銀納米光柵增強(qiáng)超薄有機(jī)太陽能電池光吸收性能的研究.pdf

1、有機(jī)太陽能電池(Organic Solar Cells，OSCs)作為一種清潔可再生能源對(duì)大規(guī)模利用太陽能、提供廉價(jià)電能具有重要意義，但光電轉(zhuǎn)化效率低是制約其應(yīng)用的關(guān)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(shù)之一。但對(duì)周期小于100nm的金屬光柵結(jié)構(gòu)的研究甚少。基于此，本文提出在P3HT∶PCBM體系的有機(jī)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(duì)有機(jī)太陽能電池光吸收性能的影響。另外，也有研究指出，當(dāng)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(dǎo)致了金屬表面處載流子的復(fù)合損失、激子的淬滅損失，這對(duì)OSCs光電轉(zhuǎn)化效率的提高是不利的?；诖?，在上述研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)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(duì)有機(jī)太陽能電池光吸收性能的影響。該研究將對(duì)高效OSCs的研發(fā)具有重要指導(dǎo)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(duì)有機(jī)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(diǎn)效應(yīng)的產(chǎn)生及其強(qiáng)弱，而且光柵寬度比高度變化對(duì)活性層光吸收的影響更為明顯。
　　(2)具體地，當(dāng)h=30 nm時(shí)，在混合模式下活性層的總吸收效率可以達(dá)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(shí)現(xiàn)了超薄活性層的強(qiáng)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(dāng)h=8nm時(shí)，熱點(diǎn)效應(yīng)的強(qiáng)電場(chǎng)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(duì)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(huì)影響銀納米光柵之間熱點(diǎn)效應(yīng)的激發(fā)，同時(shí)總吸收效率會(huì)有所提升，主要是因?yàn)樵赥E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(diǎn)效應(yīng)仍是電池光吸收增強(qiáng)的主要因素。
　　(2)對(duì)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(dāng)h=30nm時(shí)，ZnO-Ag核殼結(jié)構(gòu)在混合模式下總吸收效率可以達(dá)到43.63％，相對(duì)于活性層厚度為20