基于一维光子晶体和表面等离子体的高效率聚合物级联太阳能电池的研究

Results from the precious project have demonstrated that tandem structure can improve the performance of polymer solar cells effectively, and the power conversion efficiency is strongly dependent on light utilization of active layer. Therefore, the following project is based on one-dimensional photonic crystals and surface plasmon resonance to adjust optical electric field distribution and enhance light absorption of active layer. A one-dimensional photonic crystals is designed as an intermediate layer according to distributed Bragg reflection to achieve high reflection for bottom solar cells and high transmission simultaneously. It enhances the light utilization for bottom and top solar cells and resolves the contradiction between light transmission and absorption of the intermediate layer. To adjust periodicity of the one-dimensional photonic crystals and match photocurrent of bottom and top solar cells, the tandem solar cells performance is totally improved. On the other hand, introduce metal nanoparticles into holes buffer layer of top solar cells, adjust their shape and size and tune resonance wavelengths, so the surface plasmon resonance will work and enhance light absorption. The weak optical field problem, which is resulted from multiple reflections of the front layers, is resolved. Device fabrication is mostly dependent on vacuum evaporation and pulsed laser deposition. The research is carried out in designing structure, optimizing device performance and theoretical simulation. The aim is to fabricate more than 9% efficiency polymer tandem solar cells.

青年基金的前期研究证实了级联结构可以有效提高聚合物太阳能电池的性能，能量转化效率强烈依赖于器件的光利用率。因此，本项目利用一维光子晶体和表面等离子体调控级联电池内部的光场分布，提高两种有源层的光吸收。根据分布式布拉格反射镜设计一维光子晶体作为中间过渡层，同时实现对底电池吸收范围内光的高反射和对顶电池吸收范围内光的高透射，提高底顶电池光利用率，解决级联电池中间过渡层存在的光透过率和有源层吸收率之间的矛盾；通过调整光子晶体周期数匹配电流提高电池性能。同时，在顶电池的空穴传输层内引入金属纳米颗粒，调整粒子的形状和粒径，使其共振波长与有源层吸收一致，利用表面等离子体增强作用提高光吸收，解决顶电池由于前级多层薄膜反射导致的入射光场较弱的难题。将真空蒸镀和脉冲激光沉积技术应用于器件制作工艺中，在结构设计、性能优化和理论模拟等方面开展研究工作，形成一套完整的理论方法和技术手段并制作出效率大于9%的器件。

高效率，低成本，长寿命的太阳电池是太阳能利用的最核心目标和直接手段。研究表明，级联结构可以有效提高聚合物太阳能电池的性能，能量转化效率强烈依赖于器件的光利用率。因此，本项目利用一维光子晶体和表面等离子体调控级联电池内部的光场分布，提高两种有源层的光吸收。根据分布式布拉格反射镜设计一维光子晶体作为中间过渡层，同时实现对底电池吸收范围内光的高反射和对顶电池吸收范围内光的高透射，提高底顶电池的光利用率，解决级联电池中间过渡层存在的光透过率和有源层吸收率之间的矛盾；通过调整光子晶体周期数匹配电流提高电池性能。同时，在顶电池的空穴传输层内引入金属纳米颗粒，调整粒子的形状和粒径，使其共振波长与有源层吸收一致，利用表面等离子体增强作用提高光吸收，解决顶电池由于前级多层薄膜反射导致的入射光场较弱的难题。将真空蒸镀和脉冲激光沉积技术应用于器件制作工艺中，在结构设计、性能优化和理论模拟等方面开展研究工作，形成一套完整的理论方法和技术手段并制作出效率大于9%的器件。经过4年的研究，发表SCI检索论文17篇，培养博士和硕士研究生6名。制作了能量转化效率大约9.0%的半透明太阳电池和级联结构的太阳电池，利用光管理手段提高太阳电池能量转化效率的方法和技术，为实现高效率光伏电池的应用指出了新路。