金纳米粒子的空间分布调控对聚合物太阳能电池性能的优化研究

Polymer solar cells (PSCs) have showed an attractive application prospect because of their advantages of being flexibility, light, low-cost, and ease of large-area processing. Recently years, it has been found that the surface plasmon resonance (SPR) effects of metal nanoparticles (NPs) can work as an effective way to trapping incident light in the active layer of polymer solar cells, and thus has been identified as a breakthrough route to enhancing power conversion efficiency of polymer solar cells. However, how to enhance the performance of polymer solar cells more efficiently by using of the SPR effects of metal nanoparticles is still demanded to be further study. In this proposal, the space distribution of gold NPs in the active layer of PSCs will be tailored, so that to enhance the light absorption of active layer more efficiently by using of the effects of surface plasmon resonance of gold NPs. Furthermore, the effects of gold NPs on the electrical properties of polymer solar cells also will be systematically investigated so that to provide the theoretical and experimental basis for enhancing the performance of polymer solar cells by using of the metal NPs.

聚合物太阳能电池具有柔性、质轻、成本低以及易于大规模制备等诸多优点，应用前景广泛。最近几年，基于金属纳米粒子的表面等离子体共振效应的陷光技术在解决聚合物太阳能电池光吸收能力不足的问题上显示出了独特优势，成为进一步提升电池性能的重要途径之一。但迄今为止，在如何高效地利用金属纳米粒子的表面等离子体共振效应优化聚合物太阳能电池性能方面的研究仍存在不足之处，限制了金属纳米粒子对电池性能的优化效果。本项目拟通过调控金纳米粒子在聚合物太阳能电池活性层中的空间分布，研究金纳米粒子的空间分布状态对电池的光吸收和光电转换效率的影响，探索更高效地利用金纳米粒子的表面等离子体共振效应优化电池性能的方法，进一步提高电池的光电转换效率。此外，研究金纳米粒子对聚合物太阳能电池的电学性能的影响规律和作用机理，为更好地利用金属纳米粒子优化聚合物太阳能电池的性能提供理论和实验依据。

聚合物太阳能电池（PSCs）具有柔性、质轻、成本低以及易于大规模制备等诸多优点，应用前景广泛。最近几年，基于金属纳米粒子的表面等离子体共振效应的陷光技术在解决PSCs光吸收能力不足的问题上显示出了独特优势，成为进一步提升电池性能的重要途径之一。但迄今为止，在如何高效地利用金属纳米粒子的表面等离子体共振效应优化PSCs性能方面的研究仍存在不足之处，限制了金属纳米粒子对电池性能的优化效果。本项目发展了两种新的金属纳米粒子阵列的制备方法，研究了他们的表面等离子共振性质，有效的增强了PSCs的性能，并揭示了PSCs性能增强的机理，为利用金属纳米粒子的表面等离子体共振效应增强PSCs性能的实际应用奠定基础。1）本项目发展了一种简单、可控的超声波辅助金（Au）纳米粒子阵列的制备方法在覆盖有二氧化钛（TiO2）纳米薄膜/ITO玻璃基底表面制备了粒径、间距可调的Au纳米粒子阵列，并对其进行了表面TiO2包覆处理。相对于传统的基于Au纳米粒子合成、基底表面修饰、Au纳米粒子的组装这一复杂流程的Au纳米粒子制备方法，本项目发展的超声波辅助金（Au）纳米粒子阵列的制备方法极大的简化Au纳米粒子阵列的制备流程，实现了一步法在TiO2表面制备Au纳米粒子阵列。此外，该方法基于水溶液，在室温下进行，具有方法简单可控、价格低廉、绿色无污染的特点。实验发现，该方法制备的Au纳米粒子阵列的表面等离子共振效应可有效增强PSCs的性能。2）本项目进一步研究了非贵金属纳米粒的制备及其表面等离子体共振效应对PSCs性能的增强。发展出一种新型的、以自组装金纳米粒子为基础的铝纳米粒子阵列的制备方法，并首次成功将其用于增强聚合物太阳能电池的性能。3）为研究金属纳米粒子对PSCs器件中界面的影响，本项目还综述了PSCs中阴极缓冲界面层的发展，分析并展望了利用界面工程提升电池性能的方法。上述Au、Al纳米粒子制备方法的开发及其对PSCs性能的有效提升，以及对电池界面工程的研究，将有力地促进金属纳米粒子的表面等离子共振效应增强PSCs性能的实际使用。