无机/有机双壳层结构的等离激元增强有机太阳能电池全光谱吸收的研究

Localized surface plasmon resonance (LSPR) effect of noble metal nanoparticle is considered to be one of the best optical management technologies to solve the poorly light absorption of organic solar cell, because of its simplicity and high efficiency. However, the introduction of metal nanoparticles will bring influence on the film morphology of photo-active layer. Moreover, the charge accumulation on the surface of metal nanoparticles would play as a recombination center. Here we design the inorganic and organic double shell composite structures to eliminate the adverse effects of bringing metal nanoparticles within the photosensitive layer and to enhance the plasmonic effect, which may inform guidelines for improvement of optical and electronic properties in plasmonic solar cells. The influence of the molecular structures of organic outer-shell on the morphology and crystallization of photosensitive film will be investigated, and then we can understand the design criteria of double-shell metal nanoparticles for different photosensitive materials. We will analysis the influence of matching modes of inorganic inner-shell and organic outer-shell on exciton generation and carrier transport, and then understand how the inorganic and organic materials in same type (n type or p type) optimize the electrical properties of devices. We will study the relationship between structural parameters of double-shell metal nanoparticles and optical region of absorption enhancement to explain the principle how plasmon with core-shell structure optimizes optical properties of devices. Therefore, we can combine the synergistic effect of two type’s nanoparticles with different photoelectric properties to ultimately achieve full-spectrum absorption enhancement for various photosensitive materials of organic solar cells.

金属纳米粒子产生的局域表面等离子体共振效应因其简易性和高效性，被认为是解决有机太阳能电池光吸收能力不足的最佳调控技术之一，但金属纳米粒子的引入不仅会对光敏薄膜形貌产生影响，且电荷在粒子表面的积累易形成载流子复合中心。本项目采用金属氧化物内壳层和有机官能化外壳层的组合制备等离激元，消除金属纳米粒子置于光敏层中的不利因素并改善器件的光电性能。通过研究有机外壳层分子结构对光敏薄膜结晶形貌的影响，掌握双壳层金属纳米粒子兼容不同光敏材料体系的设计准则；通过研究内壳层与外壳层材料的搭配原则对激子分离和载流子输运的影响，理解双壳层结构以相同类型(n或p型)组合对器件电学性能优化的原理；通过研究双壳层金属纳米粒子对活性层薄膜光学性能的影响，建立等离激元纳米结构与器件光吸收增强区域二者的关系模型；最终通过两类双壳层金属纳米粒子对器件光电性能调控的协同互补效应，实现不同有机太阳能电池宽光谱吸收增强的目的。

金属纳米粒子产生的局域表面等离子体共振效应（LSPR）因其简易性和高效性，被认为是解决有机及其他薄膜太阳能电池光吸收能力不足的最佳方案之一，但金属纳米粒子表面的电荷聚集易形成载流子复合中心，且其与光敏材料的极性差异易导致团聚现象。本项目采用金属氧化物内壳层和有机官能化外壳层的组合制备等离激元，无机半导体材料包覆金属纳米粒子可避免电荷在其表面的聚集，有机外壳层增加了其与光敏材料的相互作用，消除其对光敏材料形貌和结晶的影响，两种结合是抑制等离子共振效应负面影响的有效策略。依据金属-无机半导体-有机半导体的核壳搭配原则，我们阐述了能级位置和光敏材料选择对内壳层无机材料和外壳层有机分子结构的影响，设计并制备一系列不同材料组合方案的核壳金属纳米粒子，并开发了无机与有机壳层包覆厚度的可控制备技术。进一步，我们研究了电荷选择性核壳金属纳米粒子的LSPR效应对载流子动力学的影响，理解载流子在不同材料界面之间的传输机理。研究表明在n型结构中，用富勒烯和TiO2层层包覆Ag纳米粒子可激活有效的等离子体-激子耦合并消除电荷积累，从而促进激子解离并减少电子的复合；在p型结构中，用咔唑和NiOx层层包覆Au纳米粒子可达到同样增强效果，从而促进激子解离并减少空穴的复合。基于此方案，实现了光电转换效率13%的富勒烯基有机太阳能电池，光电转换效率18%的非富勒烯基有机太阳能电池，以及光电转换效率超过23%的反向钙钛矿太阳能电池。通过分析电荷收集效率、电荷浓度和载流子扩散长度等参数建立电荷传输与器件性能的相关性模型。此外，我们将核壳金属纳米材料置于钙钛矿多晶薄膜晶界处，LSPR效应产生的热电子可有效修复钙钛矿材料在晶界处的深能级缺陷，进而大幅降低了钙钛矿太阳能电池中的非辐射复合机率。这些研究成果对发展高效薄膜太阳能电池具有一定的指导意义。项目按计划顺利完成，达到了预期结果，实施过程中以第一作者或通讯作者共发表SCI论文10篇，授权专利1项。