金属纳米结构的表面等离子体激元提高有机太阳能电池光电转换效率的研究进展

第３３卷第４期２０１３年１２月 光　电　子　技　术ＯＰＴＯＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ　

ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ

Ｖ

ｏｌ．３３Ｎｏ．４Ｄｅｃ．２０１３檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸殠

殠

殠

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动态综述

金属纳米结构的表面等离子体激元提高有机太阳能电池光电转换效率的研究进展

＊

沙春芳１，

２

，李　衡１，杨　潇１，盛传祥１（１．

南京理工大学电子工程与光电技术学院，南京２１００９４；２．盐城师范学院物理科学与电子技术学院，江苏盐城２２４０００

）摘　要：介绍了应用金属纳米结构的表面等离子体激元提高有机太阳能电池效率的最新研究进展。表面等离子体激元的激发取决于纳米结构的材料、尺寸、形状、密度、和周围的电介质环境等参数。调控这些参数，可以有效利用金属纳米结构增加有机太阳能电池活性层的光吸收，同时金属纳米结构表面增强的电场可促进光激子解离为载流子。因此，应用金属纳米结构的表面等离子体激元将是进一步增加有机太阳能电池的光电转换效率的重要方案。

关键词：表面等离子体激元；有机太阳能电池；金属纳米颗粒

中图分类号：ＴＭ９１４．４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００５－４８８Ｘ（２０１３）０４－０２１７－

０９Ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｉｎ　Ｅｎｈａｎｃｅｄ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｓｏｌａｒ　Ｃｅｌｌｓ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ　ｂｙ

Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｐｌａｓｍｏｎｓ　ｏｆ　Ｍｅｔａｌｌｉｃ　

ＮａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓＳｈａ　Ｃｈｕｎｆａｎｇ１，

２，Ｌｉ　Ｈｅｎｇ１，Ｙａｎｇ　Ｘｉａｏ１，Ｓｈｅｎｇ　

Ｃｈｕａｎｘｉａｎｇ１

（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ａｎｄ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　

ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２

１００９４，ＣＨＮ；２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，

Ｙａｎｃｈｅｎｇ　Ｔｅａｃｈｅｒｓ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙａｎｃｈｅｎｇ　Ｊｉａｎｇ

ｓｕ　２２４０００，ＣＨＮ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｕｐ－ｔｏ－ｄａｔｅ　ｐｒｏｇｒｅｓｓｅｓ　ｏｆ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｐｌａｓｍｏｎｓ　ｏｆ　ｍｅｔａｌｌｉｃ　ｎａｎｏｓｔｒｕｃ－ｔｕｒｅｓ　ｆｏｒ　ｅｎｈａｎｃｉｎｇ　

ｏｒｇａｎｉｃ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｐｌａｓｍｏｎｓ　ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｉｎ　ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｄｅｐｅｎｄｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｍａｔｅｒｉａｌ，ｓｉｚｅ，ｓｈａｐｅ，ｄｅｎｓｉｔｙ，ａｎｄ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｂｅ　ａｄｊｕｓｔｅｄ　ｔｏ　ｅｎｈａｎｃｅ　ｌｉｇｈｔ　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｃｔｉｖｅ　ｌａｙ

ｅｒ．Ｆｕｒ－ｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｅｘｃｉｔｉｏｎｓ　ｉｎｔｏ　ｃｈａｒｇｅ　ｃａｒｒｉｅｒｓ　ｉｎ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｉｍ－ｐｒｏｖｅｄ　ｂｙ　ｓｔｒｏｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｆｉｅｌｄ　ｎｅａｒ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｏｆ　ｍｅｔａｌ　ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｄｉｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ａｐ－ｐｌｙｉｎｇ　ｍｅｔａｌｌｉｃ　ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｉｎ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌ　ｉｓ　ｄｅｅｍｅｄ　ａ　ｐｒｏｍｉｓｉｎｇ　ｗａｙ　ｔｏ　ｅｎｈａｎｃｅ　ｔｈｅ　ｐｈｏ－ｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　

ｆｕｒｔｈｅｒ．Ｋｅｙ　

ｗｏｒｄｓ：ｓｕｒｆａｃｅ　ｐｌａｓｍｏｎｓ；ｏｒｇａｎｉｃ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌ；ｍｅｔａｌ　ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ＊

收稿日期：２０１２－１０－２０基金项目：国家自然科学青年基金项目（６１００６０１４

）作者简介：沙春芳（１９７３—），女，讲师，硕士研究生，研究方向为有机太阳能电池的制备和性能研究；（Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈａｃｈｕｎ－

ｆａｎｇ

＠１２６．ｃｏｍ）李　衡（１９７４—），女，讲师，博士，主要从事有机薄膜光电材料的生长和光学研究；杨　潇（１９８８—）

，男，博士研究生，研究方向为有机太阳能电池和器件的制备和性能研究。

引　言

随着全球能源需求量的逐年增加，能源问题成为世界各国经济发展遇到的首要问题。太阳能作为一种绿色能源，取之不尽，用之不竭，是各国科研人员开发和利用的新能源之一。

传统的太阳能电池主要依靠硅等无机材料实现光电转换，虽然具有高效率、长寿命的优点，但因材料昂贵、制备工艺复杂、成本太高等因素一直限制其大规模应用。有机太阳能电池是二十世纪９０年代以来发展的新型太阳能电池。与无机太阳能电池相比，有机太阳能电池具有低成本、超薄、质量轻、制作工艺简单、可制备大面积柔性器件等突出优点，具有重要发展和应用前景，也已成为当今新材料和新能源领域最富活力的研究前沿之一。

为了提高有机光电池的光电转换效率，研究人员已经提出一些方法，如利用低带隙聚合物以吸收红光和近红外部分太阳光谱技术［１－２］、在活性层中陷光的应用［３］、改善活性层的薄膜形态［４］、和阳极工程增加内部电场［５］等。近年来，研究人员研究证明，金属纳米粒子和纳米结构的表面等离子体激元可广泛用于提高有机太阳能电池的光电转换效率［６－８］。

入射光照射到金属纳米结构上，其表面的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。表面等离子体激元具有表面局域和近场增强独特的光学特性，可用于提高活性材料的光吸收、解离光激子、从而提高光电池的光电转换效率，在有机太阳能电池方面有着重要的应用前景。

１　表面等离子体激元简介

金属纳米颗粒和纳米结构的表面等离子体激元包括局域表面等离子体激元（Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ　Ｓｕｆａｃｅ　Ｐｌａｓ－ｍｏｎ，ＬＳＰ）和表面等离子体极化激元（Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｐｌａｓ－ｍｏｎ　Ｐｏｌａｒｉｔｏｎ，ＳＰＰ）两种。ＬＳＰ和ＳＰＰ都具有表面局域特性，因为各自色散关系的不同，决定了它们是两种完全不同的激发态。ＬＳＰ局域在各种不同形貌的曲面上，是一种非传播模式，具有两维的空间局域性。ＳＰＰ的色散是一种传播模式，具有一维空间局域性。１．１　局域表面等离子体激元

对于金属纳米粒子，通常采用经典Ｍｉｅ模型来描述其光学性能。采用偶极子近似，在光波的电场力的激发下，导带电子的振荡产生了沿着电场力方向的振荡电偶极子。电子被驱动到纳米粒子的表面，其密度起伏相对于原子核的正电荷背景而言，形成一个正负离子的集体的振荡称为表面离子体激元，如图１所示［９］

。

图１　金属球形纳米颗粒的表面等离子体激元振荡原理图Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｏｆ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｐｌａｓｍｏｎ　ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｍｅｔａｌｓｐｈｅｒｅ　ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ

偶极型位移适用于尺寸较小的纳米粒子，此时介质球的消光系数ｋｅｘ可表示为［１０］：

ｋｅｘ＝

１８πＮＶε３／２

ｄ

λ

ε２

［ε

１＋２εｄ

］２＋ε２

２

（１）式中Ｎ表示粒子的个数，Ｖ为单个粒子的体积，λ是光波长，εｄ为周围介质的介电常数。ε１和ε２代表金属介电常数εｍ的实部和虚部，εｍ＝ε１＋ｉε２，依赖于光的频率ω。若ε２与ω关系不大，当式（１）中的ε１＋２εｄ＝０时，对应于共振吸收最大值，从而形成共振增强。因此，表面等离子体共振吸收发生在光频率ω满足共振条件：

ε１＝－２εｄ（２）假设可以用Ｄｒｕｄｅ模型描述导带电子对金属介电常数的影响得出：

εｍ（ω）＝１－

ω２ｐ

ω２＋ｉγω

（３）

这里ω

ｐ

为金属的等离子频率，γ是和等离子共振带宽有关的阻尼常数。由式（２）、（３）可得出，当球形金属纳米颗粒与入射光相互作用产生表面等离子体共

振时，其表面等离子体共振频率ωｓ

ｐｒ

为：

ωｓｐｒ＝

ωｐ

１＋２ε

槡ｄ

（４）式（４）说明，表面等离子体共振频率与周围介质的介

电常数εｄ相关。εｄ增加时，导致共振频率ωｓ

ｐｒ

红移。表面等离子体共振频率还依赖于纳米颗粒的种类、尺寸、形状和密度。

局域表面等离子体激元共振会在金属纳米粒子

８

１

２光 电 子 技 术第３３卷　

附近形成局域场增强效用。距半径为ｒ的纳米颗粒表面距离ｄ处的电场强度为［１１］：

ＥＭ＝Ｅ０［１＋ｒ３εｍ（ω）－ε

ｄ

εｍ（ω）＋２εｄ

１

（ｒ＋ｄ）３

］（５）

其中入射电场Ｅ０的系数１＋ｒ３εｍ（ω）－ε

ｄ

εｍ（ω）＋２εｄ

１（ｒ＋ｄ）３

即为局域场增强系数。当εｍ（ω）＋２εｄ取极小值时，即金属的介电常数的实部为－２εｄ，则可获得最大的局域场增强系数。与上面得出的式（２）中的共振吸收增强一致。这种等离子体激元共振形成的局域场增强效用可用于有机太阳能电池中促进光吸收。

１．２　表面等离子体极化激元

表面等离子体极化激元（Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｐｌａｓｍｏｎ　Ｐｏ－ｌａｒｉｔｏｎ，ＳＰＰ）用来描述平面情况下金属－电介质界面的激发。是光和金属表面的自由电子相互作用所引起的一种电磁波模式，在这种相互作用中，自由电子在与其共振频率相同的光波照射下发生集体振荡。它局限于金属与介质界面附近，沿表面传播，并能在特定纳米结构条件下形成光场增强，这种表面电荷振荡与光波电磁场之间的相互作用就构成了具有独特性质的ＳＰＰ。

根据麦克斯韦方程结合边界条件，可以计算得出ＳＰＰ的场分布和色散特性。通过计算得到的在金属与介质平坦界面上传播的ＳＰＰ波的色散关系［１２］：

ｋｓｐ＝ω

ｃ

εｍεｄ

εｍ＋ε

槡ｄ（６）

其中，ω是入射光频率，ｃ是光速，εｍ、εｄ分别为金属和电介质的介电常数。

ＳＰＰ激发时在界面上的极化电荷分布和电场示意图如图２［１３］所示，ＳＰＰ在垂直于金属表面的方向电场强度是呈指数衰减的，这对应于ＳＰＰ的表面局域特性。ＳＰＰ另一个独特的性质是近场增强，场增强的程度取决于金属的介电常数、表面粗糙程度引起的辐射损耗以及金属薄膜厚度等。利用表面等离子体极化激元高度表面局域和近场增强效应，同样可以用在有机太阳能电池中促进光吸收。

２　表面等离子体激元增强有机太阳能电池光吸收

有机太阳能电池光电转换效率低的原因主要有两方面：（１）有机半导体材料吸收光谱与太阳光光谱不匹配，导致光电转换效率低。如现在广泛采用的聚合物光电材料３－己基取代聚噻吩（ＲＲ－Ｐ３ＨＴ）和富勒烯（ＰＣＢＭ）

混合物，带隙都较高（大于１．６ｅＶ），

图２　（ａ）ＳＰＰ激发时在界面上的极化电荷分布　（ｂ）电场示意图

Ｆｉｇ．２　（ａ）Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｃｈａｒｇｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｉｎ－ｔｅｒｆａｃｅ　（ｂ）Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｆｉｅｌｄ　ｗｉｔｈ　ＳＰＰ

ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ

不能充分利用太阳能。（２）有机物材料多为无定形材料，结晶度较低，分子间作用力较弱，而光生载流子主要在分子内的共轭键上运动，在分子间的迁移则比较困难，从而导致光生载流子迁移率较低、寿命较短，光电池中有机薄膜的厚度一般只能在１００ｎｍ左右。这样的厚度对太阳光不能充分吸收，严重影响了光电转换效率。

金属纳米结构和纳米颗粒的表面等离子体激元具有独特的光学特性，可广泛用于提高无机和聚合物有机光电池的转换效率，提高的原因可归于三个方面如图３所示［１４］：

（１）纳米粒子和结构对光的散射，通过多重和高角度的散射，入射光数次通过半导体薄膜，增加了薄膜的光学厚度。对可见光有效地光散射需要金属纳米粒子的尺度在１００ｎｍ以上。

（２）５ｎｍ到２０ｎｍ的金属粒子和纳米结构可作为亚波长天线吸收光子，产生表面等离子体激元显著增强其周围的局域电场，促进了半导体材料的光吸收，增加了激子产生和解离的可能性。

（３）金属纳米结构和有机、无机材料的界面间，形成表面等离子体极化激元，同样将促进光的有效吸收和提高光电转换效率。表面等离子体极化激元（ＳＰＰ）是一个特别有效的能量传输机制，因为入射光转变成ＳＰＰ沿着金属界面横向传播，传播距离是装置厚度的数百倍并且被引导至活性层，提高了活性层的陷光能力。

３　研究进展

３．１　纳米颗粒对光电转换效率的提高

３．１．１　金属纳米颗粒金、银提高光电转换效率金属纳米颗粒金、银放在有机太阳能电池的缓

９

１

２

　第４期沙春芳，等：金属纳米结构的表面等离子体激元提高有机太阳能电池光电转换效率的研究进展

图３　表面等离子体激元增强太阳能电池光吸收的示意图Ｆｉｇ

．３　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｏｆ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｐｌａｓｍｏｎ　ｅｎｈａｎｃｅ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｌｉｇ

ｈｔ　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ冲层，利用金属纳米颗粒周围的表面等离子体激元共振产生的局域场增强效应，

从而增强纳米粒子周围活性层的光吸收，促进激子的解离，提高电池的光电转换效率。

２００８年，Ｍｏｒｆａ等人［６］

报道将银纳米颗粒沉积在Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ体异质结太阳能电池缓冲层ＰＥＤＯＴ：

ＰＳＳ之下的铟锡氧化物ＩＴＯ上，

如图４所示。在ＡＭ１．５光谱下，１ｎｍ厚银膜的电池与参考电池相比，

短路电流密度从４．６５ｍＡ／ｃｍ２

增加到６．９３ｍＡ

／ｃｍ２

，增加１．４９倍，光电转换效率从１．３１％增加到２．２３％，增加了１．７０倍。观察到在２ｎｍ厚银膜的电池

中，短路电流密度增加最大，从４．６５ｍＡ／ｃｍ２

增加到

７．３３ｍＡ／ｃｍ２

，增加１．５８倍。当银膜的厚度超过２ｎｍ时，

观测到短路电流密度呈下降趋势，效率也降低。实验结果表明电池性能的提高受纳米颗粒尺寸的影响。另外观察到在大于５００ｎｍ的波长处，有银膜的电池（除了４ｎｍ厚的银膜）的外量子效率增加较强。这是因为银纳米颗粒表面产生局域表面等离子体激元共振，加强了活性层的光电场，促进光吸收，电池的光电转换效率相应得到提高

。

图４　掺入薄银膜的有机太阳能电池结构示意图Ｆｉｇ．４　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｏｆ　ｏｒｇ

ａｎｉｃ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌ　ｄｅｖｉｃｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｉｎ　ｓｉｌ－ｖｅｒ　

ｆｉｌｍ２００８年，Ｋｉｍ等人［７］

利用脉冲电流沉积大小一

致的１３ｎｍ银纳米颗粒在Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ体异质结太阳能电池的缓冲层ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ中，如图５所示。实验得到电池的能量转换效率从３．０５％增加到３．６９％，这主要是因为受激的表面等离子激元附近的电磁场的加强，使得活性层共轭聚合物的吸收加强从而增加了光电流密度。在波长大于４００ｎｍ

时也观察到了增加的外量子效率，这与银纳米颗粒的表面等离子激元共振带有关

。

图５　沉积银纳米颗粒的Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ有机太阳能电池

结构示意图

Ｆｉｇ．５　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｒｅｐ

ｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ　ｗｉｔｈ　Ａｇ　

ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ２００９年，Ｃｈｅｎ等人［１５］

利用直径３０～４０ｎｍ的

金纳米颗粒与体异质结有机太阳能电池的缓冲层混合，发现电池的短路电流密度、填充因子、能量转换效率均有不同程度的提高。通过进一步研究得出，金纳米颗粒激发的表面等离子体激元共振不但提高了激子的产生率而且促进了激子的解离。

２００９年，Ｌｅｅ等人［１

６］

通过金纳颗粒表面等离子体激元效用，把金纳米粒子嵌入Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ体异质结太阳能电池的ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ层提高了电池效率。

２０１１年，Ｑｉａｏ等人［１

７］

研究球形金纳米颗粒提高聚合物有机太阳能电池性能，用直径约为５ｎｍ、１５ｎｍ的金纳米颗粒掺入有机太阳能的缓冲层，

结构如图６所示，实验发现有１５ｎｍ　Ａｕ的电池与没

有Ａｕ的电池相比，短路电流密度从６６．７９Ａ／ｍ２

增加到７４．３９Ａ／ｍ２

，填充因子从３９．２％增加到４４．

８％，

能量转换效率表现出一个显著的提升，从１．９９％增加到２．３６％，提高了２０％。这是因为在金纳米颗粒周围，局域表面等离子体激元共振引起很强的局域场增强，从而增强金纳米颗粒周围活性层的光吸收，增加了激子的产生和解离，提高了太阳能电

池的性能。实验中发现掺入直径５ｎｍ的金纳米颗粒的太阳能电池的能量转换效率没有明显的提高。实验结果表明电池性能提高依赖于纳米颗粒的尺寸。同时通过模拟显示较大的金纳米颗粒产生更强的表面等离子体激元共振效用与实验结果吻合。

２０１１年，Ｑｕ等人［１８］

采用有限元法（ＦＥＭ）

，用三维模型对银纳米粒子等离子体激元在有机薄膜太阳能电池中光吸收增强机理进行了研究，如图７所示。模拟银纳米粒子沉积在电池的不同位置，结果表明基于ＬＳＰ的场增强效应的光吸收增强起着主导作用。银纳米粒子在ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ和Ｐ３ＨＴ：

０

２２光 电 子 技 术第３３卷　

图６　金纳米颗粒掺入缓冲层的太阳能电池结构示意图Ｆｉｇ

．６　Ｔｈｅ　ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ａ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌ　ｗｉｔｈ　Ａｕｎａｎｏｐ

ａｒｔｉｃｌｅｓ　ｄｏｐｅｄ　ｂｕｆｆｅｒ　ｌａｙｅｒＰＣＢＭ层的界面之间，光吸收增强可达１００％以上，

比银纳米粒子完全嵌入Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ活性层的高。通过模拟电池中电场强度分布，银纳米粒子在界面时，ＬＳＰ共振激发不仅在短波长（约λ０＝４５０ｎｍ），而且在长波长区域（约λ０＝６５０ｎｍ），由于银粒子和两种材料同时直接接触。虽然λ０＝４５０ｎｍ的ＬＳＰ激发在非活性的ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ层，其ＬＳＰ共振可扩展到Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ活性层。由于两个峰的ＬＳＰ共振效应，因此银纳米粒子在界面时等离子体激元的加强效用可扩展到较宽光谱范围（３５０－

７００ｎｍ）

。图７　掺入银纳米粒子的薄膜有机太阳能电池结构示意图Ｆｉｇ．７　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｔｈｉｎ　ｆｉｌｍ　ｏｒｇ

ａｎｉｃ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｗｉｔｈ　Ａｇ　

ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ２０１２年，Ｓｐｙｒｏｐ

ｏｕｌｏｓ等人［１９］

在液体中利用超快激光烧蚀产生无表面活性剂的金纳米粒子，将其嵌入有机太阳能电池的活性层进行研究，如图８所示，发现掺入金纳米粒子的最佳浓度为５％时，短路电流增加１８％，填充因子增加１９％，开路电压保持不变，能量转换效率提高４０％。使用无表面活性剂的纳米粒子，通过消除发生在化学合成的有表面活性剂的纳米粒子中的激子重组路径，

可能是抑制激子淬灭的一个有效方法。超快激光烧蚀法产生的粒子尺寸相当广泛，小粒子的局域表面等离子体激元共振和大尺寸粒子的多重散射效用，加强了活性层俘获光和激子产生率，因此效率提高。ＩＰＣＥ的光谱增强范围符合嵌入在活性层的金纳米粒子的消光谱（理论上），这表明局域表面等离子体激元共振效用

对提高效率起主要作用

。

图８　金纳米颗粒嵌入活性层的有机太阳能电池结构示意图Ｆｉｇ．８　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇ

ｒａｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＯＰＶ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ｗｉｔｈ　ＡｕＮＰｓ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｃｔｉｖｅ　ｌａｙ

ｅｒ３．１．２　铝纳米颗粒

２０１１年，Ｋｏｃｈｅｒｇｉｎ等人［２０］

在含有铝、银和金纳米颗粒的活性层的有机太阳能电池装置中模拟吸收加强。他们选择Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ和ＰＣＰＤＴＢＴ：

ＰＣＢＭ作为活性层物质，用Ｂｒｕｇｇｅｍａｎ的有效介质近似模拟估计纳米复合材料的吸收。理论模拟结果显示，金和银纳米颗粒的等离子体带与Ｐ３ＨＴ：

ＰＣＢＭ的吸收带重叠不理想。而铝提供更好的性能，因为铝等离子体频率比银和金的高得多，保证铝等离子体共振与有机半导体的吸收带更好的重叠，所以铝纳米颗粒比银或金产生更显著的吸收加强。进一步模拟得到，Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ活性层中含铝纳米颗粒约为１１％时，Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ层吸收增加约５０％。ＰＣＰＤＴＢＴ：ＰＣＢＭ活性层中含铝纳米颗粒约为１５％时，吸收增加接近６０％。并且通过在嵌入铝纳米颗粒的Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ电池的实验中证明了

吸收的加强，与数值计算模拟结果吻合。

２０１２年，Ｚｈａｎｇ等人

［２１］

采用有限差分时域（ＦＤＴＤ）

方法对铝、银和金纳米颗粒在硅薄膜太阳能电池中等离子体激元陷光进行模拟。由于铝表面等离子体共振位于紫外线范围内，与太阳光谱匹配的宽带光吸收增强。模拟结果，当直径为１５０ｎｍ、表面覆盖为３０％铝纳米粒子的光子吸收增强２８．７％，

比加入银或金的电池吸收增强大的多。进一步模拟得到，有氮化硅防反射涂层的电池，铝纳米粒子可以产生４２．５％吸收增强，比只有标准的氮化硅防反射涂层的吸收增强高４．３％，这是由于增加在蓝光和近红外光区的吸收。

３．１．３　磁性纳米粒子应用于有机太阳能电池

研究人员在利用金属纳米粒子促进有机太阳能电池光吸收的同时，对磁性纳米粒子应用于有机太阳能电池也开展了研究。磁性纳米粒子的强顺磁性产生的磁场效应增加了三重态激子的数量，可以加强有机太阳能电池的光伏过程。

１

２２　第４期沙春芳，等：金属纳米结构的表面等离子体激元提高有机太阳能电池光电转换效率的研究进展

２００８年，Ｓｈａｋｙ

ａ等人［２２］

报道通过１５ｍＴ磁场加强Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ体异质结聚合物太阳能电池性

能，因为增加了三重态激子的数量，增加激子解离效

率，光电流增加了９％。２００９年，Ｌｅｉ等人［２

３］

相似地利用磁场增强了Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ体异质结聚合物太

阳能电池的光电流。

２０１１年，Ｚｈａｎｇ等人［２４］

首次将经过表面活性剂油酸处理的Ｆｅ３Ｏ４磁性纳米颗粒加入Ｐ

３ＨＴ：ＰＣＢＭ体异质结聚合物太阳能电池的活性层，

如图９所示。在掺入１％ＯＡ－Ｆｅ３Ｏ４时，

电池的短路电流密度为９．５５ｍＡ／ｃｍ２

，增加了１４％，

能量转化效率为３．１０％，增加了１８％。实验研究确定，这是由Ｆｅ３Ｏ４磁性纳米颗粒的强顺磁性产生的磁场效应增

加了三重态激子的数量，因此短路电流密度增加。在Ｐ３ＨＴ中三重态激子寿命（１０ｕｓ）比单态激子寿命（约３００ｐｓ）长，对应三重态激子扩散长度（约１００ｎｍ）比单态激子扩散长度（报道的３－

