Solar RRL:基于仿生宽带等离子激元金纳米颗粒的钙钛矿太阳能电池效率提升

自然界亿万年的进化产生了异常复杂的生物系统。在自然选择的过程中,生物体的许多结构都得到优化,产生无可比拟的性质。除了利用近千年来随着人类发展进步所获得的知识,大自然提供的线索与智慧也成为了另一种选择,用以激发科学研究中新的想法。蓝色蝴蝶翅膀上周期结构形成的光子晶体,可以从各个角度完美的反射蓝光,形成了较化学染料更鲜艳且稳定的蓝色。撒哈拉沙漠中的银色蚂蚁,为科学工作者利用宇宙远红外通道进行室外被动降温的研究提供了线索(Science 349.6245, 2015)。而乌贼皮肤颜色随外界环境变化及刺激的机理,则为动态可调红外线反射系统提供了灵感(Science 359.6383, 2018)。

沙特阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)刘昶旭博士和澳大利亚新南威尔士大学(University of New South Wales)大学材料科学与工程学院吴韬课题组则将大自然的智慧(仿生宽带等离子激元金纳米颗粒)应用到了钙钛矿太阳能电池中以进一步提高效率。作为新型光电材料,钙钛矿有着诸多优良的性质,例如合适且可调的带隙,强吸收,长载流子扩散长度和高缺陷耐受性。而且基于地球含量丰富材料的溶液制成,则为钙钛矿薄膜作为代替多晶硅成为新一代太阳能电池提供了可能。在提高自身质量的同时,将光学纳米结构引入钙钛矿太阳能电池则可以带来额外的效率提升。金属纳米颗粒在与光的作用中产生支持表面等离子体,增强了光-物质相互作用,将光子捕获于纳米颗粒周围,为进一步的光电转化提供了更多的来源。但是传统等离子激元纳米颗粒的共振对于其几何尺寸十分敏感,有效吸收的范围往往不能匹配宽带的太阳能。受到白色甲壳虫的启发,一种全新的具有宽带相应的等离子激元纳米颗粒被反向设计并用湿法化学合称得以实现(Nature nanotechnology 11.1, 2016)。吴韬课题组则将之应用于标准的钙钛矿结构以进一步增强器件的吸收效率。将适当比例的宽带金纳米颗粒至于钙钛矿中,器件在近红外波段的吸收有了显著提升。而与之相对应的,整个太阳能电池的效率的得到了近20%的提高。

研究者相信,利用仿生纳米颗粒提高吸收效率的方法可广泛应用于各类太阳能电池系统。同时,该结构亦可用于表面增强拉曼光谱、非线性光学以及光学催化等诸多领域。

相关结果发表于Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.201900138)上。