基于金属纳米网透明电极的表面等离激元聚合物光伏电池研究

Polymer solar cells are a promising alternative to conventional photovoltaic devices due to their flexibility, light weight, low cost, and convenient fabrication. Nowadays, two significant challenges in polymer solar cells are high optical absorption in ultra-thin active layers by light trapping, and replacement of the indium tin oxide (ITO) transparent electrodes in device fabrication. In the past few years, many researchers have been seeking plasmonic nanostructures and metallic nanostructures to conquer the two challenges, separately. Here, we combine the solutions of two challenges and propose the theoretical and experimental study of using metallic plasmonic thin film electrodes in a new conceptual polymer photovoltaic device. Metallic nanomesh thin films with nanohole arrays will be intergrated into novel devices as transparent electrodes, and it will also enhance the light absorption in active layers. The research will focus on the device model design and optimization based on photo-electric multiphysics, the metallic nanomesh fabrication and characterization, and the device fabrication and optimization. The achievements of this fundamental research should provide a desirable way to improve the power conversion efficiency and other device performances of polymer solar cells.

聚合物太阳能电池具有柔软、轻便、低成本和制造简易等优点，它很有希望在将来成为传统光伏电池的替代品。当前，聚合物太阳能电池面临的两个重要挑战分别是:通过光学限制使超薄活性层具有强的光吸收，以及在器件制备上寻求氧化铟锡（ITO）透明电极的替代品。在过去的许多年里，众多研究者一直在寻求用表面等离激元纳米结构和金属纳米结构来分别克服这两个挑战。这里我们将这两者的解决方案综合起来，提议采用金属表面等离激元薄膜电极构建新型聚合物光伏器件，并进行相关的理论和试验研究。具有纳米多孔阵列的金属纳米网薄膜不仅将被作为透明电极集成到新型器件中，而且将增强活性层的光吸收。本研究将聚焦于器件光电多物理场模型的设计和优化，金属纳米网薄膜的制备和表征，器件的制备和优化等工作。本项目的基础研究工作成果将有力地提升聚合物太阳能电池的功率转换效率和其他器件性能。

金属纳米结构的表面等离激元电磁模式具有光场汇聚和增强的作用，这使得金属纳米结构可以作为一种优良的光电器件陷光结构，对于开发高效率、高性能的太阳能电池、光电探测器、电光调制器等器件具有重要的科学意义和应用价值。具有纳米多孔阵列的金属纳米网薄膜等金属纳米结构不仅可以被作为电极集成到光电器件中，而且能极大地增强器件活性层的光吸收效率。本项目以纳米网等金属纳米结构作为研究出发点，首先开展基于表面等离激元效应的金属纳米结构和光电器件多物理模型的理论分析与设计，通过模拟仿真对新型器件的材料与几何参数进行全面优化，为高性能光伏器件的制备提供必要的理论依据。其次，探索金属纳米结构薄膜的制备工艺，采用理论与实验相结合的路线分析金属纳米薄膜的光学特性和电学特性。最后，深层次地改进新型光电器件的制备流程，克服将金属纳米结构薄膜集成到器件中的技术瓶颈，逐步完善和优化器件制备工艺，结合器件的光电测量结果，进一步揭示新型器件工作原理，深入剖析金属纳米结构表面等离激元效应对器件光电性能提升的物理机制。采用纳米球掩膜板技术制备超薄金属纳米薄膜在近红外波段实现大于80%的光透过率，并极大地增强可见光波段光吸收效率。更进一步，我们从物理层面引入超薄金属纳米薄膜奇特光透射和超构材料电磁波完美吸收体的概念，用于阐释器件中活性层与光互作用增强的详细物理图景和陷光的基本实现手段。采用适合于工业化生产的6寸基片技术，有利于大大降低生产成本，用于批量开发新型高性能纳米光子器件。这些研究成果为人们利用纳米光子学开发高性能光电器件提供了重要的参考，也为如何运用这一物理效应指明了一定的应用方向。更重要的是，我们避免采用昂贵、产量低的制造工艺，而采用更适合于工业化生产的纳米压印技术，这为未来的纳米光子器件的规模化和商业化指明了一条切实可行的发展方向。