氧化物包覆银三角纳米粒子的表面等离子体共振效应在薄膜太阳能电池器件中的应用

Metal nanoparticles are able to realize efficient light absorption for thin-film solar cells based on surface plasmon resonance as well as light scattering effect. But charge carrier recombination centers would also be introduced if metal nanoparticles are in direct contact with the active layer. This is one negative factor for power conversion efficiency. In order to solve this problem, this project aims to develop one easy-processing method to coat thin layer oxide shells on Ag nanoprisms whose resonance absorption bands are adjustable. The oxide shell is able to effectively block the electron-hole recombination at metal centers, so we could extend the application of metal nanoparticles into the inside of the active layer, rather than outside only. Finally through adjustment in terms of resonance absorption peaks, doping ratio of the nanoparticles, as well as the dielectric property of the oxide shell, we are able to maximize the positive potential of metal nanoparticles for solar cells, and furthermore provide experimental supports for mechanism investigation. So we believe that this project will contribute to a broader application of metal nanoparticles on thin-film solar cells.

金属纳米粒子的表面等离子体共振效应连同其光散射作用可以有效提高薄膜太阳能电池的光吸收效率，实现有限厚度活性层对入射光的高效利用。但是，金属纳米粒子在器件中与活性层直接接触可以成为载流子复合中心，限制器件效率的提高。为解决这一问题，本项目拟开发简单路线在共振吸收峰位连续可调的银三角纳米粒子表面包覆超薄氧化物壳层，壳层的包覆可有效避免空穴和电子在金属中心的复合，将金属纳米粒子在器件中的应用范围从活性层外部扩展到活性层内部，同时通过调节纳米粒子的共振吸收光谱、掺杂比例、壳层的介电性质等影响因素优化器件结构，使金属纳米粒子的表面等离子体共振效应连同其它有利作用得到最大程度的发挥，较大幅度地提高太阳能电池的能量转换效率，并为进一步探讨金属纳米粒子在器件中的作用机制和各机制对器件性能的影响程度提供有力的实验证据，有助于扩大金属纳米粒子在薄膜太阳能电池领域的应用范围。

贵金属纳米粒子的表面等离子体共振效应（LSPR）可以有效提高薄膜太阳能电池的光吸收效率，实现有限厚度活性层对入射光的高效利用。但是，贵金属纳米粒子在器件中的作用机制复杂，在其LSPR效应、光散射作用提升器件性能的同时，贵金属在器件中与活性层直接接触可以成为载流子复合中心，降低器件效率，限制其在器件中的应用。为解决这一问题，本项目开发了简单的溶液合成路线在共振吸收峰位连续可调的银三角纳米粒子表面包覆超薄氧化物壳层并通过表面修饰使纳米粒子均匀地分散在有机相中，壳层的包覆可有效避免空穴和电子在金属中心的复合，将金属纳米粒子在器件中的应用范围从活性层外部扩展到活性层内部。通过调节纳米粒子的尺寸、掺杂比例、壳层的介电性质、表面基团等影响因素和稳态吸收、荧光、瞬态吸收光谱表征研究并明确LSPR效应对活性层光吸收提高的作用机制和程度以及氧化物壳层的包覆对金属表面载流子再复合的抑制作用。经过材料和器件结构的优化，将氧化物包覆的银三角纳米粒子引入太阳能电池器件的活性层(P3HT:PCBM)中，实现器件光电转换效率提高31%，超过了以往多数报道的光电转换效率增长值（20%），为扩大贵金属纳米粒子在薄膜太阳能电池领域的应用范围提供了有效方法和材料体系。