CN104866649A - 等离子体器件的光电转换效率多尺度建模和检测方法 - Google Patents

Abstract

一种等离子体器件的光电转换效率多尺度建模和检测方法，将等离子体器件划分为量子区域和经典区域，量子区域包括第一半导体，经典区域包括衬底、金属纳米颗粒层、第一电极、第二电极和第二半导体；对第一电极和第二电极施加偏压，并通过入射光激发金属纳米颗粒层的等离子体激元，使得量子区域由等离子体激元激发引起电场增强效应；在等离子体激元的激发中，在经典区域中进行经典电动力学分析，得到量子区域经金属纳米颗粒层散射后的电势分布，利用量子力学获得电子的光激发和输运过程，通过自洽获得等离子体器件的电流进而获得光电转换效率。本发明能同时把量子力学的精确性和电磁学的高效性结合起来实现对等离子体器件的光电转换效率精确检测。

Description

等离子体器件的光电转换效率多尺度建模和检测方法

技术领域

本发明涉及纳米光子学领域，具体涉及一种等离子体器件的光电转换效率多尺度建模和检测方法。

背景技术

表面等离子体光子学(Plasmonics)是将表面等离子体技术应用到光子学领域而在近年来迅速发展起来的一门新学科，它是构成纳米光子学的最重要部分。表面等离子体光子学包含非常广泛的应用，例如电场增强、表面增强光谱、增强的光透射、表面等离子体纳米波导、太阳能电池板、表面等离子体共振传感器、表面增强的能量转移及选择性光吸收等等。

表面等离子体是沿着导体表面传播的波，当改变金属表面结构时，表面等离子体激元(surface plasmon polaritons，SPPs)的性质、色散关系、激发模式、耦合效应等都将产生重大的变化。通过表面等离子体激元与光场之间相互作用，能够实现对光传播的主动操控。1956年，David Pines从理论上描述了快电子通过金属时的特征能量损耗，并将此损耗归因于金属中自由电子的集体振荡。类比于之前发展的气体放电的等离子体振荡，他将此振荡称之为等离子体。1968年，实现了在金属薄膜表面用光激发产生表面等离子体，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。表面等离子体激发能够产生非常特殊的光电性质，可以产生很强的局域电场，能够使得拉曼散射(SERS，光子与分子振动的能量交换)增强三个量级以上。

然而，由于表面等离子体激元相关实验的时间和空间复杂度，限制了我们对当中电子与光子相互作用的研究，理论模拟和探索相关的特性因此变得非常重要。但传统的计算方法主要是基于经典电动力学，很多时候表面等离子体激元涉及到跨尺度的问题，例如表面增强光谱，其中体系里光敏感部分包括从纳米到微米尺度，传统的经典电动力学难以描述在纳米尺度下的各种特性。另外，虽然量子力学方法能够描述微观体系，但受到计算资源的局限，量子力学方法难以对微米尺度体系进行模拟。在表面等离子体激元的研究中如何更精确进行建模和模拟计算，并使等离子体器件的架构和性能更优化已经成为目前一个亟待解决的技术问题。

发明内容

针对现有表面等离子体激元建模和模拟计算所存在的问题，本发明的目的是提供一种等离子体器件的光电转换效率多尺度建模和检测方法。该光电转换效率多尺度建模和检测方法把等离子体器件划分成量子区域和经典区域，其中表面等离子体激元的激发过程是通过经典的电动力学方法描述，而由表面等离子体激元引起的电场增强效应将会在量子区域里考虑，即利用经典电动力学模拟等离子体激元的光散射，而光电转换过程则利用量子力学来进行，并且两个区域的讯息将通过界面处的边界条件来交换的多尺度检测方法。

为达到以上目的，本发明的技术方案如下：

一种等离子体器件的光电转换效率多尺度建模和检测方法，其中所述等离子器件包括衬底、位于衬底上的第一电极、位于所述第一电极上的半导体组件和第二电极、以及夹设在所述半导体组件和所述第二电极之间的金属纳米颗粒层，其中所述半导体组件包括位于其中心位置的第一半导体和包围所述第一半导体的第二半导体，所述多尺度建模和检测方法包括以下步骤：

