超薄活性层有机太阳能电池研究

Metal nanostructures with quasi-periodic, aperiodic, random, and combination quasi-periodic with random will be developed by integrating mask technique, nanoimprint lithography, vacuum thermal evaporation and magnetron sputtering deposition technology, and combining with the finite difference time domain method (FDTD) simulations. The surface plasmon resonance effect of metal nanostructures can further be adjusted by dielectric materials, and its resonance wavelength can cover the entire visible region, and even near infrared area. Studying interaction mechanisms between metallic nanostructures and their surface plasmon effects, and excitons and carriers in the active layer. Metal nanostructures integrated with ultra-thin active layer (30-60nm) organic photovoltaic (OPV) cells would achieve the localized surface plasmon resonance (LSPR) in part coupled to short-range surface plasmon polaritons (SPP) modes, which will be helpful to increase ultra-thin active layer "optical thickness" closing to the "optical thickness" of traditional active layer of 80-250nm and control Ohmic damping loss in metallic nanostructures.Overcoming the increase of interface barrier and carrier recombination, and the decline of the parallel resistance Rp caused by ultra-thin active layer OPV cells by interface modification methods and cell structures, the efficiency of ultra-thin OPV cells would be more 15% than traditional OPV cells efficiency. The ultra-thin OPV cells have more thermal stability and longevity than traditional OPV cells.

综合运用掩膜技术、纳米压印技术、真空热蒸发和磁控溅射镀膜技术，结合时域有限差分法（FDTD）模拟分析，研制准周期性、非周期性、随机性、准周期性与随机性相结合的金属纳米结构，并用介质材料修饰，使其表面等离子体共振波长范围覆盖整个可见光区，甚至近红外区。探索金属纳米结构和其表面等离子体效应与活性层中激子、载流子相互作用机制。集成于超薄活性层（30-60nm）有机太阳能电池（OPV）的金属纳米结构阵列的定域态表面等离子体共振（LSPR）能适当耦合形成部分短程表面等离激元（SPP）模式，使超薄活性层"光学厚度"接近厚度为80-250nm的活性层"光学厚度"，并控制金属内欧姆震荡热损耗。采用界面修饰手段和优化电池结构，克服超薄OPV电池可能存在的界面势垒和载流子复合增加，以及电池并联电阻Rp下降等难题，力争该超薄OPV电池效率比传统厚度OPV电池效率提高15%以上，热稳定性和寿命优于传统OPV电池。

有机太阳能电池中光活性层通过存在激子扩散距离短和载流子迁移率低等问题，存在活性层厚度增加导致电池载流子传输收集降低的矛盾。通过设计金属纳米结构和电池结构，能有效改变金属纳米薄膜的表面等离子体共振特性，以及金属纳米结构与电池相互作用机制。.基于金属纳米结构的表面等离子体效应，我们开发出了低阻高透热稳定增强的GZO/AgTi/GZO透明导电薄膜，其方块电阻约5Ω/□,最高透光率86%，可见光区的平均透光率明显优于同等方阻下ITO导电薄膜，并且经过400度30分钟退火后，薄膜性能仍保持稳定。采用该导电薄膜电极，聚合物太阳能电池效率可达到9.40%，与ITO电极制备的OPV效率9.43%相当，并且电池耐紫外能力相比ITO电极电池有显著增强。因此，GZO/AgTi/GZO透明导电薄膜的透光率、方阻、热稳定性以及耐紫外性等综合性能优于商用ITO导电薄膜。.基于Au/LiF/ZnO结构电子传输层，采用超薄活性层厚度60nm的P3HT:PCBM基OPV电池效率达到3.68%，相比纯ZnO的电池提高了40%。利用plasmon效应，达到活性层增加“光学厚度”目的。空气条件下存放240天，LiF修饰ZnO的OPV电池效率仍保持50%以上，其稳定性明显优于纯ZnO的电池。采用MoO3/AgAl/MoO3/AgAl结构电极, AgAl相比Ag能很好抑制Ag原子扩散，提高了载流子传输和收集能力。基于PTB7-TH:PC70BM体系的OPV电池，利用AgAl纳米结构表面等离子体效应，OPV电池效率达到9.79%，明显高于参考电池8.55%。经120天老化测试，采用AgAl和Ag纳米结构的电池效率分别保持了60%和26%，AgAl结构的电池稳定性显著增强。.采用AgAl合金电极替代Ag和铝电极方案，研制出高效稳定的聚合物太阳能电池和钙钛矿太阳能电池。采用LiF/ZnO电子传输层和AgAl电极综合方案，PTB7-TH:PC70BM基OPV电池效率到达10.33%。经过380天的衰减，电池效率仍保持初始效率的78%，显示出极好的稳定性。AgAl电极中形成的AlOx有助于改善界面接触特性，增加载流子提取效率，抑制Ag原子扩散，是增强电池效率和稳定性的根本原因。