新型有机太阳能电池

有机太阳能电池(OPVs)基于有机半导体材料,作为最为廉价和非常有发展潜力的太阳能电池材料,其合成成本低,合成容易,并且其功能和结构易于调控,同时器件制备过程相对简单,所以能够大大降低太阳能电池的制造成本,对于大规模利用太阳能,提供廉价电能具有重要意义。此外能够大面积制造和实现柔性、环境友好、轻便易携等也是OPVs极具吸引力的优势。近年来,研发新的材料和器件结构,提高OPVs效率,推进其实用化一直是科学领域的一个研究热点。驱动低功耗电子器件是OPVs的一个理想应用,但其开路电压需进一步提升以实现这一应用。由两个以上的单元电池串接的叠层结构是目前公认的提高开路电压的有效方案,随着单元数量的增加,开路电压可以实现倍增。然而这一方案也有一定的缺陷,即叠层结构中电池单元对太阳能的吸收不平衡,相对太阳光的入射方向,前方电池单元吸收效率高,后方电池单元吸收效率低,导致光电流的不平衡。所以叠层器件的短路电流一般比单节OPVs低,局限了器件的整体效率。

吉林大学孙洪波-冯晶教授课题组针对这一问题展开研究,利用微纳结构金属薄膜激发电极和后方电池单元界面的表面等离子激元(SPPs),通过微纳结构参数调控,将SPP共振波长调制到光伏材料的吸收光谱范围,并实现SPPs与器件中微腔模式的强耦合,从而提高后方电池单元的吸收效率。应用这一方案制备了双结叠层器件,在保证叠层器件开路电压倍增的同时,短路电流没有下降,甚至获得了10.4%的提升,使得器件的整体效率相对平板型双结叠层器件提高了11.3%,相对传统的单结器件提高了一倍。

该工作中提出的研究方案,有效解决了叠层OPV器件电池单元吸收效率的失配问题,可以作为一种普适方法,在叠层OPV器件中进行应用,提高OPVs效率,进而为推动其走向实际应用发挥作用。