銀納米光柵增強超薄有機太陽能電池光吸收性能的研究.pdf

1、有機太陽能電池(Organic Solar Cells，OSCs)作為一種清潔可再生能源對大規(guī)模利用太陽能、提供廉價電能具有重要意義，但光電轉(zhuǎn)化效率低是制約其應用的關鍵因素之一。過去的大量研究表明，在OSCs中植入周期為幾百納米的貴金屬光柵，有效地提高了活性層的光吸收，成為提高OSCs光電轉(zhuǎn)化效率的有效技術之一。但對周期小于100nm的金屬光柵結(jié)構(gòu)的研究甚少?；诖?，本文提出在P3HT∶PCBM體系的有機太陽能電池中，引入具有極小周期(

2、20 nm)的銀納米光柵結(jié)構(gòu)，理論上研究了該光柵對有機太陽能電池光吸收性能的影響。另外，也有研究指出，當銀納米光柵結(jié)構(gòu)直接與太陽能電池的活性層接觸，雖然有利于提高OSCs的光吸收，但也導致了金屬表面處載流子的復合損失、激子的淬滅損失，這對OSCs光電轉(zhuǎn)化效率的提高是不利的?；诖?，在上述研究的基礎上，進一步提出包覆型銀納米光柵結(jié)構(gòu)，理論上研究了該光柵結(jié)構(gòu)對有機太陽能電池光吸收性能的影響。該研究將對高效OSCs的研發(fā)具有重要指導意義。主要

3、結(jié)論如下:
　　1、首先，在P3HT∶PCBM體系的OSCs中，本文研究了具有極小周期的銀納米光柵對有機太陽能電池活性層光吸收性能的影響。研究得出:
　　(1)光柵的幾何參數(shù)變化主要影響銀納米光柵之間熱點效應的產(chǎn)生及其強弱，而且光柵寬度比高度變化對活性層光吸收的影響更為明顯。
　　(2)具體地，當h=30 nm時，在混合模式下活性層的總吸收效率可以達到47.90％，比等效平板結(jié)構(gòu)增加了36.50％，而活性層的等效厚度僅

4、為24.5 nm，實現(xiàn)了超薄活性層的強吸收效果。特別在TM模式下，總吸收效率相比于等效平板結(jié)構(gòu)提高了102％。另外，該結(jié)構(gòu)呈寬譜、廣角吸收特性。當h=8nm時，熱點效應的強電場作用由于光柵高度的降低而明顯削弱，其光吸收的提高主要是依靠活性層有效厚度的增加。
　　2、結(jié)合上述研究，本文利用介質(zhì)材料包覆光柵從而提出包覆型銀納米光柵的核殼結(jié)構(gòu)，避免激子在金屬銀/聚合物界面的淬滅。研究得出:
　　(1)對無損耗介質(zhì)作為包覆材料的核殼

5、結(jié)構(gòu)研究結(jié)果如下:
　　介質(zhì)包覆材料不會影響銀納米光柵之間熱點效應的激發(fā)，同時總吸收效率會有所提升，主要是因為在TE模式下，活性層光吸收受到的抑制作用減弱，而且介質(zhì)包覆材料的折射率越大抑制作用越弱。但熱點效應仍是電池光吸收增強的主要因素。
　　(2)對ZnO和TiO2作為具體介質(zhì)包覆材料的核殼結(jié)構(gòu)研究結(jié)果如下:
　　當h=30nm時，ZnO-Ag核殼結(jié)構(gòu)在混合模式下總吸收效率可以達到43.63％，相對于活性層厚度為20