包覆型銀納米結構對有機太陽能電池性能的最佳化研究

《包覆型銀納米結構對有機太陽能電池性能的最佳化研究》是依託太原理工大學，由郝玉英擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：包覆型銀納米結構對有機太陽能電池性能的最佳化研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：郝玉英
• 依託單位：太原理工大學

項目摘要

有機太陽能電池（OSCs）作為一種清潔可再生能源對大規模利用太陽能、提供廉價電能具有重要意義。但OSCs的效率低是制約其套用的關鍵因素之一。大量研究表明在OSCs中植入貴金屬納米結構有利於提高活性層的光吸收,但該技術在提高OSCs光吸收的同時，也導致了金屬界面處載流子的複合損失、激子的淬滅損失，這對OSCs光電轉化效率的提高是不利的。為此，本項目提出設計製備聚四氟乙烯包覆的銀納米核-殼結構及三氧化鉬包覆的銀納米層狀凹凸結構，將其同時植入OSCs中，使OSCs的光、電性能同時得到最佳化，實現其光電轉化效率的顯著提高。研究包覆型銀納米結構的表面等離子激元激發及局域場增強的物理機制，研究多模式表面等離子激元激發對活性層光吸收的調控規律；研究包覆型銀金屬納米結構及其耦合作用對OSCs中激子的擴散與解離、載流子傳輸與收集行為的影響規律。本項目研究將為高效率OSCs的研發提供重要的科學依據。

結題摘要

主要研究內容： （1）研究了包覆型銀納米結構的等離激元共振模式及光子模式的激發機制、耦合效應及其對活性層光吸收的調控規律，實現了電池光吸收效率的有效提高。 （2）研究了金屬納米顆粒引入到有機太陽能電池緩衝層或緩衝層與活性層界面處對電池中激子的產生、擴散與解離、載流子的傳輸與收集行為的影響，並對其中的物理機制進行了探索。 取得的重要研究結果及其科學意義： （1）新技術方面： 發展了二氧化矽包覆型銀納米立方體提高電池PCE的新技術；發展了一種將具有大尺寸的二氧化矽包覆型納米銀球鑲嵌於陽極緩衝層和活性層之間提高電池PCE的新技術；發展了一種將三種具有互補表面等離激元共振吸收的銀納米顆粒混合植入活性層底部提高電池PCE的新技術；提出了一種利用聚乙烯微球構築具有隨機分布的二維亞波長尺度的凹凸結構提高電池PCE的新技術。 （2）器件新結構設計方面： 開展了表面等離激元增強電池光吸收的多項理論研究。設計了一系列結構新穎的金屬納米光柵結構，如超小周期和超大高寬比的銀納米牆光柵、介質包覆的梳狀金屬納米光柵、介質/金屬/介質核殼結構光柵等，引入OSC中，通過同時激發豐富的光子模式（腔模式和布洛赫模式）和表面等離激元共振模式等，實現了高效、寬譜、廣角光吸收的提高。 （3）新現象、新機理方面： 發現金屬納米顆粒不僅作為表面等離激元共振基元提高了激子的產生率和解離率，而且作為界面層可改變陽極緩衝層PEDOT:PSS的表面能，進而促進了活性層的垂直相分離，從而提高了載流子的傳輸和收集效率；發現了二氧化矽包覆層不僅能減少激子的淬滅和載流子的複合損失，還有利於提高光散射，進而提高活性層的光吸收；發現了二氧化矽包覆層改變了銀立方納米顆粒的LSP邊共振相位。 上述研究成果豐富了表面等離激元共振理論，對金屬納米結構提高OSC光電轉化效率的機理有了全面的認識和理解。本項目研究將為高效OSC的研發提供科學依據和理論指導。