６ｎｍ）大的多。这有助于三重态激子扩散到给体／受体界面，加强了有机太阳能电池的光伏过程。另外通过把Ｆｅ３Ｏ４磁性纳米颗粒掺入ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ缓冲层和Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ活性层进行比较，掺入ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ缓冲层的短路电流密度、能量转化效率均只有微小的增加。因为Ｆｅ３Ｏ４磁性纳米颗粒没有掺入活性层，不能有效影响三重态激子数量。实验进一步确定Ｆｅ３Ｏ４磁性纳米颗粒只有掺入活性层才可获得此效应

。

图９　掺入Ｆｅ３Ｏ４磁性纳米颗粒的有机太阳能电池结构

示意图

Ｆｉｇ．９　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｏｒｇ

ａｎｉｃ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌ　ｗｉｔｈＦｅ３Ｏ４ｍ

ａｇｎｅｔｉｃ　ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ３．２　光子晶体（

金属纳米规则结构）的应用研究人员在利用随机分布的金属纳米颗粒促进有机太阳能电池光吸收的同时，对光子晶体应用于有机太阳能电池也开展了研究。使用电子束光刻（ＥＢＬ）

方法制造金属纳米规则结构（光子晶体），可以精确控制纳米粒子阵列的参数，如颗粒大小、形

状、长宽比、和阵列周期，这些参数都影响共振特

性［２５－

２８］。因此光子晶体应用于有机太阳能电池，有

利于研究增强机制、便于使用适当的仿真模型跟踪和优化增强机制，从而为有机太阳能电池制定设计指引。

２００９年，Ｔｕｍｂｌｅｓｔｏｎ等人［２９］

论证了在Ｐ３ＨＴ：

ＰＣＢＭ与纳米ＺｎＯ的界面上分别制备出一维和二

维光子晶体的结构，使得Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ的吸收分别提高了２０％和１４％，Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ界面处激子的

产生分别提高了２６％和１１％。同年，Ｋｏ等人［３

０］利用印刷技术把有机太阳能电池的活性层ＴＤＰＴＤ：ＰＣＢＭ制作成阵列周期为４００ｎｍ的二维光子晶

体，阵列的间隙中充填纳米ＺｎＯ，再在表面覆盖一层Ａｌ，如图１０所示，实验发现其能量转换效率提高了约７０％

。

图１０　ＴＤＰＴＤ：ＰＣＢＭ二维光子晶体及其电池结构示意

图

Ｆｉｇ．１０　ＴＤＰＴＤ：ＰＣＢＭ　ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｃｒｙ

ｓｔａｌａｎｄ　ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｅｌｌ　

ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ２０１１年，Ｄｉｕｋｍａｎ等人［３

１］

通过电子束光刻（ＥＢＬ）

方法制备金纳米光子晶体，金纳米圆盘阵列从电池的前电极延伸进入活性层。金纳米阵列高

１００ｎｍ、直径１００ｎｍ、阵列周期为４００ｎｍ。制备的

电池如图１１所示，其中的插图显示金属纳米阵列扫描电子显微镜图像。

Ｉｄｄｏ　Ｄｉｕｋｍａｎ等人实验发现有金纳米粒子阵列的电池在５５０ｎｍ和７５０ｎｍ之间外量子效率广泛增强，在波长６６０ｎｍ处观察到较大的增强峰（提高５３％）、在７１０ｎｍ波长处较小的峰提高３３％。电池的短路电流增加了３．５％。

同时采用有限差分时域（ＦＤＴＤ）

方法对电池进２

２２光 电 子 技 术第３３卷　

图１１　制备金纳米圆盘阵列电池结构示意图Ｆｉｇ

．１１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｅｌｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｗｉｔｈｔｈｅ　ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐａｔｔｅｒｎｅｄ　Ａｕ　ｎａｎｏ－ｄｉｓｋ　ａｒ－ｒａｙ

ｓ行了全面模拟，得出：

（１）在６８０ｎｍ和７８５ｎｍ有两个增强的吸收

峰，两个增强峰位置和实验结果之间相吻合。（２）在６８０ｎｍ和７８５ｎｍ两个吸收加强峰的电场强度分布如图１２所示。在λ＝６８０ｎｍ处是等离子体激元共振的局域场增强引起吸收增强，如图１２（ａ）所示，在粒子的附近显示了非常强的局域场增强，特别是四角处等离子体激元共振，其凸角在ＰＥ－ＤＯＴ：ＰＳＳ和Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ中从而增强吸收；在λ＝７８５ｎｍ处的共振是圆形纳米天线腔模式引起的

吸收增强如图１２（ｂ）所示，能量主要俘获在Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ层，

增强了活性层的光吸收

。图１２　横截面的电场强度（ａ）λ＝６

８０ｎｍ的等离子体共振（ｂ）λ

＝７８５ｎｍ的贴片天线谐振Ｆｉｇ．１２　Ｃｒｏｓｓ　ｓｅｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｆｉｅｌｄ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ（

ａ）Ｐｌａｓ－ｍｏｎ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅλ＝６８０ｎｍ（ｂ）Ｐａｔｃｈ　ａｎｔｅｎｎａｒｅｓｏｎａｎｃｅλ＝７８５ｎｍ

２０１１年，Ｄｅｖｉ等人［３

２］

在聚合物太阳能电池的ＩＴＯ和ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ之间加入金纳米网孔，

电池结构示意图如图１３所示。光电流密度从７．０２ｍＡ／ｃｍ２

增加到１４．２ｍＡ／ｃｍ２

，能量转换效率从１．９％

提高到３．２％，提高了约６８％。测量外量子效率光谱，发现在５８０ｎｍ处光电流转换效率加强，与在消光光谱上观察到的５８０ｎｍ处的峰值相吻合，表明表面等离子体激元增强光电流

。

图１３　制备金纳米网孔的体异质结太阳能电池结构示意图Ｆｉｇ．１３　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｂｕｌｋ　ｈｅｔｒｏｊ

ｕｎｃｔｉｏｎ　ｓｏｌａｒｃｅｌｌ　ｄｅｖｉｃｅ　ｗｉｔｈ　ｇ

ｏｌｄ　ｎａｎｏｍｅｓｈ３．３　表面等离子体极化激元

表面等离子体极化激元（ＳＰＰ）是一个特别有效的能量传输机制，入射光被转换成ＳＰＰ，ＳＰＰ是沿着金属和半导体界面传播的电磁波。在这种结构中入射光被有效地变化９０°，光沿着太阳能电池的横向被吸收，具有数量级大于光学吸收长度的吸收尺寸。因此ＳＰＰ在半导体吸收层能有效的陷光和导光。

２００７年，Ｍａｐ

ｅｌ等人［３３］

在ＣｕＰＣ／Ｃ６０双层异质结有机太阳能电池中引入Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ结构如图

１４所示，在波长为５３２ｎｍ单色Ｐ－偏振激光照射下，银阴极与空气的界面上产生了ＳＰＰ波。实验结果发现在表面等离子体激元共振处，电池的外量子效率提高至１２％，光电流增加约２００％，主要是因为等离子体极化激元作用下光吸收大量的增加

。

图１４　引入Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ结构的双层异质结有机太阳能

电池

Ｆｉｇ．１４　Ｄｏｕｂｌｅ　ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｒｇ

ａｎｉｃ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌ　ｗｉｔｈＫｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ　

ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ２００７年，Ｈｅｉｄｅｌ等人［３４］

在ＣｕＰＣ／Ｃ６０有机太

阳能电池中引入红荧烯天线谐振腔，提高了光吸收，

如图１５（ａ）所示。图中的１２５ｎｍ厚的谐振腔天线层由透明的咔唑联苯（ＣＢＰ）中掺入３０％的红荧烯

３

２２　第４期沙春芳，等：金属纳米结构的表面等离子体激元提高有机太阳能电池光电转换效率的研究进展

和２％的ＤＣＪＴＢ构成。谐振腔中天线吸收的光通过表面等离子体极化激元耦合到光伏电池。模拟计算结果能量转换效率ηＥＴ＝３１％，实验得到ηＥＴ＝（２５±１０）％，

两者相一致。实验中发现在吸收光谱的Ｑ带和Ｓｏｒｅｔ带之间的间隙，电池的外量子效率得到增加。因此，谐振腔中的天线结构增强了共振时光伏电池的性能

。

图１５　（ａ）具有共振腔天线的酞菁铜电池　（ｂ

）有天线无共振腔的有机超晶格光电池

Ｆｉｇ．１５　（ａ）Ｃｏｐｐｅｒ　ｐｈｔｈａｌｏｃｙ

ａｎｉｎｅ　ｗｉｔｈ　ｒｅｓｏｎａｎｔ　ａｎｔｅｎ－ｎａ　ｃａｖｉｔｙ　（ｂ）Ｏｒｇａｎｉｃ　ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ　ｃｅｌｌ　ｗｉｔｈ　ａｎ－ｔｅｎｎａ　ｂｕｔ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｒｅｓｏｎａｎｔ　ｃａｖｉｔｙ

为了减少在测量ηＥＴ的不确定性，Ｈｅｉｄｅｌ等人制造一个有机超晶格光电探测器和没有谐振腔的天线结构，如图１５（ｂ）

所示。这种结构也应该加强η

ＥＴ，因为它允许较厚的酞菁铜层同时保持高内量子效率ηＩＱＥ，从而增加载流子产生层对ＳＰＰ的吸收。由测量数据计算得到能量转换效率ηＥＴ＝（５１±１０）％，高于图１５（ａ）中谐振腔天线结构的ηＥＴ。研

究中发现ＳＰＰ在银层的损失显著，但通过减小银阴极厚度可使损失最小化。Ｈｅｉｄｅｌ等人研究工作中η

ＥＴ值的增加，是界面处的银层厚度的减小及有机半导体中ＳＰＰ吸收的增加所致。

目前，ＳＰＰ主要应用于无机太阳能电池中，以ＳＰＰ模式改善有机太阳能电池的报道相对较少，

有待研究人员进一步探索。

４　结论与展望

表面等离子体激元作为一个新颖的技术应用于有机太阳能电池中，在不改变有机吸收层的厚度就能增加有机太阳能电池的光吸收能力，提高能量转化效率，具有非常独特的优势，吸引着越来越多的科技工作者投身到相关的研究中。在这一研究领域中，充满着机遇和挑战。很多问题有待于解决，比如：

（１

）需要找到一种高效、方便的方法将金属纳米结构植入到有机太阳能电池中。目前，在实验室中研究人员一般使用电子束刻蚀、聚焦离子束等方法在有机太阳能电池中制作金属纳米结构。但是，上述方法具有产量低、

工艺限制等缺点无法实现量产。世界上一些研究小组正在寻求解决的方法，并提出了一些可行性的方案，但仍有一段相当长的路要走。

（２

）需要对金属纳米结构激发出的表面等离子体激元改善有机太阳能电池的机理进行更加深入的理论研究。纳米颗粒的材料、

尺寸、形状、密度和周围的电介质环境等因素与表面等离子体激元的产生有很大的关系。众多研究表明，

并不是任何情况下金属纳米结构都能改善有机太阳能电池的性能，甚至有些情况下金属纳米结构表现出相反的作用。要设计出更加高效的有机太阳能电池，需要对金属纳米结构和纳米粒子引入的等离子体激元对聚合物太

阳能材料光激发态的影响、对载流子产生和演化的作用展开更深入的研究。

参　考　文　献

［１］　Ｃｈｅｎ　Ｈ　Ｙ，Ｈｏｕ　Ｊ，Ｚｈａｎｇ　

Ｓ，ｅｔ　ａｌ．Ｐｏｌｙｍｅｒ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ　ｗｉｔｈｅｎｈａｎｃｅｄ　ｏｐｅｎ－ｃｉｒｃｕｉｔ　ｖｏｌｔａｇｅ　ａｎｄ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ［Ｊ］．Ｎａｔ　Ｐｈｏｔｏｎ－ｉｃｓ，２００９，３：６４９－

６５３．［２］　Ｐｅｅｔ　Ｊ，Ｋｉｍ　Ｊ　Ｙ，Ｃｏａｔｅｓ　Ｎ　Ｅ，ｅｔ　ａｌ．Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　

ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ　ｉｎｌｏｗ－ｂａｎｄｇａｐ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ　ｂｙ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ａｌｋａｎｅ　ｄｉ－ｔｈｉｏｌｓ［Ｊ］．Ｎａｔ　Ｍａｔｅｒ，２００７，６：４９７－

５００．［３］　Ｋｉｍ　Ｊ　Ｙ，Ｋｉｍ　Ｓ　Ｈ，Ｌｅｅ　Ｈ　Ｈ，ｅｔ　ａｌ．Ｎｅｗ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　

ｆｏｒｈｉｇｈ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｃｅｌｌｓ　ｕｓｉｎｇ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ－ｂａｓｅｄｔｉｔａｎｉｕｍ　ｏｘｉｄｅ　ａｓ　ａｎ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｐａｃｅｒ［Ｊ］．Ａｄｖ　Ｆｕｎｃ　Ｍａｔｅｒ，２００６，１８：５７２－

５８６．［４］　Ｌｉ　Ｇａｎｇ，Ｓｈｒｏｔｒｉｙａ　Ｖ，Ｈｕａｎｇ　

Ｊｉｎｓｏｎｇ，ｅｔ　ａｌ．Ｈｉｇｈ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓａｂｌｅ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｃｅｌｌｓ　ｂｙ　ｓｅｌｆ－ｏｒｇａｎｉ－ｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ｂｌｅｎｄｓ［Ｊ］．Ｎａｔ　Ｍａｔｅｒ，２００５，４：８６４－８６８．［５］　Ｔｓａｉ　Ｈ　Ｗ，Ｐｅｉ　Ｚ，Ｃｈａｎ　Ｙ　Ｊ，ｅｔ　ａｌ．Ａ　

ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ／ｉｎｓｕｌａｔｏｒ／ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｌａｙｅｒ　ａｔ　ａｎｏｄｅ　ｆｏｒ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ　ｉｎ　ａｐｏｌｙｍｅｒ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌ［Ｊ］．Ａｐｐｌ　Ｐｈｙｓ　Ｌｅｔｔ，２００８，９３（７）：０７３３１０－１－０７３３１０－

３．［６］　Ｍｏｒｆａ　Ａ　Ｊ，Ｒｏｗｌｅｎ　Ｋ　Ｌ，Ｒｅｉｌｌｙ　

Ｔ　Ｈ，ｅｔ　ａｌ．Ｐｌａｓｍｏｎ－ｅｎｈａｎｃｅｄｓｏｌａｒ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｉｎ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｂｕｌｋ　ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ　ｐｈｏｔｏ－ｖｏｌｔａｉｃｓ［Ｊ］．Ａｐｐｌ　Ｐｈｙｓ　Ｌｅｔｔ，２００８，９２（１）：０１３５０４－１－０１３５０４－３．

［７］　Ｋｉｍ　Ｓ　Ｓ，Ｎａ　Ｓ　Ｉ，Ｊｏ　Ｊ，ｅｔ　ａｌ．Ｐｌａｓｍｏｎ　ｅｎｈａｎｃｅｄ　ｐ

ｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ　ｕｓｉｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｐｏｓｉｔｅｄ　Ａｇ　ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ［Ｊ］．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，２００８，９３（７）：０７３３０７－１－０７３３０７－３．［８］　Ｄｕｃｈｅ　Ｄ，Ｔｏｒｃｈｉｏ　Ｐ，Ｅｓｃｏｕｂａｓ　Ｌ，ｅｔ　ａｌ．Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　

ｌｉｇｈｔ　ａｂ－ｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｉｎ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ　ｂｙ　ｐｌａｓｍｏｎｉｃ　ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｓｏｌａｒ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　＆Ｓｏｌａｒ　Ｃｅｌｌｓ，２００９，９３（８），１３７７－１３８２．

［９］　Ｋｅｌｌｙ　

Ｌ　Ｋ，Ｃｏｒｏｎａｄｏ　Ｅ，Ｚｈａｏ　Ｌｉｎｌｉｎ，ｅｔ　ａｌ．Ｔｈｅ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｐｒｏｐ－４

２２光 电 子 技 术第３３卷　

ｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｍｅｔａｌ　ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ：ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｓｉｚｅ，ｓｈａｐｅ，ａｎｄｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　Ｂ，２００３，１０７（３）：６６８－６７７．

［１０］帕拉斯．Ｎ．普拉萨德．纳米光子学［Ｍ］．西安：西安交通大学出版社，２０１０：１１６．

［１１］黄茜，王京，曹丽冉，等．纳米Ａｇ材料表面等离子体激元引起的表面增强拉曼散射光谱研究［Ｊ］．物理学报，２００９，５８（３）：１９８０－１９８５．

［１２］Ｓａｍｂｌｅｓ　Ｊ　Ｒ，Ｂｒａｄｂｅｒｙ　Ｇ　Ｗ，Ｙａｎｇ　Ｆｕｚｉ．Ｏｐｔｉｃａｌ　ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ　ｏｆｓｕｒｆａｃｅ　ｐｌａｓｍｏｎｓ：ａｎ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｃｏｎｔｅｍｐｏｒａｒｙ　Ｐｈｙｓｉｃｓ（Ｃｏｎｔｅｍｐ　Ｐｈｙｓ），１９９１，３２（３）：１７３－１８３．

［１３］Ｂａｒｎｅｓ　Ｗ　Ｌ，Ｄｅｒｅｕｘ　Ａ，Ｅｂｂｅｓｅｎ　Ｔ　Ｗ．Ｓｕｒｆａｃｅ　ｐｌａｓｍｏｎ　ｓｕｂ－ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　ｏｐｔｉｃｓ［Ｊ］．Ｎａｔｕｒｅ，２００３，４２４：８２４－８３０．

［１４］Ａｔｗａｔｅｒ　Ｈ　Ａ，Ｐｏｌｍａｎ　Ａ．Ｐｌａｓｍｏｎｉｃｓ　ｆｏｒ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｐｈｏｔｏｖｏｌ－ｔａｉｃ　ｄｅｖｉｃｅｓ［Ｊ］．Ｎａｔｕｒｅ　Ｍａｔｅｒｉａｌ，２０１０，９：２０５－２１３．

［１５］Ｃｈｅｎ　Ｆａｎｇｃｈｕｎｇ，Ｗｕ　Ｊ　Ｌ，Ｌｅｅ　Ｃ　Ｌ，ｅｔ　ａｌ．Ｐｌａｓｍｏｎｉｃ－ｅｎ－ｈａｎｃｅｄ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ－ｐｒｏｃｅｓｓａｂｌｅ　ｍｅｔａｌ　ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ［Ｊ］．（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒ）Ａｐｐｌ　Ｐｈｙｓ　Ｌｅｔｔ，２００９，９５（１）：０１３３０５－１－０１３３０５－３．

［１６］Ｌｅｅ　Ｊ　Ｈ，Ｐａｒｋ　Ｊ　Ｈ，Ｋｉｍ　Ｊ　Ｓ，ｅｔ　ａｌ．Ｈｉｇｈ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｐｏｌｙｍｅｒｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ　ｗｉｔｈ　ｗｅｔ　ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ　ｐｌａｓｍｏｎｉｃ　ｇｏｌｄ　ｎａｎｏｄｏｔｓ［Ｊ］．（Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）Ｏｒｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏ，２００９，１０：４１６－４２０．

［１７］Ｑｉａｏ　Ｌｉｎｆａｎｇ，Ｗａｎｇ　Ｄａｎ，Ｚｕｏ　Ｌｉｊｉａｎ，ｅｔ　ａｌ．Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ　ｓｕｒｆａｃｅｐｌａｓｍｏｎ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　ｅｎｈａｎｃｅｄ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌ　ｗｉｔｈ　ｇｏｌｄ　ｎａｎｏ－ｓｐｈｅｒｅｓ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｅｎｅｒｇｙ，２０１１，８８：８４８－８５２．

［１８］Ｑｕ　Ｄｉ，Ｌｉｕ　Ｆａｎｇ，Ｈｕａｎｇ　Ｙｉｄｏｎｇ，ｅｔ　ａｌ．Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｏｐｔｉｃａｌａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ　ｉｎ　ｔｈｉｎ　ｆｉｌｍ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ　ｗｉｔｈｐｌａｓｍｏｎｉｃ　ｍｅｔａｌ　ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ［Ｊ］．Ｏｐｔｉｃｓ　Ｅｘｐｒｅｓｓ）Ｏｐｔ．Ｅｘ－ｐｒｅｓｓ　２０１１，１９（２４）：２４７９５－２４８０３．

［１９］Ｓｐｙｒｏｐｏｕｌｏｓ　Ｇ　Ｄ，Ｓｔｙｌｉａｎａｋｉｓ　Ｍ　Ｍ．，Ｓｔｒａｔａｋｉｓ　Ｅ，ｅｔ　ａｌ．Ｏｒ－ｇａｎｉｃ　ｂｕｌｋ　ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ｗｉｔｈ　ｓｕｒｆａｃｔａｎｔ－ｆｒｅｅ　Ａｕ　ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｃｔｉｖｅ　ｌａｙｅｒ［Ｊ］．ＡｐｐｌＰｈｙｓ　Ｌｅｔｔ，２０１２，１００（２１）：２１３９０４－１－２１３９０４－５．

［２０］Ｋｏｃｈｅｒｇｉｎ　Ｖ，Ｎｅｅｌｙ　Ｌ，Ｊａｏ　Ｃ　Ｙ，ｅｔ　ａｌ．Ａｌｕｍｉｎｕｍ　ｐｌａｓｍｏｎｉｃｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｆｏｒ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｉｎ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｄｅｖｉｃｅｓ［Ｊ］．Ａｐｐｌ　Ｐｈｙｓ　Ｌｅｔｔ，２０１１，９８（１３）：１３３３０５－１－１３３３０５－３．

［２１］Ｚｈａｎｇ　Ｙｉｎａｎ，Ｙａｎｇ　Ｚ　Ｏ，Ｓｔｏｋｅｓ　Ｎ，ｅｔ　ａｌ．Ｌｏｗ　ｃｏｓｔ　ａｎｄ　ｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　Ａｌ　ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｆｏｒ　ｂｒｏａｄｂａｎｄ　ｌｉｇｈｔ　ｔｒａｐｐｉｎｇ　ｉｎ　Ｓｉｗａｆｅｒ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ［Ｊ］．Ａｐｐｌ　Ｐｈｙｓ　Ｌｅｔｔ，２０１２，１００（１５）：１５１１０１－１－１５１１０１－４．

［２２］Ｓｈａｋｙａ　Ｐ，Ｄｅｓａｉ　Ｐ，Ｋｒｅｏｕｚｉｓ　Ｔ，ｅｔ　ａｌ．Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ａｐｐｌｉｅｄｍａｇｎｅｔｉｃ　ｆｉｅｌｄ　ｏｎ　ｐｈｏｔｏｃｕｒｒｅｎｔ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｐｏｌｙ－３－ｈｅｘｙｌｔｈｉｏ－ｐｈｅｎｅ：［６．６］－ｐｈｅｎｙｌ　Ｃ６１－ｂｕｔｙｒｉｃ　ａｃｉｄ　ｍｅｔｈｙｌ　ｅｓｔｅｒ　ｐｈｏｔｏ－ｖｏｌ－

ｔａｉｃ　ｄｅｖｉｃｅｓ［Ｊ］．Ｊ　Ｐｈｙｓ：Ｃｏｎｄｅｎｓ　Ｍａｔｔｅｒ，２００８，２０：４５２２０３－１－４５２２０３－４．

［２３］Ｌｅｉ　Ｙａｎｌｉａｎ，Ｓｏｎｇ　Ｑｕｎｌｉｎｇ，Ｚｈａｎｇ　Ｙｏｎｇ，ｅｔ　ａｌ．Ｍａｇｎｅｔｏｃｏｎ－ｄｕｃｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｐｏｌｙｍｅｒ———ｆｕｌｌｅｒｅｎｅ　ｂｕｌｋ　ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ　ｓｏｌａｒｃｅｌｌｓ［Ｊ］．（Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）Ｏｒｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ，２００９，１０：１２８８－１２９２．

［２４］Ｚｈａｎｇ　Ｗｅｎｆｅｎｇ，Ｘｕ　Ｙｉｎｇ，Ｗａｎｇ　Ｈａｉｔａｏ，ｅｔ　ａｌ．Ｆｅ３Ｏ４ｎａｎｏｐ－ａｒｔｉｃｌｅｓ　ｉｎｄｕｃｅｄ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｆｉｅｌｄ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｏｆ　Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ　ｂｕｌｋ　ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ［Ｊ］．Ｓｏｌ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｍａｔｅｒ　Ｓｏｌ　Ｃｅｌｌｓ，２０１１，９５：２８８０－２８８５．

