• 4.2 纳米复合薄膜增强光子吸收的仿真与分析45-56
• 4.2.1 金属纳米圆柱阵列位置变化对光子吸收的影响45-49
• 4.2.2 不同排列周期下的光子吸收情况49-50
• 4.2.3 圆柱体的直径对光子吸收的影响50-52
• 4.2.4 圆柱体的高度对光子吸收的影响52-53
• 4.2.5 其它形状纳米粒子的光子吸收谱53-56
• 4.3 光子吸收计算修正56-58
• 4.4 本章小结58-59
• 第五章 总结59-61
• 致谢61-62
• 参考文献62-66
• 攻硕期间取得的研究成果66-67

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