①进行所述多尺度建模，将所述等离子体器件划分为量子区域和经典区域，其中所述量子区域包括第一半导体，所述经典区域包括衬底、金属纳米颗粒层、以及由第一电极、第二电极和第二半导体构成的经典导电区域；对所述等离子体器件划分成三维网格；在所述量子区域建立原子模型；

②对所述第一电极和第二电极施加偏压，并通过入射光激发金属纳米颗粒层的等离子体激元；对所述经典区域中进行经典电动力学计算，获得所述量子区域经所述金属纳米颗粒层散射后所述三维网格中每个格点的标量电势分布V和矢量电势分布A；

③在所述原子模型进行量子力学分析，利用步骤②获得在辺界上的电势分布以计算哈密顿，而计算得非平衡格林函数，并包括电子和光子相互作用，以检测所述量子区域里电子的光激发和输运过程,获得所述量子区域里的电流I：

[G^a]⁺＝G^r＝[ES-H(V,A)]^-1

$G^{<}\left(E\right)=G^r\left(E\right)[i{\mathrm{\&Sigma;}}^{<}\left(E\right)+{\mathrm{\&Sigma;}}_{\mathrm{ep}}^{<}\left(E\right)]G^a\left(E\right)$

其中，Σ^＜和Σ^＞为电极自能项，用于描述电极对体系的影响，G^<和G^>为非平衡格林函数，哈密顿H为电势分布(V，A)的函数，S为重叠矩阵，E为能量，q为基本电荷，为普朗克常数，I为电流。

④将步骤③中得到的所述量子区域的电流I，通过界面处的辺界反馈到经典区域，以满足电流连续性方程：

$\&dtri;\&CenterDot;I+\frac{\&PartialD;\mathrm{\&rho;}}{\&PartialD;t}=0;$

其中，ρ为电荷密度，t为时间，▽·为散度算子。

⑤判断量子区域的电流I的相对值是否小于10^-6以获得收敛结果，如果不收敛则依次进行步骤②到④，以获得每个格点的新的标量电势分布V、矢量电势分布A和量子区域的电流；如果收敛则得出量子区域和经典区域的自洽后等离子体器件的电流；以及

⑥在检测过程中改变外加偏压，通过重复进行上述步骤②到⑤得到最大输出功率并获得等离子体器件的光电转换效率。

本发明等离子体器件的光电转换效率多尺度建模和检测方法实质为一种多尺度量子力学和电磁学检测方法，包括对于计算开放体系的量子力学、基于有限体积法的电磁学和基于半导体方程的偶合。其中，利用有限体积法模拟金属纳米颗粒的等离子体的激发，入射光是通过边界条件引入，金属表面或颗粒利用Lorentz－Drude模型描述。本发明多尺度建模和检测方法由于已加入半导本方程的偶合，通过漂移扩散模型，可以准确描述半导体材料如硅、氮化镓、二氧化钛，应用到表面等离子体太阳能电池的模拟上。进而，等离子体引起的电场增强通过边界条件对量子区域作出影响，量子区域的光学响应通过界面处的边界条件反馈，利用非平衡格林函数求解量子区域里的量子输运，其中电子光子相互作用是通用自能项考虑，通过自洽获得等离子体器件的光电转换效率。

此外，本发明中在所述等离子体器件的经典区域的等离子体激元被激发时，在所述第一电极和第二电极的两端施加的所述偏压的电压取值为0-1.5V。

前述在步骤②获得每个格点的标量电势分布V和矢量电势分布A时，其中金属的介电函数为：

$\mathrm{\&epsiv;}={\mathrm{\&epsiv;}}_0(1-\frac{{\mathrm{\&omega;}}_p^2}{{\mathrm{\&omega;}}^2+\mathrm{i\&gamma;\&omega;}})$

