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表面等离激元共振效应赋能有机-硅基异质结太阳能电池：制备工艺与光电性能的深度剖析

一、引言

1.1研究背景与意义

在全球能源需求持续增长以及环境问题日益严峻的大背景下，开发和利用可再生清洁能源已成为解决能源危机与环境问题的关键举措。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，具有清洁无污染、分布广泛等显著优点，在众多可再生能源中脱颖而出，成为了全球能源领域的研究热点。太阳能的利用方式丰富多样，其中太阳能光伏发电凭借其独特优势，在能源供应体系中占据着愈发重要的地位。它能够将太阳能直接转化为电能，具有高效、便捷等特点，且不受地域和时间的严格限制，无论是广袤的沙漠地区，还是城市的屋顶、墙面，都能实现光伏发电。近年来，光伏发电技术发展迅猛，成本持续降低，其应用范围也不断拓展，从偏远地区的独立供电系统，到城市中的分布式能源项目，再到大规模的太阳能发电站，光伏发电已逐渐融入人们生活的方方面面。

在光伏发电领域，太阳电池作为核心部件，其性能的优劣直接决定了光伏发电系统的效率和成本。硅基太阳电池由于硅材料资源丰富、成本相对较低、技术较为成熟等优势，在目前的市场中占据主导地位。然而，传统硅基太阳电池的光电转换效率逐渐接近其理论极限，进一步提升面临着诸多挑战。有机-硅基异质结太阳能电池作为一种新型的太阳能电池结构，近年来受到了广泛关注。它将有机材料与硅材料相结合，综合了两者的优势，具有制备工艺简单、成本低、可柔性化等特点，有望成为下一代主流的太阳能电池技术。该电池通过在硅片上构建有机-硅异质结结构，巧妙地利用了有机材料对光的高吸收系数以及硅材料优异的载流子传输特性，有效地降低了表面复合速率，极大地提高了载流子的收集效率，从而实现了较高的光电转换效率。与此同时，有机-硅基异质结太阳能电池的制备过程相对简单，无需高温、高压等复杂工艺，这不仅降低了生产成本，还减少了对环境的影响，符合未来太阳能电池低成本、高效率、绿色环保的发展趋势。

表面等离激元共振（SurfacePlasmonResonance，SPR）效应是指当光在金属或金属/介质界面发生全内反射时，如果入射角满足特定条件，金属表面的自由电子会振荡，产生表面等离激元，导致光的强烈吸收或散射。将SPR效应引入有机-硅基异质结太阳能电池中，可以有效地增强光与电池材料之间的相互作用，提高光的吸收效率，从而进一步提升电池的光电转换效率。具体来说，当金属纳米结构引入到电池中时，在特定波长的光照射下，金属表面会激发表面等离激元，这些等离激元会产生强烈的局域电磁场增强效应，使得周围的光场强度大幅提高，从而增加了有机材料对光的吸收。此外，表面等离激元还可以通过近场耦合作用，将能量传递给有机材料中的电子，促进载流子的产生和分离，提高电池的短路电流和填充因子，进而提升电池的整体性能。

本研究聚焦于基于表面等离激元共振效应的有机-硅基异质结太阳能电池的制备及光电性能研究，具有重要的理论意义和实际应用价值。从理论层面来看，深入探究表面等离激元共振效应与有机-硅基异质结太阳能电池性能之间的内在联系，有助于揭示光与物质相互作用的微观机制，丰富和完善太阳能电池的光电转换理论，为新型太阳能电池的设计和优化提供坚实的理论基础。在实际应用方面，通过优化电池的制备工艺和结构设计，充分利用表面等离激元共振效应来提高电池的光电转换效率，可以降低光伏发电的成本，推动太阳能在能源领域的广泛应用，对于缓解全球能源危机、减少对传统化石能源的依赖以及应对气候变化具有重要的现实意义。此外，本研究成果还有望为其他类型太阳能电池的性能提升提供新思路和方法，促进整个太阳能光伏产业的发展。

1.2国内外研究现状

在有机-硅基异质结太阳能电池制备及性能研究方面，国内外学者已取得了一系列成果。在制备工艺上，化学气相沉积（CVD）、溶液旋涂、真空蒸镀等技术被广泛应用。例如，通过CVD技术在硅基板上沉积高质量的有机物活性层，能够精确控制活性层的厚度和均匀性，从而提高电池性能；溶液旋涂技术则因其操作简单、成本低廉，在实验室研究和小规模生产中得到了广泛应用；真空蒸镀技术可以制备出高质量的透明电极，改善电池的接触性能。在电池性能优化方面，研究人员通过优化有机材料与硅材料的界面，引入界面修饰层，有效地降低了界面复合，提高了开路电压；对有机活性层的厚度进行精确调控，实现了更宽范围的光谱吸收，提升了电池的光电转换效率；对硅表面进行微观结构调控，如制备金字塔结构，增强了光的陷获效应，进一步提高了电池的性能。

关于表面等离激元共振效应在太阳能电池中的应用，国内外研究也取得了显著进展。通过在电池中引入金属纳米结构，如银纳米颗粒、金纳米棒等，成功激发了表面等离激元共振效应，增强了光的吸收和散射，提高了电池的短路电流。研究发现，金属纳