金屬納米核殼光柵改善超薄有機光伏器件光吸收性能的研究.pdf

1、有機光伏器件(Organic photovoltaic devices，簡稱OPVs)由于其材料來源廣泛，成本低廉，制作容易，可制備成半透明、柔性器件，并可大面積生產(chǎn)等優(yōu)點而成為非常有發(fā)展前景的可再生能源技術(shù)。然而，目前其能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)遠遠低于單晶硅太陽能電池。為有效提高OPVs中活性層的光吸收效率進而提高其PCE，周期性的金屬納米光柵結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛采用。然而常見的一維金屬納米光柵結(jié)構(gòu)對入射光的偏振具有很強的依賴性，同時其光捕獲

2、能力也極大地依賴于光入射角。這種偏振敏感、入射角依賴的OPVs不利于其實際應(yīng)用。基于此，本文設(shè)計了一類具有核殼結(jié)構(gòu)的一維金屬納米光柵作為傳統(tǒng)正置OPVs的背反射陰極或頂陽極，同時將有機功能層也圖案化為周期性結(jié)構(gòu)，理論上研究了金屬納米核殼光柵結(jié)構(gòu)對OPVs光吸收性能的影響。此外，本文還將所設(shè)計的一維金屬納米核殼光柵結(jié)構(gòu)引入到倒置透明OPVs中，理論上研究了金屬納米核殼光柵對活性層的光吸收性能、器件的透光性能的影響。本論文的主要研究結(jié)果如下

3、:
　　1、一維金屬Ag納米光柵改善P3HT∶PCBM體系光伏器件光吸收性能的研究。此器件結(jié)構(gòu)的特點是除將背反射陰極Ag層修飾為一維納米光柵結(jié)構(gòu)外，還將活性層和載流子傳輸層也設(shè)計成周期性凹凸圖案。研究表明:光柵幾何參數(shù)主要影響器件中共振模式的產(chǎn)生、階次及強弱，其中光柵周期對共振模式有著直接的調(diào)控作用。優(yōu)化的光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)為P=400 nm,W=75nm及H=70nm。與等效平直器件相比，優(yōu)化器件在TE，TM及混合偏振模式下活性層的總

4、吸收效率分別提高了11.3％，15.4％和13.3％，實現(xiàn)了寬譜及偏振不敏感的光吸收性能的提高。對相關(guān)電磁場分布的研究表明，光吸收增強歸因于此獨特的器件結(jié)構(gòu)激發(fā)的光子/光子、表面等離子/光子耦合模式的復(fù)合共振。此外，該優(yōu)化器件還實現(xiàn)了廣角高吸收特性。
　　2、MoO3/Ag/MoO3(MAM)納米核殼光柵結(jié)構(gòu)提高CuPc/C60體系光伏器件光吸收性能的研究。此器件結(jié)構(gòu)的特點是引入圖案化的MAM核殼光柵作為器件的頂陽極，同時將活性層

5、也圖案化為周期性結(jié)構(gòu)。研究得出:MAM納米核殼光柵結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)對光子模式、表面等離子激元的共振激發(fā)及模式間的耦合共振有著明顯的影響，在光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)為p=180nm，F(xiàn)F=0.25及h'=43 nm的條件下活性層的光吸收達到最優(yōu)。與等效平直器件相比，優(yōu)化器件在TM，TE及混合偏振模式下活性層的總吸收效率分別提高178.88％，19.44％和99.16％(考慮太陽光譜的權(quán)重)。對相關(guān)電磁場分布的研究表明，這主要歸因于MAM納米核殼光柵結(jié)構(gòu)

6、的引入激發(fā)了SPR，Bloch模式及強烈的耦合共振效應(yīng)。此外，該結(jié)構(gòu)也實現(xiàn)了寬譜及廣角高吸收特性。
　　3、MoO3/Ag/MoO3(MAM)納米核殼光柵結(jié)構(gòu)對倒置透明電池器件光吸收及光透射性能的影響。此器件結(jié)構(gòu)的特點是引入MAM納米核殼光柵作透明陽極，同時應(yīng)用ZnO/ITO作透明陰極，并將活性層也圖案化為周期性凹凸結(jié)構(gòu)。研究表明:MAM納米核殼光柵周期直接調(diào)控共振模式，光柵高度對共振模式的階次有明顯的影響，器件在光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)為p

7、=240 nm，w=55nm及h'=90nm下活性層光吸收達到最強。與等效平直器件相比，當(dāng)光從器件陽極入射時，優(yōu)化器件在TM，TE及混合偏振模式下活性層的總吸收效率提高了25.27％，11.79％及18.53％(考慮太陽光譜的權(quán)重)實現(xiàn)了寬譜、偏振弱敏感的吸收特性。對相關(guān)電磁場分布的研究表明，光吸收增強歸因于光柵結(jié)構(gòu)激發(fā)了SPR，等離子波導(dǎo)模式及Bloch模式。此外，該結(jié)構(gòu)還實現(xiàn)了廣角高吸收特性。當(dāng)光從器件陰極入射時，優(yōu)化器件亦可實現(xiàn)寬