其中，ε₀为真空介电常数、ω为频率、ω_p为等离子体激元共掁频率、γ为衰减常数。

前述在步骤②获得每个格点的标量电势分布V和矢量电势分布A时，其中所述半导体组件将应用漂移扩散模型：

▽·[qμ_nn(-▽V)+kTμ_n▽n]＝0,

▽·[qμ_pp(-▽V)-kTμ_p▽p]＝0

其中，q为基本电荷、μ_n、μ_p分别为电子和空穴的迁移率、k为波兹曼常数、T为温度、▽n和▽p为电子和空穴梯度、▽V为电势梯度、▽·为散度算子。

前述等离子体器件为太阳能电池板，在对所述太阳能电池板进行光电转换效率检测时，表面等离子体激元能够在所述金属纳米颗粒层的表面产生强的局域电场，金属纳米颗粒层激发的表面等离子体激元共振频率位于可见光区或红外区。

前述使用无限平面电流边界条件模拟所述入射光，所述等离子体激元被激发时引起的电场增强通过界面处的边界传递给量子区域。

前述在经典区域使用有限体积法、有限元或者有限差分法检测电势分布。

前述在经典区域使用有限体积法，其优点在可以用以离散积分方程，有别于其他方法只能用于离散微分方程。

前述在经典区域使用有限体积法，并通过对微分算符的拟态离散实现电荷守恒。

本发明具有如下的有益效果：

1、将等离子体器件分成量子区域和经典区域，其中表面等离子体激元的激发过程是通过经典的电动力学方法描述，而由表面等离子体激元引起的电场增强的影响将会在量子区域里考虑，能同时把量子力学的精确性和电磁学的高效性结合起来，可以对等离子体器件的光电转换效率进行精确计算。

2、量子区域和经典区域在界面处进行讯息交换，并通过自洽计算(self-consistent calculation)得到等离子体器件的光电转换效率，这样，等离子体的激发会影响量子体系的光学响应，而量子体系的响应也会对等离子体有反馈。

3、经典区域的电磁学部分使用有限体积法，将该部分中每个格点的电势由矢量简化为标量，并且通过对微分算符的拟态离散可以确保电荷守恒。

4、在步骤②获得每个格点的标量电势分布V和矢量电势分布A时，其中所述半导体组件将应用漂移扩散模型，实现对等离子器件中的半导体材料精确描述。

附图说明

图1为本发明等离子体器件的结构示图；

图2为沿图1中C-C线的剖面示意图；

图3为沿图1中D-D线的剖面示意图；

图4为本发明一个实施例中通过入射光对等离子体器件的金属纳米颗粒层激发等离子体激元示意图；

图5为本发明另一个实施例中通过入射光激发太阳能电池板的金属纳米颗粒层的等离子体激元示意图；

图6为本发明太阳能电池板光电转换效率的电流与电压I-V曲线；以及

图7为本发明等离子体器件光电转换效率的多尺度建模和检测方法的流程示意图。

具体实施方式

如图1及图2所示，本发明的等离子体器件包括衬底1、位于衬底上的第一电极2、位于第一电极2上的半导体组件3和第二电极5、以及夹设在半导体组件3和第二电极5之间的一层金属纳米颗粒层6。其中，半导体组件3包括位于其中心区域的以虚线部分所示的第一半导体4和包围第一半导体4的第二半导体8,第一半导体4和第二半导体8一体形成。

如图3和图4所示，本发明的等离子体器件包括两个区域，即填充黑色的量子区域9和未填充黑色的经典区域10。量子区域9包括第一半导体4，经典区域10包括衬底1、金属纳米颗粒层6、以及由第一电极2、第二电极5和第二半导体8构成的经典导电区域，并且如图4所示，第二电极5为透明的ITO电极。金属纳米颗粒层6在共振频率相同的入射光L照射下激发等离子体，电场增强强度通过作为量子区域9的界面B传达到量子区域9中。

下面对本发明等离子体器件的光电转换效率的多尺度建模和检测方法进行详细介绍。在用于建模的步骤①中，在对等离子体器件划分为量子区域9和经典区域10后，将经典区域10划分成三维网格模型，并针对量子区域9建立原子模型。在步骤②中，通过对第一电极2的抽头15和第二电极5的抽头16(如图1所述)施加偏压，并通过入射光L激发金属纳米颗粒层6的等离子体激元，使得量子区域9由经典区域10的金属纳米颗粒层6的等离子体激元激发引起电场增强效应；在等离子体激元的激发过程中，对经典区域中10进行经典电动力学计算，得到量子区域9经经典区域10中的金属纳米颗粒层6散射后的电势分布:

▽·[ε(-▽V-iωA)]-ρ＝0,

$\&dtri;\&times;\left[\frac{1}{\mathrm{\&mu;}}(\&dtri;\&times;A)\right]-I=0,$

ρ＝q(p-n+N_D-N_A)

其中，ρ为总电荷密度、n和p分别为电子和空穴密度、N_D和N_A为掺杂浓度、ε为介电函数、μ为磁导率、ω为频率、I为电流、▽·为散度算子、▽×为旋度算子；

求解出所述三维网格中每个格点的标量电势分布V和矢量电势分布A；

步骤③，对量子区域9的原子模型进行量子力学分析，利用步骤②得到的辺界上的标量电势分布V和矢量电势分布A求得哈密顿函数，进而获得非平衡格林函数，其中量子力学分析包括电子和光子相互作用，以检测所述量子区域里电子的光激发和输运过程,获得所述量子区域里的电流I。在建立原子模型后，其中经典区域10的金属纳米颗粒层6激发后，量子区域9的电子通过与光子的相互作用，导致量子区域9的电子被光激发，检测量子区域9里电子的光激发和输运过程,并计算量子区域9里的量子输运过程：

$G^{<}\left(E\right)=G^r\left(E\right)[i{\mathrm{\&Sigma;}}^{<}\left(E\right)+{\mathrm{\&Sigma;}}_{\mathrm{ep}}^{<}\left(E\right)]G^a\left(E\right)$

其中，Σ^＜和Σ^＞为电极自能项，和为电子光子相互作用自能项，用于描述电极和光对体系的影响，G^<为非平衡格林函数，E为能量，非平衡格林函数当中已包括上述计算得到量子区域9里的等离子体激元引起电场增强效应；金属纳米颗粒层6的等离子体激元共振频率主要在可见光区或红外区；将上述计算得到量子区域9里的G^<和Σ^＜带入下方的公式，可以通过以下方程计算得到等离子体器件里的电流I：

在步骤④中，将步骤③中得到的所述量子区域9的电流I，通过界面处的辺界反馈到经典区域10，以满足电流连续性方程：

$\&dtri;\&CenterDot;I+\frac{\&PartialD;\mathrm{\&rho;}}{\&PartialD;t}=0$

在步骤⑤中，依次进行从步骤②到④的计算，计算步骤②的经典方程得到新的标量电势分布V和矢量电势分布A；在新的标量电势分布V和矢量电势分布A下再重复计算步骤③量子区域9的电流I，循环直到电流I相对值小于10^-6获得收敛结果，得出量子区域9和经典区域10的自洽后等离子体器件的电流I；以及

在步骤⑥中，在检测过程中改变外加偏压，通过上述步骤②到⑤计算出等离子体器件的每个外加偏压下的电流，得到电流与电压I-V曲线，从I-V曲线获得短路电流I_sc、开路电压V_oc、填充因子FF，得到最大输出功率并获得等离子体器件的光电转换效率PCE。

在一个优选实施方式中，对等离子体器件的经典区域10的等离子体激元被激发时，在第一电极2的抽头15和第二电极5的抽头16之间施加的偏压的电压取值为0-1.5V；其中金属的介电函数使用Lorentz－Drude模型来计算得出：

$\mathrm{\&epsiv;}={\mathrm{\&epsiv;}}_0(1-\frac{{\mathrm{\&omega;}}_p^2}{{\mathrm{\&omega;}}^2+\mathrm{i\&gamma;\&omega;}})$