［２５］Ｂｅｃｋ　Ｆ　Ｊ，Ｍｏｋｋａｐａｔｉ　Ｓ，Ｐｏｌｍａｎ　Ａ，ｅｔ　ａｌ．Ａｓｙｍｍｅｔｒｙ　ｉｎ　ｐｈｏ－ｔｏｃｕｒｒｅｎｔ　ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ　ｂｙ　ｐｌａｓｍｏｎｉｃ　ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅ　ａｒｒａｙｓ　ｌｏｃａ－ｔｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｆｒｏｎｔ　ｏｒ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｅａｒ　ｏｆ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ［Ｊ］．Ａｐｐｌ　ＰｈｙｓＬｅｔｔ，２０１０，９６（３）：０３３１１３－１－０３３１１３－３．

［２６］Ｗａｎｇ　Ｈ，Ｂｒａｎｄｌ　Ｄ　Ｗ，Ｎｏｒｄｌａｎｄｅｒ　Ｐ，ｅｔ　ａｌ．Ｐｌａｓｍｏｎｉｃ　ｎａｎｏ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ：ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ　ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ［Ｊ］．（Ａｃｃｏｕｎｔｓ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｒｅ－ｓｅａｒｃｈ）Ｃｈｅｍ　Ｒｅｓ，２００７，４０（１），５３－６２．

［２７］Ａｋｉｍｏｖ　Ｙ　Ａ，Ｋｏｈ　Ｗ　Ｓ，Ｏｓｔｒｉｋｏｖ　Ｋ，ｅｔ　ａｌ．Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ　ｏｆｏｐｔｉｃａｌ　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｉｎ－ｆｉｌｍ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｏｆ　ｈｉｇｈｅｒ－ｏｒｄｅｒ　ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅ　ｐｌａｓｍｏｎ　ｍｏｄｅｓ［Ｊ］．Ｏｐｔ　Ｅｘｐｒｅｓｓ２００９，１７（１２）：１０１９５－１０２０５．

［２８］Ｃａｔｃｈｐｏｌｅ　Ｋ　Ｒ，Ｐｏｌｍａｎ　Ａ．Ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｆｏｒ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｐｌａｓ－ｍｏｎ　ｅｎｈａｎｃｅｄ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ［Ｊ］．Ａｐｐｌ　Ｐｈｙｓ　Ｌｅｔｔ，２００８，９３（１９）：１９１１１３－１－１９１１１３－３．

［２９］Ｔｕｍｂｌｅｓｔｏｎ　Ｊ　Ｒ，Ｋｏ　Ｄ　Ｈ，Ｓａｍｕｌｓｋｉ　Ｅ　Ｔ，ｅｔ　ａｌ．Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏ－ｔｏｎｉｃ　ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｂｕｌｋ　ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓｔｈｒｏｕｇｈ　ｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｐｈｏｔｏａｃｔｉｖｅ　ｌａｙｅｒ［Ｊ］．Ａｐｐｌ　Ｐｈｙｓ　Ｌｅｔｔ２００９，９４（０４）：０４３３０５－１－０４３３０５－３

［３０］Ｋｏ　Ｄ　Ｈ，Ｔｕｍｂｌｅｓｔｏｎ　Ｊ　Ｒ，Ｚｈａｎｇ　Ｌｅｉ，ｅｔ　ａｌ．Ｐｈｏｔｏｎｉｃ　ＣｒｙｓｔａｌＧｅｏｍｅｔｒｙ　ｆｏｒ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｓｏｌａｒ　Ｃｅｌｌｓ［Ｊ］．Ｎａｎｏ　Ｌｅｔｔｅｒｓ．２００９，９（７）：２７４２－２７４６

［３１］Ｄｉｕｋｍａｎ　Ｉ，Ｔｚａｂａｒｉ　Ｌ，Ｂｅｒｋｏｖｉｔｃｈ　Ｎ，ｅｔ　ａｌ．Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ａｂ－ｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ　ｉｎ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｃｅｌｌｓ　ｂｙ　ｐａｔｔｅｒｎ－ｉｎｇ　Ａｕ　ｎａｎｏ　ｄｉｓｋｓ　ｗｉｔｈｉｎ　ｔｈｅ　ａｃｔｉｖｅ　ｌａｙｅｒ［Ｊ］．Ｏｐｔ　Ｅｘｐｒｅｓｓ，２０１１，１９：Ａ６４－Ａ７１．

［３２］Ｄｅｖｉ　Ｂ　Ｐ，Ｗｕ　Ｋ　Ｃ，Ｐｅｉ　Ｚ．Ｇｏｌｄ　ｎａｎｏｍｅｓｈ　ｉｎｄｕｃｅｄ　ｓｕｒｆａｃｅｐｌａｓｍｏｎ　ｆｏｒ　ｐｈｏｔｏｃｕｒｒｅｎｔ　ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ　ｉｎ　ａ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌ［Ｊ］．Ｓｏｌ．Ｅｎｅｒｇｙ　Ｍａｔｅｒ．Ｓｏｌ．Ｃｅｌｌｓ，２０１１，９５：２１０２－２１０６．［３３］Ｍａｐｅｌ　Ｊ　Ｋ，Ｓｉｎｇｈ　Ｍ，Ｂａｌｄｏ　Ｍ　Ａ，ｅｔ　ａｌ．Ｐｌａｓｍｏｎｉｃ　ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｏｆ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｄｏｕｂｌｅ　ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ［Ｊ］．Ａｐｐｌ　ＰｈｙｓＬｅｔｔ，２００７，９０（１２）：１２１１０２－１－１２１１０２－３．

［３４］Ｈｅｉｄｅｌ　Ｔ　Ｄ，Ｍａｐｅｌ　Ｊ　Ｋ，Ｓｉｎｇｈ　Ｍ，ｅｔ　ａｌ．Ｓｕｒｆａｃｅ　ｐｌａｓｍｏｎ　ｐｏ－ｌａｒｉｔｏｎ　ｍｅｄｉａｔｅｄ　ｅｎｅｒｇｙ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｉｎ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｄｅｖｉｃｅｓ［Ｊ］．Ａｐｐｌ　Ｐｈｙｓ　Ｌｅｔｔ，２００７，９１（９）：０９３５０６－１－０９３５０６－３．

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　第４期沙春芳，等：金属纳米结构的表面等离子体激元提高有机太阳能电池光电转换效率的研究进展

一文看懂光电转化效率计算方法

一文看懂光电转化效率计算方法 光电转化效率简介光电转化效率，即入射单色光子-电子转化效率（monochromaticincidentphoton-to-electronconversionefficiency，用缩写IPCE表示），定义为单位时间内外电路中产生的电子数Ne与单位时间内的入射单色光子数Np之比。 光电转化效率的公式从电流产生的过程考虑，IPCE与光捕获效率（lightharvestingefficiency）LHE（l）、电子注入量子效率finj及注入电子在纳米晶膜与导电玻璃的后接触面（backcontact）上的收集效率fc三部分相关。见公式： IPCE（l）=LHE（l）′finj′fc=LHE（l）′f（l） 其中finj′fc可以看作量子效率f（l）。由于0￡LHE（l）￡1，所以对于同一体系，IPCE （l）￡f（l）。两者相比，IPCE（l）能更好地表示电池对太阳光的利用程度，因为f（l）只考虑了被吸收光的光电转化，而IPCE（l）既考虑了被吸收光的光电转化又考虑了光的吸收程度。譬如，若某电极的光捕获效率为1%，而实验测得量子效率f（l）为90%，但其IPCE（l）只有0.9%。作为太阳能电池，必须考虑所有入射光的利用，所以用IPCE（l）表示其光电转化效率更合理；作为LB膜或自组装膜敏化平板电极的研究主要用来筛选染料而不太注重光捕获效率，所以常用f（l）表示光电转化效果。在染料敏化太阳能电池中，IPCE（l）与入射光波长之间的关系曲线为光电流工作谱。 太阳能电池板转换效率计算公式光照强度—以AM1.5为标准，即1000W/m2 暗电流比例—Irev》6电池片所占比例 低效片比例—P156Eff《14.5%电池片所占比例 太阳能电池片功率计算公式 电池片制造商在产品规格表中会给出标准测试条件下的太阳电池性能参数：一般包括有短路电流Isc;开路电压V oc;最大功率点电压Vap;最大功率点电流Iap;最大功率Pmpp;转换效率Eff等。标准测试条件下，最大功率Pmpp与转换效率之间有如下关系：

金属纳米孔阵列的表面等离子体性质和应用

目录 目录 摘要...................................................................................................................................I Abstract............................................................................................................................V 论文主要创新与贡献......................................................................................................IX 目录..............................................................................................................................XI 第1章绪论.. (1) 1.1金属表面等离子体的研究概况 (1) 1.1.1局域表面等离子体共振(LSPR)和表面等离子激元(SPP) (2) 1.1.2金属表面等离子体的研究历史 (6) 1.2金属孔阵列的研究概况 (10) 1.2.1反常光学透射(EOT)现象 (11) 1.2.2反常光学透射(EOT)现象的机制研究 (13) 1.2.3基于反常光学透射(EOT)现象的应用研究 (16) 1.3本文针对的问题 (24) 1.4本文的主要工作 (25) 第2章研究方法 (27) 2.1数值计算方法概况 (27) 2.2时域有限差分法的历史 (28) 2.3时域有限差分法的基本技术元素 (31) 2.4时域有限差分法的认可度 (37) 2.5本章小结 (38) 第3章金属纳米孔阵列的光学性质 (39) 3.1 引言 (39) 3.2材料结构及计算参数 (40) 3.3结果与讨论 (41) 3.3.1孔形对金属纳米孔阵列光学性质的影响 (41) 3.3.2金属矩形纳米孔阵列的光学性质 (46) 3.4本章小结 (49) 第4章双层金属矩形纳米孔阵列的光学性质 (51) 4.1 引言 (51) 4.2材料结构及计算参数 (51) 4.3结果与讨论 (52) 4.3.1双层薄金属矩形纳米孔阵列的光学性质 (53) 4.3.2双层厚金属矩形纳米孔阵列的光学性质 (54) 4.3.3不同厚度双层金属矩形纳米孔阵列的光学性质 (57) 4.4本章小结 (59) 第5章基于金属矩形纳米孔阵列的光学磁性超材料 (61) 5.1 引言 (61) 5.2材料结构及计算参数 (62) 5.3金属矩形纳米孔阵列的光电磁特性 (64) 5.4本章小结 (69) 第6章基于Ag-Au双金属渔网结构的低损耗光学磁性超材料 (71) XI

纳米粉体材料

纳米粉体材料 简介 纳米材料分为纳米粉体材料、纳米固体材料、纳米组装体系三类。纳米粉体材料是纳米材料中最基本的一类。纳米固体是由分体材料聚集，组合而成。而纳米组装体系则是纳米粉体材料的变形。 纳米粉体也叫纳米颗粒，一般指尺寸在1-100nm之间的超细粒子，有人称它是超微粒子。它的尺度大于原子簇而又小于一般的微粒。按照它的尺寸计算，假设每个原子尺寸为1埃，那么它所含原子数在1000个-10亿个之间。它小于一般生物细胞，和病毒的尺寸相当。 细微颗粒一般不具有量子效应，而纳米颗粒具有量子效应；一般原子团簇具有量子效应和幻数效应，而纳米颗粒不具有幻数效应。 纳米颗粒的形态有球形、板状、棒状、角状、海绵状等，制成纳米颗粒的成分可以是金属，可以是氧化物，还可以是其他各种化合物。 纳米粉体材料的基本性质 它的性质与以下几个效应有很大的关系： （1）.小尺寸效应 随着颗粒的量变，当纳米颗粒的尺寸与光波、传导电子德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理尺寸特征相当或更小时，周期边界性条件将被破坏，声、光、电、磁、热、力等特性均会出现质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化成为小尺寸效应。 （2）.表面与界面效应 纳米微粒尺寸小、表面大、位于表面的原子占相当大的比例。由于纳米粒径的减小，最终会引起表面原子活性增大，从而不但引起纳米粒子表面原子输送和构型的变化，同时也引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。以上的这些性质被称为“表面与界面效应”。 （3）量子尺寸效应 当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变成离散能级的现象成为量子尺寸效应。 具体从各方面说来有以下特性： （1）热学特性

