當(dāng)前，提高薄膜太陽能電池的效率是大家所關(guān)注的研究課題。除了表面絨化和抗反射層外，金屬納米圖形關(guān)于增強(qiáng)薄膜太陽能電池的吸收已引起更多的注意。以前的研究表明，不同直徑的金屬納米點(diǎn)能在800nm處將光電子流提高數(shù)倍。為了研究金屬納米點(diǎn)對增強(qiáng)吸收的用途，納米點(diǎn)的尺寸和分布必須均勻。有幾種方法已用于制造金屬納米圖形，例如常規(guī)的光刻和自組裝技術(shù)。但是，這些方法有一些缺點(diǎn)，如產(chǎn)出低或設(shè)備成本高。采用陽極氧化的超薄氧化鋁（AAO）膜作為淀積掩膜被認(rèn)為是低成本制作納米圖形的潛在方法，因?yàn)樗鼈冊诖竺娣e上的面密度高，且尺寸分布窄。本研究中，我們用超薄AAO模板在玻璃襯底上制備了Ag納米點(diǎn)，研究了氫化非晶硅(a-Si:H)薄膜因這些Ag納米圖形而增強(qiáng)的光吸收。

實(shí)驗(yàn)

AAO模板是在0.3M草酸(C2H2O4)溶液通過鋁片的二步法陽極氧化工藝制作的。陽極氧化處理前，鋁片用丙酮進(jìn)行脫脂處理，然后在H2SO4和H3PO4的混合溶液中進(jìn)行電化學(xué)拋光。第一次陽極氧化是在固定電壓40V下進(jìn)行的，用冷卻系統(tǒng)把電解液溫度保持為0℃。然后把陽極氧化的Al片浸沒在6wt%H3PO4中，除去在第一次陽極氧化時(shí)形成的氧化鋁層。在與第一次陽極氧化工藝相同的條件下進(jìn)行第二次陽極氧化步驟，不過時(shí)間短一些。留下的Al箔和底部的阻擋層分別在基于CuSO4溶液和6wt%H3PO4中刻蝕。

得到了通孔AAO膜，接著轉(zhuǎn)移到玻璃襯底上。用電子束蒸發(fā)通過AAO模板制備Ag納米點(diǎn)。然后用3MNaOH溶液將AAO模板刻蝕掉，在玻璃襯底表面留下Ag納米微粒。接著，用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(PECVD)在Ag圖形玻璃襯底上生長a-Si:H薄膜，再在玻璃背面涂Ag膜。為了比較，也在玻璃上淀積a-Si:H薄膜，而沒有Ag納米點(diǎn)。用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察AAO膜和Ag納米點(diǎn)的表面形貌，確定它們的特性。用UV-VIS-NIR分光光度計(jì)研究如此淀積的Ag納米點(diǎn)和Si:H薄膜的光學(xué)性質(zhì)。

結(jié)果和討論

圖1

圖1是孔徑約80nm的AAO膜表面形貌和截面圖的SEM圖像。由于AAO是用二步法陽極氧化制備的，可以得到孔徑及孔間間距分布窄的有序孔結(jié)構(gòu)，見圖1(a)。從圖1(b)可以證實(shí)，在AAO膜底部的氧化鋁阻擋層已徹底除去，這使膜能用作真空蒸發(fā)時(shí)的遮蔽掩膜。AAO的孔徑及厚度可以分別用調(diào)節(jié)孔加寬處理和第二次陽極氧化的加工時(shí)間控制。本研究中用的AAO膜的厚度為500nm。

圖2

圖2是Ag納米點(diǎn)的SEM圖像，其相應(yīng)的淀積Ag厚度為20nm。由于陰影效應(yīng)，Ag納米點(diǎn)直徑稍小于AAO膜的納米點(diǎn)直徑。根據(jù)測出的Ag納米點(diǎn)直徑，平均直徑約70nm。玻璃襯底上Ag納米點(diǎn)的吸收譜示于圖3。Ag納米點(diǎn)的表面等離子共振(SPR)效應(yīng)可以用SPR波長確定，它與譜圖的主峰相應(yīng)。如圖3所示，Ag納米點(diǎn)SPR波長峰值在454nm處。與淀積在玻璃襯底上無Ag納米點(diǎn)的a-Si:H膜比較(見圖3)，在Ag圖形化襯底上的a-Si:H膜在較長的波長(>600nm)上有更高的光吸收。盡管有些光吸收可能來自金屬納米微粒本身，我們認(rèn)為Ag納米點(diǎn)是有效地增強(qiáng)了a-Si:H膜的光吸收。吸收的增強(qiáng)可能與Ag納米結(jié)構(gòu)的等離子體增強(qiáng)光散射有關(guān)。入射光以a-Si:H光活性層的陷波波導(dǎo)模式被共振散射，通過襯底上Ag納米點(diǎn)與表面等離子體的相互用途，顯著新增了光在a-Si:H層中的光學(xué)路徑。

圖3

總之，我們成功地用基于AAO模板淀積在玻璃襯底上制作了Ag納米點(diǎn)陣列。玻璃上Ag納米點(diǎn)陣列的存在提高了a-Si:H光活性層在長波長區(qū)的光吸收。