其中，ε₀为真空介电常数、ω为频率、ω_p为等离子体激元共掁频率、γ为衰减常数。半导体材料将应用漂移扩散模型：

▽·[qμ_nn(-▽V)+kTμ_n▽n]＝0,

▽·[qμ_pp(-▽V)-kTμ_p▽p]＝0

其中，q为基本电荷、μ_n、μ_p分别为电子和空穴的迁移率、k为波兹曼常数、T为温度、和为电子和空穴梯度、▽V为电势梯度、▽·为散度算子；Lorentz－Drude模型和漂移扩散模型将代入经典区域的方程(步骤②)，求解出标量电势分布V和矢量电势分布A。

在本发明的另一个实施例中，本发明的等离子体器件具体为一种太阳能电池板12，图5中，第二电极5为透明的ITO电极，作为太阳能电池板12的阳极，材料为氧化铟锡；金属纳米颗粒层6为银球形颗粒，直径为50nm；半导体组件3为硅半导体，作为电池板12的光活性层，厚度为25-50nm；第一电极2为金属电极，作为太阳能电池板12的阴极；衬底1为玻璃衬底。在对太阳能电池板12进行光电转换效率检测时，表面等离子体激元能够在金属纳米颗粒层6的表面产生强的局域电场，金属纳米颗粒层6激发的表面等离子体激元共振频率位于可见光区或红外区。在太阳能电池板12的量子区域9里包括一硅纳米线二极管13，在电场增强下，吸收率大幅提高，以至太阳能电池板12的光电转换效率大幅被提升。

具体地，如图6所示，本发明太阳能电池板12在368nm入射光L照射下的的光电转换效率的电流与电压I-V曲线，曲线M代表没有表面等离子体电场增强下硅纳米线二极管13的电流与电压I-V曲线，其中，短路电流I_sc为2.49mA/cm²；开路电压V_oc为0.54V；填充因子FF为0.65；太阳能电池板12的光电转换效率PCE为0.9％；而曲线N是在表面等离子体电场增强下硅纳米线二极管13的电流与电压I-V曲线，其中，短路电流I_sc为18.84mA/cm²；开路电压V_oc为0.6V；填充因子FF为0.63；太阳能电池板12的光电转换效率PCE为7.2％。由于吸收率的增加，太阳能电池板12的光电转换效率大幅提升。

在本发明的一个优选实施方式中，入射光L通过边界条件引入并激发等离子体激元，使用无限平面电流边界条件模拟入射光L，等离子体激元激发引起的电场增强通过量子区域9与经典区域10的界面处的边界B传递给量子区域9。

在本发明的一个优选实施方式中，在经典区域10中使用有限体积法检测电势分布，其优点在于通过对微分算符的拟态离散可以确保电荷守恒。

如图7所示，为针对本发明太阳能电池板12的光电转换效率的多尺度建模和检测方法的流程示意图。在本实施例中，多尺度建模和检测方法包括以下步骤：

①进行多尺度建模，将太阳能电池板12划分为量子区域9和经典区域10，其中量子区域9中包括硅纳米线二极管13，经典区域10包括衬底1、金属纳米颗粒层6、以及由ITO的第二电极5、金属的第一电极2和主要由硅构成的半导体组件3；对经典区域划分成三维网格，并在量子区域9建立原子模型；

②对第一电极2和第二电极5施加偏压，并通过入射光L激发金属纳米颗粒层6的等离子体激元；对经典区域10中进行经典电动力学计算，获得量子区域9经金属纳米颗粒层6散射后三维网格中每个格点的标量电势V和矢量电势分布A；

③在原子模型进行量子力学研究，利用步骤②得到的辺界B上的标量电势分布V和矢量电势分布A求得哈密顿函数，进而获得非平衡格林函数，所述量子力学分析包括电子和光子相互作用，以检测所述量子区域里电子的光激发和输运过程,获得所述量子区域里的电流I：

[G^a]⁺＝G^r＝[ES-H(V,A)]^-1

$G^{<}\left(E\right)=G^r\left(E\right)[i{\mathrm{\&Sigma;}}^{<}\left(E\right)+{\mathrm{\&Sigma;}}_{\mathrm{ep}}^{<}\left(E\right)]G^a\left(E\right)$

