等离子体共振提高钙钛矿太阳能电池性能

advs201500312-gra-0001-m高效率、低成本光伏发电技术是解决能源和环境问题的有效途径。钙钛矿太阳能电池能够高效率将光子转换为电能,拥有便于制造和材料来源广泛等优势,是目前光伏领域中研究热点。有机-无机铅卤化物杂化钙钛矿结构材料具有消光系数高、载流子迁移率高、载流子长寿命、激子束缚能低、以及双极性传输等优异特性。近年来,钙钛矿太阳能电池研究主要集中在钙钛矿晶体形貌的控制和界面工程等方面。等离子体共振是提高光伏器件光电转换效率的有效手段之一。但是在钙钛矿太阳能电池中应用研究并没有得到足够的重视。主要原因是有机-无机铅卤化物杂化钙钛矿材料和金属等离子体激子吸收光子能量重叠而导致实验上观测等离子体基元的贡献困难。科研人员发现,由于钙钛矿作为吸光层材料光谱响应范围宽,远远超过已有多数金属纳米粒子的光谱响应。因此,钙钛矿太阳能电池中表面等离子体基元增强效应非常弱。

华中科技大学/武汉光电国家实验室王鸣魁教授课题组从等离子基元能量局域化和钙钛矿材料带隙工程的角度出发,采用新方法进行CH3NH3PbI3-xBrx钙钛矿可控制备,利用吸收截止峰位置在700 nm的吸光层和响应在红外区(~785 nm)的等离子基元,实现等离子体共振提高钙钛矿太阳能电池的目的。在该研究中,光生电流实验结果表明有25%的增益,受光辐射金纳米棒产生的等离子共振是电流增加的根本原因。借助光致发光谱和对器件的暂态光电压衰减测量等深入研究,研究人员发现金属纳米材料促进钙钛矿的激子解离,更有意思的是器件中电荷复合也得到了抑制。因此等离子基元可提升钙钛矿太阳能电池性能。相关研究成果发表在Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.201500312)上。