微纳米复合结构诱导多重机制提高有机薄膜太阳能电池转换效率研究

With the increasingly serious energy crisis and environmental pollution problems, effectively developing renewable solar energy sources attractive more attention in these years. As the third generation of new type photovoltaic devices, the organic thin-film solar cells (OTFSCs) offers a potentially low cost, flexible, light-weight, environment friendly, process mature and fast. They are great significance on the cheap and large-scale applications. However, the organic film in the OTFSCs has to be thin due to their low carrier mobility, narrow absorption spectra and short exciton-diffusion length, which results in low light absorption efficiency. Including the light loss in the substrate，these all limit the further improvement of the conversion efficiency. In order to increase the light absorption efficiency of the OTFSCs , this project focus on employing micro-nano composite structures into the OTFSCs by using laser interference lithography technique combined with a variety of micro processing technologies. By using micro-nano composite structure induced multiple mechanisms, such as optical scattering, reflection, surface-plasmon polarization enhancement and et al., realized the improvement of light absorption efficiency in OTFSCs. Study on the micro-nano composite structure action mechanism, structure design and OTFSCs preparation technology. The goal is to promote the OTFSCs to play a role in practical applications.

随着能源危机和环境污染问题日益严重，有效利用太阳能成为近年来人们关注和研究的热点，有机薄膜太阳能电池（OTFSCs）作为第三代新型光伏器件，具有成本低廉、柔性便携、环境友好以及成品速度快等优点，在大面积廉价推广应用上具有重要意义。然而由于有机材料的载流子迁移率低、光谱吸收范围窄、激子寿命短，为了保证载流子的有效扩散和传输，电池有机层通常都很薄，不利于电池的高效光吸收,包括OTFSCs衬底的光损耗等，这些都是限制其转换效率进一步提升的重要原因。本项目以增加OTFSCs光吸收效率为目标，利用激光干涉光刻技术结合多种微加工技术，在OTFSCs中引入微纳米复合结构，利用微纳米复合结构诱导的光学散射、反射以及表面等离子体场增强效应等多重机制，有效增加OTFSCs光吸收效率。并通过对微纳米复合结构作用机理、结构设计和OTFSCs制备工艺的研究，为OTFSCs走向实际应用起到一定的推动作用。

本项目的研究目标是以增加有机薄膜太阳能电池（OTFSCs）的光吸收为目标，利用激光干涉光刻技术结合多种微加工技术，在电池内部引入微纳米复合结构，利用微纳米复合结构诱导的光学散射、反射以及SPPs场增强等多重机制，有效提高OTFSCs的光吸收效率。在获得国家自然科学基金青年基金资助的三年期间，四个方面的研究取得了显著进展：（1）具有微结构的OTFSCs器件理论模型分析。建立了具有矩形光栅结构的理想IMIMI器件模型，明确了IMIMI结构中复合表面等离子激元（SPPs）与微腔模式的耦合机制。[《发光学报》第38卷, 第11期, 2017年11月]。建立了具有正弦形光栅结构的IMIM器件模型，明确了半透明金属电极两侧SPPs耦合诱导的天线层与有源层之间的能量相互作用的机制。[Appl. Phys. Lett.106, 223303, 2015]，明确了IMIM器件模型中光栅的周期以及顶金属电极厚度对SPPs共振波长的影响，以及SPPs共振模式与微腔模式相互耦合时的条件。[Optical Materials Express Vol. 7, No. 6, 2096, 2017]；（2）基于光刻工艺和激光双光束干涉工艺，制备了一维光栅、圆形点阵、矩形点阵、六边形点阵，一维微纳米复合光栅结构、微米圆形点阵与纳米正弦形光栅复合结构、微米矩形点阵与纳米正弦形光栅复合结构、以及微米六边形点阵与纳米正弦形光栅复合结构等结构；（3）微米结构、纳米结构及微纳米复合结构诱导多重光学机制增加OTFSCs光电转换效率。首先完成了平面单结和叠层OTFSCs器件的结构优化；并通过在具有天线层的顶入射单结OTFSCs器件中引入一维正弦形光栅结构，实现了顶电极两个界面SPPs模式与器件微腔模式耦合作用，将天线层材料吸收的能量传递给电池的有源层，使得OTFSCs的光电转换效率提高了16%[ Appl. Phys. Lett.106, 223303, 2015]。通过在单结OTFSCs中引入一维微纳米复合光栅结构，使得OTFSCs的光电转换效率提升了近11%。（4）其他研究：基于微结构的有机电致发光器件（OLEDs）的结构设计、引入电荷产生单元增加叠层OLEDs外量子效率以及N型掺杂有效提高OLEDs效率等方面上也取得了较好的研究成果。以上研究为基于微纳结构的光电子材料与器件领域研究提供了有益的参考。