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表面等离激元(Surface Plasmon Polariton，SPP)是纳米尺度将物质的光学和电学性质相互结合的新兴研究方向。近期已有大量基于表面等离激元原理的新型光电纳米器件和纳米结构被提出，利用金属纳米颗粒的局域表面等离激元共振(Localized Surface Plasmon，LSP)性质引起的增强散射，增强吸收，局域电磁场增强等机理在薄膜太阳能电池，波导，LED，光电传感器等器件上实现光学性能如光吸收或发射的提升。本文利用时域有限差分(Finite-difference time-domain，FDTD)方法，有限元(Finite element method，FEM)方法，微区光谱测量，扫描近场光学显微术(Scanning near-field optical microscopy, SNOM)等手段对有纳米金属颗粒的金属纳米结构光学性质以及金属纳米结构与电介质衬底的耦合性质进行了研究分析，并讨论了将结果用于增强薄膜太阳能电池光吸收的可能性。主要创新点如下: 利用解析方法，光谱实验和数值模拟分析了任意介质中金属纳米颗粒的散射和吸收截面，局域表面等离激元共振模式和相互作用情况。利用数值模拟方法求解出了无法用解析方式得出的金属纳米颗粒在电介质衬底上时的散射截面，我们分析了球形金属纳米颗粒在衬底上时的局域表面等离激元模式中最低级次的两个模式:偶极子模式和四极子模式的红移情况。用有效折射率描述了金属纳米颗粒在衬底上的局域表面等离激元模式相比空气中时的红移，发现了调节衬底厚度和金属纳米颗粒的尺寸可使衬底的等效折射率进行近似线性的变化。并对衬底中法布里—泊罗(Fabry-Perot，FP)共振模式对金属纳米颗粒域表面等离激元模式散射截面的影响进行了讨论。我们还利用近场光学扫描术直接观察了金属纳米颗粒的近场电磁场分布和相互作用情况。研究结果可用于对金属纳米颗粒局域表面等离激元模式的线性调节和衬底上金属纳米颗粒散射截面的分析。 利用理论分析，数值模拟和光谱测量分析了数百纳米厚度的薄膜太阳能电池表面存在球形金属纳米颗粒时，所产生的三种不同的吸收增强机理:金属纳米颗粒局域表面等离激元模式对光的散射引起的使薄膜中光传播的光程增加导致的吸收增强，薄膜的法布里—泊罗腔模式共振条件改变引起的吸收增强和由于纳米颗粒分布具有周期性时激发的在薄膜内传播的波导模式引起的增强。其中局域表面等离激元模式增强拥有最宽的光谱范围，且会随着纳米颗粒形状尺寸，表面覆盖率，衬底厚度等各种参数而改变光谱位置和增强效果。而法布里—泊罗模式增强的光谱范围次之，其光谱位置不会移动，只和衬底厚度有关，增强效果则只和纳米颗粒表面覆盖率有关。波导模式光谱范围最窄，对衬底厚度变化和金属纳米颗粒分布的周期性非常敏感，其增强效果随纳米颗粒的尺寸而变化。还发现了局域表面等离激元模式对应的吸收增强峰值会随着入射光的角度红移或蓝移而法布里—泊罗模式对应的吸收增强峰值则几乎不移动，通过将入射角度调整15度可以使局域表面等离激元模式对应的吸收增强峰移动200纳米左右。提示了通过选择合适的倾斜角度调节吸收增强的光谱范围的可能性。计算结果显示入射角在0度和35度之间时，金属纳米颗粒的吸收增强效果变化相对较小但0度入射角可能并不总是对应最强的吸收增强效果，而当入射角超过35度时增强效果会明显下降。研究结果可应用于薄膜太阳能电池的吸收增强分析和优化。 分析了不同形状的金属纳米颗粒在均匀介质中或衬底上局域表面等离激元模式被激发条件时内部电荷分布情况，并比较了相应的散射和吸收截面。研究了表面覆盖率相似时棒状金属纳米颗粒相比球形金属纳米颗粒提供更强的吸收增强效果的机理，通过调整棒状金属纳米颗粒的尺寸参数，可以分别控制吸收增强的光谱位置和强度，理论分析和数值模拟的结果显示最优参数下可以在AM1.5G光谱范围内用2％的金属纳米颗粒表面覆盖率在100纳米厚的硅薄膜中达到两倍的平均吸收增强，且可能在硅吸收系数最低的硅带隙附近达到50倍的吸收增强，这一增强效果接近表面覆盖率100％的金属光栅的效果。还通过反射谱和透射谱的测量与理论结果做比较，分析了局域表面等离激元模式造成的吸收增强与法布里—泊罗模式造成的吸收增强随纳米颗粒覆盖率，纳米颗粒大小和形状等因素变化的情况。研究结果可用于设计薄膜太阳能电池的吸收增强结构。