其中，Σ^＜和Σ^＞为电极自能项，用于描述电极对体系的影响，G^<和G^>为非平衡格林函数，哈密顿H为电势分布(V，A)的函数，S为重叠矩阵，E为能量，q为基本电荷，为普朗克常数，I为电流。

④将步骤③中得到的量子区域9的电流I通过界面处的辺界B反馈到经典区域10，以满足电流连续性方程：

$\&dtri;\&CenterDot;I+\frac{\&PartialD;\mathrm{\&rho;}}{\&PartialD;t}=0;$

其中，ρ为电荷密度、t为时间、▽·为散度算子。

⑤判断量子区域的电流I的相对值是否小于10^-6以获得收敛结果，如果不收敛则依次进行步骤②到④，以获得每个格点的新的标量电势分布V、矢量电势分布A和量子区域的电流；如果收敛则得出量子区域和经典区域的自洽后等离子体器件的电流；以及

⑥在检测过程中改变所述偏压，偏压值依次从0.0V变化到0.7V，通过重复进行上述步骤②到⑤得到最大输出功率并获得等离子体器件的光电转换效率。

如前所述，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明将等离子体器件划分成量子区域9和经典区域10，其中表面等离子体激元的激发过程是通过经典的电动力学方法描述，而由表面等离子体激元引起的电场增强的影响将会在量子区域9里考虑。

2、量子区域9和经典区域10在界面B处进行讯息交换，直到量子区域9的电流I相对值小于10^-6获得收敛结果，得出量子区域9和经典区域10的自洽后等离子体器件的电流进而获得等离子体器件的光电转换效率，这样，等离子体的激发会影响量子体系的光学响应，而量子体系的响应也会对等离子体有反馈。

3、经典区域10的电磁学部分使用有限体积法，将该部分中每个格点的电势由矢量电势分布A简化为标量电势分布V，并且通过对微分算符的拟态离散可以确保电荷守恒。

4、在步骤②获得每个格点的标量电势分布V和矢量电势分布A时，其中半导体组件3将应用漂移扩散模型，实现对等离子器件中的半导体材料精确描述。

简而言之，本发明通过将等离子体器件划分成量子区域9和经典区域10来实现进行多尺度建模后，对第一电极2和第二电极5施加偏压，并通过入射光L激发金属纳米颗粒层6的等离子体激元，使得量子区域9由等离子体激元激发引起电场增强效应；在等离子体激元的激发过程中，在经典区域10中进行经典电动力学分析，得到量子区域9经金属纳米颗粒层6散射后的电势分布，利用量子力学获得电子的光激发和输运过程，通过自洽获得等离子体器件的电流进而获得光电转换效率。本发明能同时把量子力学的精确性和电磁学的高效性结合起来实现对等离子体器件的光电转换效率精确检测。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种等离子体器件的光电转换效率多尺度建模和检测方法，其特征在于，所述等离子器件包括衬底、位于衬底上的第一电极、位于所述第一电极上的半导体组件和第二电极、以及夹设在所述半导体组件和所述第二电极之间的金属纳米颗粒层，其中所述半导体组件包括位于其中心位置的第一半导体和包围所述第一半导体的第二半导体，所述多尺度建模和检测方法包括以下步骤：

①进行所述多尺度建模，将所述等离子体器件划分为量子区域和经典区域，其中所述量子区域包括第一半导体，所述经典区域包括衬底、金属纳米颗粒层、以及由第一电极、第二电极和第二半导体构成的经典导电区域；对所述等离子体器件划分三维网格并且在所述量子区域建立原子模型；

②对所述第一电极和第二电极施加偏压，并通过入射光激发金属纳米颗粒层的等离子体激元；对所述经典区域进行经典电动力学分析，获得所述量子区域经所述金属纳米颗粒层散射后所述三维网格中每个格点的标量电势分布V和矢量电势分布A；

③对所述原子模型进行量子力学分析，利用步骤②得到的辺界上的标量电势分布V和矢量电势分布A求得哈密顿函数，进而获得非平衡格林函数，所述量子力学分析包括电子和光子相互作用，以检测所述量子区域里电子的光激发和输运过程,获得所述量子区域里的电流I：

