双重陷光结构对有机太阳电池吸光性能的影响研究

Organic solar cells (OSCs) are limited to commercialization because of the low power conversion efficiency (PCE). One of the most useful ways for PCE enhanced is improvement of the absorption. Localized surface Plasmon resonances (LSPR) of metal nanoparticles can be used to increase the absorption. LSPR depends on the frequency and momentum of the incident light. For enhancement of PCE, the dual light trapping nanostructures are constructed in the OSCs to resolve the poor absorption. Au@Ag core-shell nanoparticles and the patterned MoO3 film will be used to adjust the resonant frequency and improve the momentum matching for the broad light absorption increased. Focus on the synthesis and formation of the dual light trapping nanostructures, the mechanism will be studied. The major project is the patterned MoO3 impact on LSPR. We will find the relationship between the dual light trapping nanostructure and the scope and intension of the OSCs absorption. We will also explain the impact of the interfacial morphology on the carriers extract, transport and recombination. This study will be developed for the broad light absorption and high PCE OSCs in the future.

有机太阳电池（OSCs）的能量转换效率较低是实际应用的主要瓶颈，提高OSCs效率的有效手段之一是提高电池对太阳光的吸收。利用金属纳米颗粒的局域表面等离子共振（LSPR）效应能提高电池的吸光性能，而LSPR存在依赖入射光频率和动量失配的问题。本课题拟采用Au@Ag核壳纳米颗粒和图形化MoO3薄膜的协同作用调节LSPR共振频率并提升动量匹配度，达到OSCs宽光谱范围吸收增强的目的。以提高OSCs效率为目标，在电池中构建上述双重陷光结构，解决电池吸光不足的问题。围绕双重陷光结构的可控制备，阐明形成机理，重点研究图形化MoO3薄膜的物化性质对Au@Ag纳米颗粒LSPR效应的调节机制，揭示其对电池吸光强度和范围的影响规律并建立理论模型。分析双重陷光结构的界面特性与电荷提取、运输以及复合等过程的内在联系。本研究对发展OSCs宽光谱吸收增强和转化效率的途径和方法具有重要科学和实际意义。

本项目主要研究了利用金属纳米颗粒和图形化薄膜对有机聚合物太阳能电池（OSCs）的吸光性能进行改善，从而提升电池的光电转换效率。项目组成员按照拟定的计划和目标，制定了合理的实验方案，如期完成了全部研究内容，获得了预期成果，达成了所有目标。其中重要的结果及关键数据如下：1.制备了一种具有表面微纳结构的PDMS薄膜，这种微结构的PDMS薄膜不仅可以陷光，还能对电池的表面进行自清洁，覆盖该薄膜的有机太阳能电池在表面沉积灰尘后，电池效率仍然有90%以上，这对电池的实际应用有重要意义；2. 把具有表面陷光结构的有机太阳能电池和纳米发电机集成在同一个器件上，电池的吸光性能增强的同时，还能收集摩擦产生的电能，可应用于复合能量收集系统中；3.Au纳米颗粒的可控制备，通过控制AgNO3的用量可以有效地控制Au纳米棒的长径比，并且发现当金纳米棒掺杂于界面时，电池的短路电流密度更高，效率也更高；4.Ag纳米粒子体对有机太阳能电池性能的影响是随着Ag纳米颗粒的尺寸增大，由于局域表面等离子体共振效应引起的远场散射性质增强，光吸收随之增强，但Ag纳米颗粒超过80 nm后会导致电极的光透射率下降，对电池光吸收的增强无贡献；5.Au、Ag双重等离子体将金属纳米颗粒的近场增强和远场散射结合起来，使电池光吸收进一步增强；6. Au@SiO2核壳结构纳米颗粒，简化了核壳结构纳米粒子的制备过程。通过调节制备工艺，颗粒尺寸可控制在5-30 nm。电池性能会随着Au@SiO2掺杂量的递增呈现出先升高后下降的趋势，提升的幅度最高可达70%左右；7.用一种简单的烟雾刻蚀技术，制备了图形化MoOx空穴传输层，微结构传输层能够陷光也可以改善电池的界面特性。研究发现刻蚀的时间对薄膜表面形貌影响较大，而薄膜厚度的影响可以忽略。该制备方法流程简单，操作方便，不需要苛刻的真空系统便可制备出具有表面微结构的薄膜，掌握这项技术对降低电池成本有非常重要的意义。