什么是光电转化效率

光电转化效率(IPCE) 光电转化效率,即入射单色光子-电子转化效率(monochromatic incident photon-to-el ectron conversion efficiency，用缩写IPCE表示)，定义为单位时间内外电路中产生的电子数Ne与单位时间内的入射单色光子数Np之比.其数学表达式见公式：IPCE= 1240 Isc / (l Pin) 其中Isc、l和Pin所使用的单位分别为μA cm-2 、nm和W m-2。 从电流产生的过程考虑，IPCE与光捕获效率(light harvesting efficiency) LHE (l)、电子注入量子效率finj及注入电子在纳米晶膜与导电玻璃的后接触面(back cont act)上的收集效率fc三部分相关。见公式： IPCE (l) = LHE (l) ′ finj ′ fc= LHE (l) ′ f(l) 其中finj′fc可以看作量子效率f (l)。由于0 ￡LHE (l) ￡1，所以对于同一体系, IPCE (l) ￡ f (l)。两者相比，IPCE (l)能更好地表示电池对太阳光的利用程度,因为f (l)只考虑了被吸收光的光电转化,而IPCE (l) 既考虑了被吸收光的光电转化又考虑了光的吸收程度。譬如，若某电极的光捕获效率为1%，而实验测得量子效率 f (l) 为90%，但其IPCE (l) 只有0.9%。作为太阳能电池，必须考虑所有入射光的利用，所以用IPCE (l) 表示其光电转化效率更合理；作为LB膜或自组装膜敏化平板电极的研究主要用来筛选染料而不太注重光捕获效率，所以常用f (l)表示光电转化效果。在染料敏化太阳能电池中，IPCE (l) 与入射光波长之间的关系曲线为光电流工作谱。 太阳能光伏行业： 太阳能电池的IPCE是指太阳能电池的电荷载流子数目与照射在太阳能电池表面一定能量的光子数目的比率。因此，太阳能电池的IPCE与太阳能电池对照射在太阳能电池表面的各个波长的光的响应有关。太阳能电池的IPCE与光的波长或者能量有关。如果对于一定的波长，太阳能电池完全吸收了所有的光子，并且我们搜集到由此产生的少数载流子（例如，电子在P型材料上），那么太阳能电池在此波长的IPCE 为1。对于能量低于能带隙的光子，太阳能电池的IPCE为0。理想中的太阳能电池的IPCE是一个正方形，也就是说，对于测试的各个波长的太阳能电池IPCE是一个常数。但是，绝大多数太阳能电池的IPCE会由于再结合效应而降低，这里的电荷载流子不能流到外部电路中。用稍微专业点的术语来说的话，综合器件的厚度和入射光子规范的数目来说，太阳能电池的量子效率可以被看作是太阳能电池对单一波长的光的吸收能力。 太阳能电池的IPCE通过用波长可调的单色光照射太阳能电池，同时测量太阳能电池在不同波长的单色光照射下产生的短路电流,从而得到太阳能电池的IPCE。通常太阳能电池IPCE的测试需要由宽带光源、单色仪、信号放大模块、光强校准模块、计算机控制和数据采集处理模块组成。[1] 参考资料 1.

第12讲_局域表面等离子体

第12讲:等离子体(IV)——局域表面等离子体 课本: S.Maier,Plasmonics:Fundamentals and Applications ,Chap.5 董国艳 中国科学院大学材料科学与光电技术学院 纳米光学 (Nano-Optics) 研究生课程 2 课前思考: ?? 金子小颗粒(nm-size)是什么颜色的?为什么它们会成像不同的颜色?

3 1.金属纳米粒子的局域表面等离子体(Localized surface plasmons LSPs ） ????偶极辐射的回顾 LSP 的纳米粒子（准静态近似） LSPR 的大小和形状依赖性（Mie 理论）LSP 的纳米棒（Gans 理论） 3. LSP 粒子之间的耦合 4.LSP 的复杂的纳米结构–球壳 5. 体积等离子体，SPP 和LSP 的比较 本讲内容 2. LSP 的共振条件 ? LSP同SPP 的差异 ? 金属纳米粒子的色彩效果? 各种金属纳米粒子 4 1.金属纳米粒子的LSP ?SPPs :在金属-电介质延展界面上的SP 传输(光子耦合为SP).+ -+ k ?LSPs (localized surface plasmons 局域表面等离子体):在金属纳米粒子/纳米空腔的封闭表面上不传播的SPs ?LSP 的激发将影响透过纳米粒子的光的消光比(= 吸收+散射) →色彩效果 extinction:消光比，absorption:吸收，scattering:散射 LSP 被约束在粒子上

5 金属粒子的色彩效应 过去: 不同的形状&大小→不同的色彩 Au colloids in water (M.Faraday ~1856) Lycurgus Cup 教堂窗户上的彩色玻璃 今天(出于同样原理): colloid:胶体，stained glass:彩色玻璃 聚焦和传导光到纳米粒子上 金属纳米粒子胶体 6 Nano-shell Nano-prism Nano-pentagon Nano-rod Various metal nanoparticles Simplest to analyze Nano-sphere shell:空壳，rod:棒，sphere:球，pentagon:五边形

纳米金属材料的发展与应用综述

纳米金属材料的发展与应用 摘要：纳米技术的诞生将对人类社会产生深远的影响，可能许多问题的发展都与纳米材料的发展息息相关。在纳米金属材料的研究中，它的制备、特性、性能和应用是比较重要的方面。本文概要的论述了纳米材料的发现发展过程，并结合当今纳米金属材料研究领域最前沿的技术和成果，简述了纳米材料在各方面的应用及其未来的发展前景。 关键词：纳米金属材料、纳米技术、应用 一、前言 纳米级结构材料简称为纳米材料(nanomater material)，是指其结构单元的尺寸介于1纳米～100纳米范围之间。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。 纳米粒子异于大块物质的理由是在其表面积相对增大，也就是超微粒子的表面布满了阶梯状结构，此结构代表具有高表能的不安定原子。这类原子极易与外来原子吸附键结，同时因粒径缩小而提供了大表面的活性原子。 纳米技术在世界各国尚处于萌芽阶段，美、日、德等少数国家，虽然已经初具基础，但是尚在研究之中，新理论和技术的出现仍然方兴未艾。我国已努力赶上先进国家水平，研究队伍也在日渐壮大。 二、纳米材料的发现和发展 1861年，随着胶体化学的建立，科学家们开始了对直径为1~100nm的粒子体系的研究工作。1990年7月在美国召开了第一届国际纳米科技技术会议（International Conference on Nanoscience &Technology)，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。自20世纪70年代纳米颗粒材料问世以来，从研究内涵和特点大致可划分为三个阶段： 第一阶段（1990年以前）：主要是在实验室探索用各种方法制备各种材料的纳米颗粒粉体或合成块体，研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于普通材料的特殊性能；研究对象一般局限在单一材料和单相材料，国际上通常把这种材料称为纳米晶或纳米相材料。 第二阶段（1990~1994年）：人们关注的热点是如何利用纳米材料已发掘的物理和化学特性，设计纳米复合材料，复合材料的合成和物性探索一度成为纳米材料研究的主导方向。 第三阶段（1994年至今）：纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构材料体系正在成为纳米材料研究的新热点。国际上把这类材料称为纳米组装材料体系或者纳米尺度的图案材料。它的基本内涵是以纳米颗粒以及它们组成的纳米丝、管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。 三、纳米材料的应用 1、纳米磁性材料 在实际中应用的纳米材料大多数都是人工制造的。纳米磁性材料具有十分特别的磁学性质，纳米粒子尺寸小，具有单磁畴结构和矫顽力很高的特性，用它制成的磁记录材料不仅音质、图像和信噪比好，而且记录密度比γ-Fe2O3高几十

太阳能电池的的性能主要取决于它的光电转换效率和输出功率

太阳能电池板太阳能电池的的性能主要取决于它的光电转换效率和输出功率. 1.效率越大,相同面积的太阳能电池板输出功率也就越大, 用高效率的太阳 能电池板可以节省安装面积, 但是价格更贵. 2.太阳能电池的功率, 在太阳能电池板的背面标牌中, 有关于太阳能电池 板的输出参数, 如VOC开路电压,ISC短路电流,VMP工作电压,IMP工作电流, 等. 但我们只需要用工作电压和工作电流就可以了, 这两个相乘就可以得 这块太阳能电池板的输出功率. 太阳能电池板介绍：采用高质量单晶/多晶硅材料,经精密设备树脂封装生产出来的太阳能板,有良好的光电转换效果,外形美观,使用寿命长。 太阳能电池板的作用是将太阳的光能转化为电能后，输出直流电存入蓄电池中。太阳能电池板是太阳能发电系统中最重要的部件之一。 太阳能电池组件可组成各种大小不同的太阳能电池方阵，亦称太阳能电池阵列。太阳能电池板的功率输出能力与其面积大小密切相关，面积越大，在相同光照条件下的输 出功率也越大。 2.太阳能电池板的种类 (1)单晶硅太阳能电池 目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24%，这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，但制作成本很大，以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。 (2)多晶硅太阳能电池 多晶硅太阳能电池的制作工艺与单晶硅太阳能电池差不多，但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少，其光电转换效率约12%左右(2004年7月1日日本夏普上市效率为%的世界最高效率多晶硅太阳能电池)。从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。此外，多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。从性能价格比来讲，单 晶硅太阳能电池还略好。

光伏系统以及提高光伏系统光电转化效率的方法与相关技术

本技术公开了光伏系统以及提高光伏系统光电转化效率的方法。其中，光伏系统包括安装场地、光伏组件以及辐射制冷层，辐射制冷层至少部分地覆盖安装场地的表面，光伏组件设于安装场地内，辐射制冷层适于反射太阳光中的至少部分光线，并能够以红外辐射的方式将安装场地内的热量通过大气窗口向太空发射。本技术的辐射制冷层一方面反射太阳辐射以减少安装场地对热量的吸收，另一方面通过红外辐射的方式将安装场地的热量发射出，从而使安装场地形成相对于周围环境独立的“冷岛”，利用冷岛效应降低光伏组件周围环境的温度，使得设置在安装场地内的光伏组件可以在相对较低的环境温度下工作，有利于提高炎热天气下光伏组件的光电转化效率以及使用寿命。 权利要求书 1.一种光伏系统，其特征在于，包括安装场地、光伏组件以及辐射制冷层，所述辐射制冷层至少部分地覆盖所述安装场地的表面，使所述安装场地形成相对于周围环境独立的冷岛，所述光伏组件设于所述安装场地内，所述辐射制冷层适于反射太阳光中的至少部分光线，并能够以红外辐射的方式将所述安装场地内的热量通过大气窗口向太空发射，所述安装场地内所述光伏组件的安装面积不超过所述辐射制冷层表面积的75%。 2.根据权利要求1所述的光伏系统，其特征在于，所述安装场地内所述光伏组件的安装面积不超过所述辐射制冷层表面积的50%。 3.根据权利要求1所述的光伏系统，其特征在于，所述安装场地的表面包括混凝土地面、混凝土屋面、沥青地面、沥青屋面、混砖地面、混砖屋面、岩石地面、岩石屋面、琉璃瓦、彩钢瓦、粘土瓦中的一种或多种。 4.根据权利要求1所述的光伏系统，其特征在于，所述光伏系统还包括安装支架，所述安装

支架用于安装、支撑所述光伏组件，所述安装支架包括固定底座，所述辐射制冷层还覆盖所述固定底座；所述光伏系统还包括逆变器，所述辐射制冷层还覆盖所述逆变器。 5.根据权利要求1所述的光伏系统，其特征在于，所述光伏组件选自单面发电组件、双面发电组件中的一种或多种。 6.根据权利要求1-5任一所述的光伏系统，其特征在于，所述安装场地在所述辐射制冷 层的下方具有储冷空间，所述储冷空间为密闭腔体。 7.根据权利要求1-5任一所述的光伏系统，其特征在于，所述辐射制冷层为辐射制冷涂料形成的涂层，所述辐射制冷涂料包括颗粒填料以及辐射制冷功能树脂，所述颗粒填料分散于所述辐射制冷功能树脂中，所述辐射制冷层在7μm~14μm波段的红外发射率大于80%，所述辐射制冷层对太阳光的反射率大于80%。 8.一种提高光伏系统光电转化效率的方法，其特征在于，包括步骤：在用于安装光伏组 件的场地表面设置辐射制冷层，所述辐射制冷层适于反射太阳光中的至少部分光线，并能够以红外辐射的方式将所述安装场地内的热量通过大气窗口向太空发射。 9.根据权利要求8所述的提高光伏系统光电转化效率的方法，其特征在于，还包括步骤：在用于支撑所述光伏组件的安装支架表面和/或光伏系统的功能部件表面设置所述辐射制冷层，所述功能部件包括储能系统、控制系统、逆变器中的一种或多种。 10.根据权利要求8或9所述的提高光伏系统光电转化效率的方法，其特征在于，所述辐射制冷层由辐射制冷涂料干燥或固化形成。 技术说明书

