纳米金星颗粒的等离子体非对称模式可有效提高有机太阳能电池性能

有机太阳能电池的低成本、无毒、可伸展和大面积生产等众多优点,使其成为解决能源危机的一种新的选择。目前有机太阳能电池的效率还不能够满足商业化的需要,其主要原因是有机活性层中激子扩散长度仅有十几纳米。受限于激子扩散长度,有机活性层最优的厚度通常在两百纳米左右,太阳光的能量不能完全被吸收导致较低的电池光电转换效率。解决低效率问题的关键是提高活性层薄膜对太阳光能量的吸收。

金属的等离子体效应加强了光和物质的相互作用,能够将入射光聚集在特定亚波长的区域同时将光强度增加为原来的十倍乃至几百倍。这为增加太阳能电池中有机活性层吸收提供了可能性。在过去十几年中,学者们广泛研究各种金属颗粒的等离子共振在太阳能电池中光学吸收增加的作用。通常金属材料的等离子体共振峰位的半波宽度较窄,活性层的吸收增加只能够覆盖到小部分可见光区域,因此对电池效率的增加效果并不理想。为了实现电池中活性层宽频谱的光学吸收增加,研究人员通过掺入多种金属颗粒或者同时在传输层和活性层中掺入金属颗粒的途径获得活性层宽带的吸收增加,但是实验方面比较繁琐。故而在等离子体太阳能电池中研发一种简单,可行以及易操作的方法取得较宽频谱等离子共振是急待解决课题。

该研究中,几何尺寸设计的纳米金星颗粒(Au NSs)被掺杂到空穴传输层(PEDOT:PSS)和有机活性层(PBDT-TS1:PC71BM)界面处,激励出了等离子体非对称模谐振式。该模式同时对有机太阳能电池的光学和电学性能具有明显的提升,从而显著地增加了太阳能电池的光电转换效率。

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香港大学电子电机工程系蔡植豪(W.C.H. Choy)教授课题组和中国科学院化学研究所侯建辉研究员课题组利用纳米金星颗粒的等离子体非对称模式同时实现有机太阳能电池光学和电学两方面性能的提高,取得10.5%的光电转换效率。在光学方面,由于纳米金颗粒在几何结构上是同时介于空穴传输层(PEDOT: PSS)和有机活性层(PBDT-TS1:PC71BM)之间,这种非对称的电磁环境(即介电常数)确保了在电池中可以成功激励出等离子体非对称模式。通过理论计算和实验数据的分析,该等离子体非对称模式在可见光区域内是一个宽频谱响应的共振,能够在较宽波长内增加有机活性层的吸收。研究进一步探讨了活性层吸收增加的机理,激励出的等离子体非对称模式将原本在电子传输层中损耗的能量转移到了有机活性层中,从而增加了激子的生成率即光电流。故能量转移是非对称模式增加有机活性层吸收的根本原因。

在电学方面,由于有机活性层中空穴的迁移率(1.18×10-3 cm2 v-1 s-1)比电子迁移率(6.56×102 cm2 v-1 s-1)小一个量级,故电极对电子和空穴的抽取不平衡容易形成空间电荷堆积。在掺杂纳米金颗粒之后,其等离子体非对称模式将激子的生成区域从有机活性层中部转移到空穴传输层附近。最终空穴到阳极的传输路径变短,电子到负极的传输路径变长,从而获得更加的平衡的电子和空穴的抽取,避免了空间电荷堆积的形成,改善了电池的电学性质。此外,通过阻抗谱的分析,纳米金颗粒同时具有减少空穴在传输层中的阻抗的作用。

综合纳米金颗粒的等离子体非对称模式在电池光学和电学性质上的增强作用,有机太阳能电池的光电转化效率最终可以达到10.5%。相关工作在线发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201601949)上。