铝纳米结构等离激元光学特性调控及其在钙钛矿太阳电池中的应用

Relatively weak light absorption of the active layer in long wavelength region is an important factor that limits the rise in the power conversion efficiency of perovskite solar cells. Light trapping effect based on surface plasmons of metal nanostructures is an effective way to enhance the absorption and utilization of long wavelength photons within perovskite solar cells. In this project, we propose that through regulating the optical properties of Al nanostructures to achieve an efficient coupling among the surface plasmons, incident sunlight and the perovskite active layer, thus improve the performance of the perovskite solar cells. We will prepare novel Al nanostructure ordered arrays with low damping by combining ordered template, physical vapor deposition and annealing, derive the rules of structural control and optical regulation of the Al nanostructures through spectral measurements and electromagnetic field simulations, and reveal the underlying physical mechanisms. Then, we will apply the Al nanostructures into perovskite solar cells, study the coupling interactions of surface plasmons with incident light and the perovskite active layer, and investigate the influence of the introduction of Al nanoparticles on the transport properties of charge carriers. Finally, we will regulate the near-field and far-field optical properties of the Al nanostructure arrays, to achieve the enhancement in light absorption and the rise in power conversion efficiency of the perovskite solar cells. This study will further our understanding of the plasmonic properties of Al nanostructures, and provide valuable knowledge for the applications of Al nanostructures in thin-film solar cells.

活性层相对弱的长波光吸收是限制钙钛矿太阳电池光电转化效率进一步提升的一个重要因素，基于金属纳米结构表面等离激元的陷光效应是增强钙钛矿活性层对长波光子吸收和利用的有效途径。本项目提出通过Al纳米结构的光学调控，实现表面等离激元、入射太阳光及钙钛矿活性层之间的高效耦合，改善钙钛矿太阳电池的性能。拟结合有序模板、物理气相沉积与退火制备低阻尼的新型Al纳米结构有序阵列，通过光谱测量与电磁场模拟，掌握Al纳米颗粒结构控制与光学调控规律，并揭示内在的物理机制；将Al纳米结构应用于钙钛矿太阳电池，研究表面等离激元与入射光及钙钛矿活性层之间的耦合相互作用，以及Al纳米颗粒的引入对载流子输运特性的影响；通过调控Al纳米结构阵列的近场与远场光学特性，实现对钙钛矿电池光吸收的增强和光电转化效率的提高。本项目的成功实施将深化对Al等离激元特性的理解，为Al纳米结构在薄膜电池领域的应用提供有价值的参考。

钙钛矿电池是太阳电池研究领域的新贵，表现出极大的应用前景。为了保证有效的光生载流子收集，钙钛矿太阳电池通常采用较薄厚度的活性层，从而导致对长波太阳光的吸收率不高，限制了钙钛矿电池光电转换效率的进一步提升。本项目围绕等离激元纳米结构的光学调控与钙钛矿太阳电池的性能优化开展研究。首先，通过物理气相沉积，结合有序模板以及简单的化学辅助手段，发展了多种金属（Al、Ag、Au及合金）纳米结构的制备方法，探讨了金属纳米结构的生长机制，实现了多种新型等离激元纳米结构（半球形、锥形腔、纳米锥、纳米颗粒@纳米锥、海胆形、月牙形、多孔颗粒等）有序阵列的可控制备。其次，结合光谱测量与理论模拟，研究了金属纳米结构的等离激元光学特性与结构特征之间的依赖关系，总结了等离激元光学特性的调控规律，实现了宽带等离激元共振、超吸收与强烈局域场等特性；再次，将金属纳米结构的强局域场特性应用于化学传感，通过结构调控获得了高密度电磁“热点”，实现了高灵敏、可重复的表面增强拉曼散射，并用于多种痕量污染物的定性与定量检测。最后，将金属纳米结构的宽带等离激元共振应用于钙钛矿太阳电池以改善太阳电池的光吸收，提出了多种有效的钙钛矿掺杂与界面修饰策略，系统研究了钙钛矿微结构、光吸收、缺陷密度、载流子输运、器件稳定性等特性与相关机制，有效改善了钙钛矿太阳电池的光响应与光电转换效率。本项目研究丰富了等离激元纳米结构的制备方法，深化了对金属纳米结构生长特性与等离激元光学特性的理解，为薄膜太阳电池的性能优化以及高性能等离激元器件的构筑提供了有价值的参考。在本项目的支持下，已在国内外重要学术期刊上发表高质量论文11篇，授权发明专利1项。