摘 要

本文借助FDTD Solutions软件模拟了三种结构：（1）玻璃衬底上的银（Ag）一维光栅、（2）中间有有机层的玻璃衬底上的Ag一维光栅和（3）中间有有机层的硅（Si）衬底上的Ag一维光栅结构,观察具有不同光栅周期的三种结构的吸光率曲线，进一步改变光栅厚度、占空比和有机层的厚度，比较各个参数的改变对结构（3）吸光率的影响。所得的结果对于太阳能电池、光电探测器的探测电极的设计具有重要的指导意义。

论文主要研究了光入射到Ag一维金属光栅所产生的表面等离子体对整体结构的吸光率的影响。我们所设计了三个结构，从简单到复杂，逐步的分析每一层对吸光率的影响。同时，我们还研究了在最复杂的情况下，Ag一维光栅和有机层的结构参数对吸光率的影响。

研究结果表明：Ag一维光栅电极确实可以提高结构的整体吸光率，同时吸收峰随着光栅周期的增加向长波长方向移动。并且光栅厚度的减小会使两个吸收峰相互靠近，占空比的减小会使两个吸收峰向短波长反向一起移动，并且吸收峰的吸光率上升。

本文的特色：本论文不仅仅是分析了结构中的各层材料对吸光率的影响，同时还分析了结构的几何参数的改变对吸光率的具体影响，这对设计具有特定吸光效应的金属电极具有重要的指导意义。

关键词：表面等离子体；金属纳米结构；光栅；吸光率

Abstract

In this thesis, FDTD Solutions has been used to simulate the three kinds of nanostructures: (1) silver(Ag) grating/glass substrate, (2) Ag grating/PEDOT:PSS glass substrate, (3) Ag grating/PEDOT:PSS/silicon substrate, and then observe the absorbance curve three kinds of structures with different grating periodicity. Furthermore, the thickness and the duty ratio of the grating as well as the thickness of the organic layer have been changed to compare the variation of the absorbance of structure (3) for analyzing the influence of each parameter. The results demonstrated in this thesis are important for the solar cell and photodetector applications.

The thesis mainly studied the surface plasmon of Ag grating excited by incident light, in order to analyze the change of the absorbance of the composite structure. We designed the three structures, from simple to complicate, to analyze the influence on the absorbance by each layer step by step. Meanwhile, we also investigated how the parameters of the Ag grating and organic layer affect the absorbance for the most complicate cases.

The simulated results show that the Ag grating can improve the absorbance of the whole structure, and the absorption peak shifts to long wavelength with the increase of the grating periodicity. The decrease of the thickness of grating can make two absorption peaks approach to each other. The decrease of the duty ratio can make two absorption peaks move to the short wavelength and the intensity of the absorption peak increases.

Characteristic of this paper: this paper not only analyzed how the materials of the structure influence the absorbance, but also analyzed how the geometric parameters of the structure influence the absorbance peak. It has important guiding significance to design a special structure with specific absorption.

Key Words：surface plasmon；metal nanostructures；grating；absorbance

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究目的 1

1.3 研究意义 1

1.4 国内外研究现状分析 1

1.5 研究方法 2

第2章 模拟方法 3

2.1 二维指教坐标系FDTD方法 3

2.2 表面等离子体 4

2.2.1 表面等离子体的色散关系 6

2.2.2 表面等离子体的激发 7

2.3.1 理想匹配层吸收边界条件 8

2.3.2 周期性边界条件 8

2.4 模拟软件 9

第3章 Ag一维光栅玻璃衬底对吸光率的影响 11

3.1 结构模型 11

3.2 模拟参数设置 11

3.3 监视器的设置 12

3.4 模拟结果分析 16

3.4.1 个例分析 16

3.4.2 总体趋势分析 19

3.5 本章总结 21

第4章 Ag一维光栅加PEDOT层对吸光率的影响 22

4.1 结构模型 22

4.2 模拟参数设置 22

4.3 模拟结果分析 23

4.3.1 个例分析 23

4.3.2 整体趋势分析 26

4.3.3 章节对照 27

4.4 本章总结 27

第5章 Ag一维光栅Si衬底对吸光率的影响 28

5.1 结构模型 28

5.2 模拟参数设置 28

5.3 模拟结果分析 28

5.3.1 个例分析 28

5.3.3 章节对照 32

5.4 本章总结 32

第6章 Ag一维光栅参数对吸光率的影响 33

6.1 光栅厚度对吸光率的影响 33

6.2 光栅占空比对吸光率的影响 33

6.3 有机层厚度对吸光率的影响 34

6.4 本章总结 35

第7章 结论 36

参考文献 37

附录：FDTD Solutions程序 38

致 谢 39

1. 绪论

1.1 研究背景

随着石油资源的大量运用和逐渐减少，关于新型能源的开发和利用越来越多的出现了全球各个实验室的项目列表中。其中包括风力、水力、核电、太阳能等等清洁的新型能源。其中太阳能是最有发展潜力的，太阳能电池作为太阳能获取的重要手段，其对太阳能的吸收率直接决定了太阳能电池是否能够成为人类未来的新能源。通过在太阳能电池中加入金属纳米微粒，利用光照射到金属纳米微粒上激发出的表面等离子体，可以提高有机层的吸光率，从而提高太阳能电池的光电转化效率。利用同样的原理，在光电探测器中加入金属的纳米微粒也可以提高光电探测器的吸光率，从而达到放大信号的效果，从而提高光电探测器的灵敏度。

在太阳能电池上看到了希望的人们，开始越发的钻入这个领域，深入物质的本质，深究现象的原因，利用实验得到数据，利用数据反过来再去模拟，通过改变金属纳米结构、有机层材质、厚度等参数，来获得自己想要的器件对入射光的响应。