[G^a]⁺＝G^r＝[ES-H(V,A)]^-1

$G^{<}\left(E\right)=G^r\left(E\right)[i{\mathrm{\&Sigma;}}^{<}\left(E\right)+{\mathrm{\&Sigma;}}_{\mathrm{ep}}^{<}\left(E\right)]G^a\left(E\right)$

其中，Σ^＜和Σ^＞为电极自能项，用于描述电极对体系的影响，G^<和G^>为非平衡格林函数，哈密顿函数H为电势分布(V，A)的函数，S为重叠矩阵，E为能量，q为基本电荷，为普朗克常数，I为电流；

④将步骤③中得到的所述量子区域的电流I通过界面处的辺界反馈到经典区域，以满足电流连续性方程：

$\&dtri;\&CenterDot;I+\frac{\&PartialD;\mathrm{\&rho;}}{\&PartialD;t}=0;$

其中，ρ为电荷密度、t为时间、为散度算子；

⑤判断量子区域的电流I的相对值是否小于10^-6以获得收敛结果，如果不收敛则依次进行步骤②到④，以获得每个格点的新的标量电势分布V、矢量电势分布A和量子区域的电流；如果收敛则得出量子区域和经典区域的自洽后等离子体器件的电流；以及

⑥在检测过程中改变所述偏压，通过重复进行上述步骤②到⑤得到最大输出功率并获得等离子体器件的光电转换效率。

2.根据权利要求1所述的等离子体器件的光电转换效率多尺度建模和检测方法，其特征在于，在所述经典区域里的等离子体激元激发时，在所述第一电极和第二电极的两端施加的所述偏压的电压取值为0-1.5V。

3.根据权利要求1所述的等离子体器件的光电转换效率多尺度建模和检测方法，其特征在于，在步骤②获得每个格点的标量电势分布V和矢量电势分布A时，其中金属的介电函数为：

$\mathrm{\&epsiv;}={\mathrm{\&epsiv;}}_0(1-\frac{{\mathrm{\&omega;}}_p^2}{{\mathrm{\&omega;}}^2+\mathrm{i\&gamma;\&omega;}})$

其中，ε₀为真空介电常数、ω为频率、ω_p为等离子体激元共掁频率、γ为衰减常数。

4.根据权利要求1所述的等离子体器件的光电转换效率多尺度建模和检测方法，其特征在于，在步骤②获得每个格点的标量电势分布V和矢量电势分布A时，其中所述半导体组件将应用漂移扩散模型：

$\&dtri;\&CenterDot;[q{\mathrm{\&mu;}}_{n}n(-\&dtri;V)+\mathrm{kT}{\mathrm{\&mu;}}_n\&dtri;n]=0,$

$\&dtri;\&CenterDot;[q{\mathrm{\&mu;}}_{p}p(-\&dtri;V)-\mathrm{kT}{\mathrm{\&mu;}}_p\&dtri;p]=0$

其中，q为基本电荷、μ_n、μ_p、分别为电子和空穴的迁移率、k为波兹曼常数、T为温度、和为电子和空穴梯度、为电势梯度、为散度算子。

5.根据权利要求1所述的等离子体器件的光电转换效率多尺度建模和检测方法，其特征在于，所述的等离子体器件为太阳能电池板，在对所述太阳能电池板进行光电转换效率检测时，表面等离子体激元能够在所述金属纳米颗粒层的表面产生强的局域电场，金属纳米颗粒层激发的表面等离子体激元共振频率位于可见光区或红外区。

6.根据权利要求1所述的等离子体器件的光电转换效率多尺度建模和检测方法，其特征在于，使用无限平面电流边界条件模拟所述入射光，所述等离子体激元激发引起的电场增强通过界面处的边界传递给量子区域。

7.根据权利要求1所述的等离子体器件的光电转换效率多尺度建模和检测方法，其特征在于，在经典区域使用有限体积法、有限元或者有限差分法检测电势分布。

8.根据权利要求1所述的等离子体器件的光电转换效率多尺度建模和检测方法，其特征在于，在经典区域使用有限体积法，并通过对微分算符的拟态离散实现电荷守恒。