能量转化效率专题

能量转化效率专题 一、能量转化效率计算（公式：能量转化效率=有效利用的能量÷总能量） 1、炉子的效率： 例题：用天然气灶烧水，燃烧0.5m 3 的天然气，使100kg 的水从20℃升高到70℃.已知水的比 热容c=4.2×103J/（kg ·℃）,天然气的热值q=7.0×107J/m 3 。求： (1)0.5m 3 天然气完全燃烧放出的热量Q 放。 （2）水吸收的热量Q 吸。 （3）燃气灶的效率η。 2、太阳能热水器的效率： 例题：某太阳能热水器的水箱接受太阳热辐射2.4×107 J,如果这些热量使水箱内50L 温度30℃的水，温度上升到57℃，求太阳能热水器的效率。 3、汽车的效率： 例题：泰安五岳专用汽车有限公司是一家大型的特种专用汽车生产基地。该厂某型号专用车在 车型测试中，在一段平直的公路上匀速行驶5.6km ，受到的阻力是3.0×103 N ，消耗燃油1.5×10－3m 3（假设燃油完全燃烧）。若燃油的密度ρ＝0.8×103kg/m 3，热值q ＝4×107 J/kg ，求： （1）专用车牵引力所做的功。 （2）已知热机效率η＝W Q （式中W 为热机在某段时间内对外所做的功，Q 为它在这段时间内所消耗的燃油完全燃烧所产生的热量），则该专用车的热机效率是多少？ 4、电热水器的效率： 例题：标有“220V,1000W ”的电水壶内装有2kg 的水，正常工作10min ，使水温升高了50℃，求：（1）水吸收的热量是多少J ？ （2）电水壶消耗了多少J 的电能？ （3）此电水壶的效率是多少？

5、电动机车的效率： 电动自行车以其轻便、经济、环保倍受消费者青 睐。某型号电动自行车的主要技术参数如表所示。在某平直路段上，电动自行车以额定功率匀速行驶时，受到的平均阻力为40N 。若自行车以7m/s 的速度行驶了1min 则， ①此时自行车克服阻力做了多少功？ ②消耗了多少J 的电能？ ③电动自行车的效率多大？ 巩固练习： 1、天然气在我市广泛使用，已知天然气的热值为4×107 J ／m 3 。，完全燃烧0.05m 3 天然气可以放出多少J 的热量，这些热量若只有42％被水吸收，则可以使常温下5kg 的水温度上升多少℃。 [水的比热容为4.2×103 J/(kg ·℃)] 2、小红家里原来用液化石油气烧水，每天用60℃的热水100kg 。她参加“探究性学习”活动后，在老师和同学的帮助下，制造了一台简易的太阳能热水器。 （1）若用这台热水器每天可将100kg 的水从20℃加热到60℃，这些水吸收的热量是多少？ （2）若液化石油气燃烧放出的热量有70%被水吸收，她家改用太阳能热水器后平均每天可节约液化石油气多少kg ？（液化石油气的热值是8.0×107 J/kg ） （3）请你说出太阳能热水器的优点。（至少说出一条） 3、太阳能热水器是直接利用太阳能给水加热的装置，下表是小明家的太阳能热水器某天在阳光 照射下的相关信息：其中太阳辐射功率是指1h 内投射到1m 2 面积上的太阳能 求：（1）水在10h 内吸收的热量； （2）太阳能热水器的能量转化效率。 4、如图所示为小艳家新买的一辆小汽车．周末，爸爸开车带着小艳出去游玩，途中，这辆汽车在1h 的时间内，在水平路面上匀速行驶了72km ，消耗汽油6kg ．若已知该汽车发动机的功率（即 牵引力的功率）为23kW ，汽油的热值为4.6×107 J/kg ，g=10N/kg ．则 （1）该汽车克服阻力做的功是多少； （2）该汽车的牵引力是多少N （3）该汽车发动机的效率是多少。 5、随着“西气东输”，天然气进入扬州市民家庭，小明家已经开始使用天然气了。小明家原来

纳米粉体材料行业分析报告行业基本情况

报告概要 行业评级：纳米粉体新材料行业推荐 行业内重点公司推荐：广东羚光 行业分析师：袁熠 执业证编号：S123011470019 电话：（021）64318677 Email：YuanYi@https://www.wendangku.net/doc/788236953.html, 纳米粉体材料行业分析报告 一、行业基本情况 1、行业主管部门及监管体制 公司属于金属制品制造业，行业主管部门是国家发展与改革委员会、工业和信息化部及其各地分支机构，主要负责产业政策的制定并监督、检查其执行情况；研究制定行业发展规划，指导行业结构调整、行业体制改革、技术进步和技术改造等工作。 中国微米纳米技术学会（CHINESE SOCIETY OF MICRO-NANO TECH-NOLOGY，英文缩写为 CSMNT）是全国范围纳米行业的自律性管理组织，其主要筹办各种学术活动，包括组织各种学术会、展览会、战略研讨会、国际交流等等，为我国微米纳米技术的计划与规划、关键技术联合攻关、技术交流、人才培养、科学普及发挥重要作用，为国内外各界微米纳米技术研究人员和单位的交流、科研成果的转化和产业化提供交流平台。 江苏省新材料产业协会是江苏省内的新材料行业自律性组织，协会由全省新材料产业领域的企事业单位、大专院校、科研机构以及其他相关经济组织自愿组成，是实行行业服务和自律管理的全省性、行业性、非盈利性的社会组织。主要开展新材料产业全面调查，研究发展趋势，参与制定新材料产业规划和产品技术、质量行业标准，构建综合服务平台，促进产业体制和技术创新，促进新材料企业

持续发展，为江苏省新材料产业发展提供助力。 目前，国家发展与改革委员会、工业和信息化部对行业的管理仅限于宏观管理、政策性引导，行业协会进行指导性管理，公司自主从事业务发展、内部管理和生产经营。纳米材料行业市场化程度较高，主要表现在市场主体和交易方式上，政策壁垒已经完全消除，企业可以自由进入，产品价格由市场供求关系决定，国家不干预企业产品定价，行业运作已经充分市场化。 2、行业主管法律法规 （1）主要法律法规 行业相关法规： （2）国家标准 国家质检总局与国家标准委联合发布的与纳米材料有关的国家标准，主要有： 3、行业主要产业政策 公司处于前沿技术细分行业，公司产品主要运用于片式元件（电容器、电感器和电阻器）、新能源等领域，公司产品的应用领域符合国家的产业政策，属于国家鼓励发展行业，影响本行业发展的法律法规及政策主要有： 2016年6月江苏省政府发布的《江苏省国民经济和社会发展“十三五”规划

初中物理专题复习能量转化中的效率计算

初中物理专题复习能量转化中的效率计算 能量可以从一种形式转化为另一种形式，要实现这种能量的转化需要一定的设备，由于设备本身的限制，不可能将一种能量全部转化为另一种能量，这就出现了设备的效率问题。笔者发现，2011年各地中考以设备的效率为载体，围绕有用的能量和总能量涉及的相关知识设置考点，试题的综合性较强，覆盖初中物理的力、热、电、能量等知识。 1．锅炉的效率 例1．（2011鞍山）某中学为学生供应开水，用锅炉将200kg的水从25℃加热到100℃，燃烧了6kg 的无烟煤。水的比热容是4.2×103J／（kg·℃），无烟煤的热值是3.4×l07J／kg。求： （1）锅炉内的水吸收的热量是多少? （2）无烟煤完全燃烧放出的热量是多少? （3）此锅炉的效率是多少? 解析：试题以锅炉为载体，考查了吸热升温公式和燃料燃烧放热公式。要求锅炉的效率，需要清楚锅炉将燃料燃烧放出的热量转化为水的内能，因此水温度升高吸收的热量是有用的能量，无烟煤完全燃烧放出的热量是总能量。 答案：（1） （2） （3）锅炉的效率

2．柴油抽水机的效率 例2．（2011荆门）今年我省出现大面积干旱，造成农田缺水，严重影响农作物生长，为缓解旱情，很多地方采用柴油抽水机从江湖中引水灌溉。某柴油抽水机把湖水抬升4.5m流入沟渠，再去灌溉农田。已知在2h内抬升了1600m3的水，此柴油抽水机的效率为40%，柴油的热值为4.5×107J/kg，g取10N/kg，求：（1）此柴油抽水机2h做了多少有用功？℃ （2）此柴油抽水机工作2h消耗了多少柴油？ （3）此柴油抽水机的总功率为多少千瓦？ 解析：柴油抽水机将柴油完全燃烧产生的能量通过克服重力做功转化为水的重力势能。试题以此为载体，考查了质量、密度、重力、热值、功和功率等知识。 （1）虽然抽水机是将水连续地分批抽上去，我们可以想象成抽水机将全部1600m3的水一次性地在2h 内缓慢抬升4.5m，这就是等效法的应用。这样利用计算出水的质量，再用计算重力，然后用就可以计算出有用功。 （2）要计算柴油的质量，需要先计算柴油燃烧放出的热量。这就要利用柴油抽水机的效率为40%这个数据。教学中发现很多同学常犯一个错误，就是利用柴油抽水机做的有用功去乘以效率。避免错误的方法 是想清楚柴油燃烧放出的热量是总的能量，总的能量要比有用的能量数值大。应该根据，得到 。 （3）柴油抽水机的总功率应该用总能量除以时间计算，总能量就是柴油燃烧放出的热量，时间是2h，要注意把单位化成秒。 答案：（1）

纳米金属粉末制备方法综述

摘要纳米粉末具有特殊性质, 并在各个领域得到广泛应用。本文详细介绍了制备纳米粉末的方法, 如机械法、物理法和化学法，和这些方法的原理、技术特点、研究进展和局限性。最后提出目前仍需解决的一些问题并对纳米金属粉末新的制备方法做出展望。 关键词纳米粉末;制备方法;机械法;物理法;化学法 一．绪论 超细粉末的概念于20世纪60年代提出,粉末的粒度一般要求小0.1um( 100nm),即在1~ 100nm间,故超细粉末又称作纳米粉末。由于纳米微粒本身的结构与常规材料不同,所以具有许多新奇的特性。比如纳米金属粉末就具有不同普通材料的光、电、磁、热力学和化学反应等方面的奇异性能, 是一种重要的功能材料,具有广泛的应用前景。现已在国防、化工、轻工、航天、冶金等领域得到重要应用,因而引起了人们的注意。80年代以来, 纳米粉末作为一种新型材料,已引起了各国政府及科学家的极大重视,美国、日本、西欧等发达国家都将其列入发展高技术的计划中,投入了相当的人力和物力,例如美国的“星球大战”计划、西欧各国的“尤里卡”计划、日本 1981 年开始实施的“高技术探索研究”计划以及我国的“863”计划,都列入了纳米材料的研究和开发。目前一些纳米粉末,如钛酸钡、氮化硅、氧化锆等已经实现了商品化。我国在纳米粉末研究方面起步较晚,80年代后期才开始比较系统的研制开发。近年来取得一些成效,特别是一些大学和研究所在理论研究和实验室规模中试水平上有了较大的发展。但总的说来,我国在这一领域与世界先进水平相比, 仍有一定差距。本文将重点介绍目前已研究的纳米粉末的制备方法。 二．方法综述 2.1机械法 机械法就是借助于机械力将大块金属破碎成所需粒径粉末的一种加工方法。按照机械力的不同可将其分为机械冲击式粉碎法、气流磨粉碎法、球磨法和超声波粉碎法等。目前普遍使用的方法还是球磨法和气流磨粉碎法,其优点是工艺简单、产量大,可以制备一些常规方法难以得到的高熔点金属和合金的超细纳米粉末。 2. 1. 1球磨法 球磨法主要分为滚动球法和振动球磨法。该方法利用了金属颗粒在不同的应变速率下因产生变形而破碎细化的机理。其优点是对物料的选择性不强,可连续操作,生产效率高,适用于干磨、湿磨,可以进行多种金属及合金的粉末制备。缺点是在粉末制备过程中分级比较困难。 2. 1. 2气流磨粉碎法 气流磨粉碎法是目前制备磁性材料粉末应用最广的方法。具体的工艺过程为:压缩气体经过特殊设计的喷嘴后,被加速为超音速气流,喷射到研磨机的中心研磨区,从而带动研磨区内的物料互相碰撞,使粉末粉碎变细;气流膨胀后随物料上升进入分级区,由涡轮式分级器分选出达到粒度的物料,其余粗粉返回研磨区继续研磨, 直至达到要求的粒度被分出为止。整个生产过程可以连续自动运行,并通过分级轮转速的调节来控制粉末粒径大小(平均粒度在3～ 8 μ m)。气流磨粉碎法适于大批量工业化生产,工艺成熟。缺点是在金属粉末的生产过程中,必须使用连续不断的惰性气体或氮气作为压缩气源,耗气量较大;只适合脆性金属及合金的破碎制粉。

