有机太阳能电池中表面等离子增强相关基础物理问题研究

提高效率是目前有机太阳能光伏电池（OPV）研究的一个热点。利用金属纳米粒子的表面等离子共振（SPR）特性可以显著提高器件的效率。但是目前的研究主要集中在现象上，关于OPV中表面等离子在提高器件性能方面的物理机制和物理过程等基础物理问题，如SPR的吸收在提高器件性能方面的作用及其物理过程、SPR对有机层中激子分解效率的影响及其微观动力学过程以及金属纳米粒子的引入对电极界面特性的影响，尚未被人们所认识。而这些基本问题的深入了解是有效利用表面等离子增强效应的基础。本项目拟在课题组前期工作的基础上，采用现代光谱技术，如选择激发发射光谱、光致发光瞬态衰减光谱、瞬态吸收光谱、交流阻抗光谱和紫外光电子能谱，对OPV中表面等离子增强的基础物理问题进行深入研究，从而揭示器件性能提高的物理原因，并建立相关的动力学过程模型。

利用金属纳米粒子的表面等离子共振（SPR）特性可以显著提高有机太阳能光伏电池（OPV）的效率。但是目前的研究主要集中在现象上，关于OPV中表面等离子在提高器件性能方面的物理机制和物理过程等基础物理问题尚未被人们所认识。本项目从这些物理问题出发，通过了解相关器件的工作机制，为更好利用表面等离激元增强作用提供技术指导。该项目支持下，申请人主要进行了金属纳米粒子的可控生长、表面等离激元增强OPV相关物理机制及其在OPV中的应用研究。. 采用真空热沉积技术在ITO基板上制备了Ag纳米粒子。当ITO衬底为常温，当沉积速率达到1 nm时，Ag纳米颗粒的直径为5 nm左右，且随着Ag厚度的增加，Ag纳米颗粒的直径基本保持不变，但是密度逐渐增大。相应的，其消光光谱逐渐向长波移动，同时消光系数增大。在此基础上，我们对制备的Ag纳米颗粒进行真空退火处理。在180度下，Ag纳米颗粒的直径随着厚度的增加，可从5 nm一直增大了40 nm。. 对金属纳米粒子表面等离激元增强作用的物理机制进行了研究。通过吸收光谱、荧光光谱、瞬态光谱等技术研究，发现金属纳米粒子提高器件性能的原因有两方面：（1）金属纳米粒子的表面等离激元近场增强作用提高器件的吸收效率；（2）金属纳米粒子提高器件的导电率。同时，我们还发现，金属纳米粒子对光生激子具有严重的激子猝灭作用，从而降低器件性能。但是，如果在金属纳米粒子与有机活性层间加入缓冲层，可有效抑制表面等离激元与光生激子耦合作用，从而抑制金属纳米粒子对激子猝灭作用。. 进行了表面等离激元增强OPV器件研究。在基于CuPc/C60，TAPC:C70等器件中引入了金属纳米粒子，通过优化器件结构，器件的光电转换效率提高幅度在15%~20%之间。. 相关研究结果共发表学术论文17篇，其中SCI论文14篇，影响因子大于3.0的论文11篇，EI论文3篇。