基于等离子共振效应的金纳米结构有机半导体薄膜光物理特性研究

Investigation of organic semiconductor photovoltaic device is a hot research topic in semiconductor optoelectronics field, which is significant for the development of low-cost, large-area, flexible photovoltaic devices. In order to address the crucial challenges of increasing absorption and charge generation efficiency in organic photovoltaic devices, we will introduce gold nanoparticle fabrication technique, which developed and improved by the applicant’s research group, to the current high-efficient low-band-gap polymer solar cell materials. By means of adding the gold nanostructure, not only the optical path length can be increased in the organic film by the scattering of metal particles, but also the localized electromagnetic field can be generated at the metal/polymer interface, which can efficiently couple the light into the active layer improving light harvesting and can also bring an energetic force to charge dissociation. In this proposal, we will fabricate the organic film with different-scale and different-density gold nanostructures. We will also bring microstructure analyzing and photo physical understanding together by combining high-resolution characterizations with quasi-steady-state and transient-state spectroscopic probes to assess the influence of different gold nanostructures on solid morphology and charge generation properties of the photovoltaic polymer films. If successful, our proposal will be able to explore the basic physics of the charge generation mechanism in organic materials with gold nanostructures. The results will provide for the required insight to develop reliable organic photovoltaic device with gold nanostructures, and will also provide the significant theoretical and technical support for increase the absorption efficiency and power conversion efficiency of polymer solar cell.

有机半导体光伏器件是半导体光电子学研究领域的热点，对于开发低成本、大面积、可弯曲的光伏器件具有极为重要的意义。针对有机光伏器件研究中现存的两大主要问题——提高太阳光利用率和光致电荷产生效率，本项目提出一种基于等离子共振效应的金纳米结构有机薄膜。旨在利用金纳米结构作为散射单元及其引入的粒子等离子共振局域场，一方面有效地耦合太阳光进入有源层提高光捕获，另一方面提供额外的电子空穴分离驱动力提高电荷产率。本项目将以目前国际上热点研究的低禁带宽度聚合物光伏材料为研究对象，结合本实验室开发并改良的金纳米结构制备技术，选用溶液法制备金纳米结构有机薄膜，采用一系列国际先进的光谱学分析手段，并结合有机薄膜材料微观特性的变化，综合地分析金纳米结构对有机材料薄膜光物理特性的影响，从根本上探索金纳米结构有机材料电荷生成机制，最终为高效的基于等离子共振效应的金纳米结构有机薄膜光伏器件的开发提供理论和技术上的支撑。

有机半导体光伏器件是半导体光电子学研究领域的热点，对于开发低成本、大面积、可弯曲的光伏器件具有极为重要的意义。针对有机光伏器件研究中现存的两大主要问题——提高太阳光利用率和光致电荷产生效率，本项目提出一种基于等离子共振效应的金纳米结构有机薄膜。旨在利用金纳米结构作为散射单元及其引入的粒子等离子共振局域场，一方面有效地耦合太阳光进入有源层提高光捕获，另一方面提供额外的电子空穴分离驱动力提高电荷产率。本项目以目前国际上热点研究的低禁带宽度聚合物光伏材料PCDTBT:PC70BM混合薄膜为研究对象，结合本实验室开发并改良的金纳米结构制备技术，选用溶液法制备金纳米结构有机薄膜，成功实现了金纳米颗粒均匀分散的低禁带宽度有机半导体薄膜制备。我们发现，在引入金属纳米颗粒后，有机薄膜对太阳光的吸收率提高了5倍。结合探测延迟荧光光谱和功率依赖的光致吸收光谱，我们证明这部分增加的能量被束缚在界面态的极化子中，这部分极化子既可以分离成自由电荷（应用于有机光伏器件），又可以复合成激发复合体（应用于有机发光器件）。进一步，我们结合荧淬灭光谱和荧光捕获机制的分析方法，证明金纳米结构增强的界面态的极化子能量来源于金属纳米结构等离子共振。我们的研究从根本上探索了金纳米结构有机材料电荷生成机制，为高效的基于等离子共振效应的金纳米结构有机薄膜光伏器件和发光器件的开发提供理论和技术上的支撑。