能量转化中的效率计算

能量转化中的效率计算 能量可以从一种形式转化为另一种形式，要实现这种能量的转化需要一定的设备，由于设备本身的限制，不可能将一种能量全部转化为另一种能量，这就出现了设备的效率问题。笔者发现，2019年各地中考以设备的效率为载体，围绕有用的能量和总能量涉及的相关知识设置考点，试题的综合性较强，覆盖初中物理的力、热、电、能量等知识。 1．锅炉的效率 例1．（2019鞍山）某中学为学生供应开水，用锅炉将200kg 的水从25℃加热到100℃，燃烧了6kg的无烟煤。水的比热容是4.2×103J／（kg·℃），无烟煤的热值是3.4×l07J／kg。求： （1）锅炉内的水吸收的热量是多少? （2）无烟煤完全燃烧放出的热量是多少? （3）此锅炉的效率是多少? 解析：试题以锅炉为载体，考查了吸热升温公式和燃料燃烧放热公式。要求锅炉的效率，需要清楚锅炉将燃料燃烧放出的热量转化为水的内能，因此水温度升高吸收的热量是有用的能量，无烟煤完全燃烧放出的热量是总能量。 答案：（1） （2） （3）锅炉的效率

2．柴油抽水机的效率 例2．（2019荆门）今年我省出现大面积干旱，造成农田缺水，严重影响农作物生长，为缓解旱情，很多地方采用柴油抽水机从江湖中引水灌溉。某柴油抽水机把湖水抬升4.5m 流入沟渠，再去灌溉农田。已知在2h内抬升了1600m3的水，此柴油抽水机的效率为40%，柴油的热值为4.5×107J/kg，g取10N/kg，求： （1）此柴油抽水机2h做了多少有用功？℃ （2）此柴油抽水机工作2h消耗了多少柴油？ （3）此柴油抽水机的总功率为多少千瓦？ 解析：柴油抽水机将柴油完全燃烧产生的能量通过克服重力做功转化为水的重力势能。试题以此为载体，考查了质量、密度、重力、热值、功和功率等知识。 （1）虽然抽水机是将水连续地分批抽上去，我们可以想象成抽水机将全部1600m3的水一次性地在2h内缓慢抬升 4.5m，这就是等效法的应用。这样利用计算出水的质量，再用计算重力，然后用就可以计算出有用功。 （2）要计算柴油的质量，需要先计算柴油燃烧放出的热量。这就要利用柴油抽水机的效率为40%这个数据。教学中发现很多同学常犯一个错误，就是利用柴油抽水机做的有用功去乘以效率。避免错误的方法是想清楚柴油燃烧放出的热量是总的能量，总的能量要比有用的能量数值大。应该根据，得

表面等离子体共振原理及其化学应用

表面等离子体共振原理及其应用 李智豪 1.表面等离子体共振的物理学原理 人们对金属介质中等离子体激元的研究, 已经有50多年的历史。1957年Ritchie发现, 高能电子束穿透金属介质时, 能够激发出金属自由电子在正离子背景中的量子化振荡运动, 这就是等离子体激元。后来,人们发现金属薄膜在入射光波照射下, 当满足特定的条件时, 能够激发出表面等离子体激元, 这是一种光和自由电子紧密结合的局域化表面态电磁运动模式。由于金属材料的吸收性质,光波沿金属表面传播时将不断被吸收而逐渐衰减, 入射光波的能量大部分都损耗掉了, 造成反射光的能量为最小值, 这样就把反射光谱的极小值与金属薄膜的表面等离子体共振联系了起来。 1.1 基本原理[1] 光与金属物质的相互作用主要是来自于光波随时间与空间作周期性变化的电场与磁场对金属物质中的电荷所产生的影响,导致电荷密度在空间分布中的变化以及能级跃迁与极化等效应,这些效应所产生的电磁场与外来光波的电磁场耦合在一起后,表达出各种不同光学现象。 等离子体是描述由熔融状态的带电离子所构成的系统,由于金属的自由电子可当作高密度的电子流体被限制于金属块材的体积范围之内,因此亦可类似地将金属视为一种等离子体系统。当电磁波在金属中传播时,自由电子会随着电场的驱动而振荡,在适当条件下,金属中传播之电磁波其电场振荡可分成两种彼此独立的模态,其中包含电场或电子振荡方向凡垂直于电磁波相速度方向的横波模态,以及电场或电子振荡方向凡平行波的传播方向纵波模态。对于纵波模态,自由电子将会沿着电场方向产生纵向振荡的集体运动,造成自由电子密度的空间分布会随时间之变化形成一种纵波形式之振荡,这种集体运动即为金属中自由电子之体积等离子体振荡。 金属复介电常数的实部相对其虚部来说,往往是一个较大的负数,金属的这种光学性质,使金属和介质的界面处可传输表面等离子波,使夹于两介质中间的金属薄膜可传输长程表面等离子波。这两类表面波具有不同于光导波的独特性质,例如,有效折射率的存在范围大、具有场

金属纳米材料的应用研究

金属纳米材料的应用与研究 【前言】著名科学家费曼于1959年所作的《在底部还有很大空间》的演讲中，以“由下而上的方法”(bottom up) 出发，提出从单个分子甚至原子开始进行组装，以达到设计要求。他说道，“至少依我看来，物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。”并预言，“当我们对细微尺寸的物体加以控制的话，将极大得扩充我们获得物性的范围。”[1] 1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。1982年，科学家发明研究纳米的重要工具－－扫描隧道显微镜，使人类首次在大气和常温下看见原子，为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用。 1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。 【摘要】纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术。文章简要地概述了纳米技术，纳米材料的结构和特殊性质以及纳米纳米材料各方面的性能在实际中的应用，并展望了纳米材料的应用前景。 1．纳米科学和技术 1.1 纳米科技的定义 纳米科技是20世纪80年代末诞生并正在崛起的新科技，是一门在0.1~ 100 nm尺度空间内，研究电子、原子和分子运动规律和特性的高技术学科。其涵义是人类在纳米尺寸（10-9--10-7m）范围内认识和改造自然，最终目标是通过直接操纵和安排原子、分子而创造特定功能的新物质。纳米科技

是现代物理学与先进工程技术相结合的基础上诞生的，是一门基础研究与应用研究紧密联系的新兴科学技术。其中纳米材料是纳米科技的重要组成部分。 1.2 纳米科技的内容 纳米科技主要包含：纳米物理学；纳米电子学；纳米材料学；纳米机械学；纳米生物学；纳米显微学；纳米计量学；纳米制造学…… 1.3 纳米科技的内涵 第一：纳米科技不仅仅是纳米材料的问题。目前科技界普遍公认的纳米科技的定义是：在纳米尺度上研究物质的特性和相互作用以及如何利用这些特性和相互作用的具有多学科交叉性质的科学和技术。纳米科技与众多学科密切相关，它是一门体现多学科交叉性质的前沿领域。现在已不能将纳米科技划归任何一个传统学科。如果将纳米科技与传统学科相结合，可产生众多的新的学科领域，并派生出许多新名词。这些新名词所体现的研究内容又有交叉重叠。若以研究对象或工作性质来区分，纳米科技包括三个研究领域：纳米材料；纳米器件；纳米尺度的检测与表征。其中纳米材料是纳米科技的基础；纳米器件的研制水平和应用程度是人类是否进入纳米科技时代的重要标志；纳米尺度的检测与表征是纳米科技研究必不可少的手段和理论与实验的重要基础。目前人们对纳米科技的理解，似乎仅仅是讲纳米材料，只局限于纳米材料的制备,这是不全面的。主要原因：国内科研经费的资助以及有影响的成果的获得，主要集中在纳米材料领域，而且我国目前纳米科技在实际生活中的应用也最先在纳米材料这一领域表现出来。我国现在300余家从事纳米科技研发的公司也主要是从事纳米材

光电转换电路的设计与优化

光电检测技术与应用课程设计 成绩评定表 设计课题：光电转换电路的设计与优化 学院名称：电气工程学院 专业班级：测控1002班 学生姓名：张春雨 学号：201048770221 指导教师：张晓辉 设计地点：31-518、E01-S304 设计时间：2013-06-24～2013-06-30 指导教师意见： 成绩: 签名：年月日

光电检测技术与应用课程设计 课程设计名称：光电转换电路的设计与优化 专业班级：测控1002班 学生姓名：张春雨 学号：201048770221 指导教师：张晓辉 课程设计地点：31-518 课程设计时间：2013-06-24～2013-06-30

光电转换电路的设计与优化 摘要： 通过对光电转换电路的前置放大及主放大电路设计的详细分析研究，给出了电路放大、滤波、降噪等优化处理方法．实现了将有用信号从噪声中分离并输出的目的．对光电转换电路从原理设计到最终制板过程中影响其性能参数及稳定性的因素进行了深入的探讨，提出了对电路器件选择、排列、布线以及降噪等方法的选择标准和依据．关键词：光电转换、前置放大、光电二极管 正文： 光电技术是将传统的光学技术与现代电子技术与计算机技术相结合的一种高新技术．以光电转换电路为核心的光电检测技术已经被广泛地应用到军事、工业、农业、环境科学、医疗和航天等诸多领域．所谓的光电转换是以光电二极管为基础器件，通过将照射于二极管上光通量的改变量转化为相应的光电流，再经过前置放大、主放大等后续电路进一步优化有用信号，最后实现与上位机与相应算法的连接．由此可见，任何光电检测系统中，光电转换电路的设计与优化都是重中之重，它性能的稳定以及相关参数的合理性将决定着整个检测系统的设计成败． 一、光电转换一前置放大电路的设计 光电二极管在受到光照时，会产生一个与照度成正比的小电流，因此是很好的光一电传感器．光电二极管可以在2种模式下工作，一是零

生物能量转换效率

生物能量转换效率 根据科技部发布的《全民节能减排手册》，如果每月用手洗代替一次机洗，每台洗衣机每年可节能约1.4千克标准煤，相应减排二氧化碳3.6千克。如果全国1.9亿台洗衣机都因此每月少用一次，那么每年可节能约26万吨标准煤，减排二氧化碳68.4万吨。 对于清洁衣服，很多白领和年轻人有着很高的要求，怕染色、怕交叉感染，所以常常一堆衣服要分两三次洗完。其实，这是一种不低碳的生活方式，专家表示，如果每月用手洗代替一次机洗，每台洗衣机每年可相应减排二氧化碳3.6千克。 读者王小姐说，冬天时，每个周六她都要花一个下午来洗衣服，贴身衣物、深色外衣、浅色外衣，至少要用洗衣机洗三次。“其实贴身衣物很小很薄，虽然衣服少，但是洗衣机不会偷懒，还是用那么多水和电，我总是觉得很浪费。现在天气暖和了，完全可以用手洗代替，不仅低碳，还更干净。”自从用手洗衣服后，王小姐说她每周的洗衣时间缩短了一个小时，而且用水量也明显减少了。“我发现洗衣服还挺累的，就当锻炼身体了！” 这里明显有个问题，科技部认为手洗是不用能量的！其实生物的能量转化效率是较低的。 一只鹰2千克要吃10千克小鸟能量传递效率2/10=20% 0.25千克小鸟要吃2千克昆虫能量传递效率0.25/2= 12.5% 100千克昆虫要吃1000千克绿色植物能量传递效率100/1000=10% 真正有用的质量只有： 20%×12.5%×10%=0.25% 而且，生物做功时，有用的质量变成机械能还要浪费大部分，分解一分子葡萄糖产生2870KJ能量，而只有1161KJ用于合成ATP，只有ATP中的能量才被用于生命活动，其余几乎都以热的形式散失了。算一算大约40%多吧。 这样看来，利用人的手工劳动以代替机器是得不偿失的。所以有经验的老板总是用机器代替工人，不会像科技部那样建议手洗代替机洗的。