利用阳极氧化铝模板纳米压印方法在倒置有机太阳能电池中引入偏振不敏感亚波长光栅的研究

The architecture of inverted organic solar cells (OSCs) avoids the use of the functional materials which are environmentally instable, thus greatly prolonging the device lifetime. Incorporation of metallic nanostructues into OSCs is an effective approach to realize enhanced light absorption and improvedcarrier collection for high efficiency photovoltaic devices. By utilizing the nano-imprinting lithography to transfer the two-dimensional (2D) grating pattern from a soft mold into the active layer, the enhancement of light absorption becomes polarization-insensitive, yielding the power conversion efficiency much enhanced compared to the planar device. However, the present mold producing methods have some limitations. For example, the UV lithography is limited in forming patterns in sub-wavelenth scale, while some other techniques like the e-beam lithography rely on expensive equipment set-ups during the mold fabrication. In this project, we propose to use soft molds with 2D hexagonol packing patterns that can be created by anodic aluminum oxide templates at low cost. This technique enables to realize sub-wavelength 2D structures in the active layer of inverted OSCs, which otherwise are limited by the conventional diffraction method. Due to the conformal coating of silver anode on top of the grating active layer, a polarization-insensitive metallic nanograting is generaterated, which can excite surface plasmon modes. We will study the effect of the excitation of the optical modes like surface plasmons on light trapping, exciton generation and dissociation, charge transport and collection in OSCs. Besides, the effect of incorporation of metallic nanoparticles for improved optical and electrical properties in OSCs will be analyzed. It is expected that the power conversion efficiency of inverted OSCs can be enhanced by more than 20%. The experimental and theoretical outcomes of this project would contribute to the realization of low-cost, high-efficiency, and stable organic photovoltaic cells.

倒置结构有机太阳能电池(OSCs)避免了使用环境不稳定的材料，延长了器件寿命。在OSCs中引入金属纳米结构可改善光吸收及电荷收集效率，是实现高效率光伏器件的有效途径。利用纳米压印将印章上的二维光栅图案转移到活性层，消除了光吸收增强对偏振的敏感性，提高了能量转换效率。然而，现有制备印章的工艺方法存在一定的局限性，例如紫外光刻无法制备亚波长尺度的图案，电子束曝光等技术需用到昂贵设备而使得成本过高。 本项目以低成本阳极氧化铝模板为母版，制备突破衍射极限的六角密排图案印章，利用纳米压印将其转移到倒置OSCs的活性层中,再与阳极银膜复合形成偏振不敏感亚波长金属光栅，探究该光栅所激发的表面等离激元等光子模式对光捕获、激子产生/解离、电荷传输/收集的调控规律，还将结合金属纳米颗粒的植入以求进一步提高器件光、电性能，期望获得倒置OSCs效率提高20%以上。为低成本高效稳定光伏器件的研发提供实验与理论依据。

贵金属纳米结构可激发表面等离激元共振模式，具有传统光学结构无法比拟的诸多超常特性。基于表面等离激元的光电转换等功能器件已被世界高度重视。太阳能是最理想的绿色能源之一，开发利用太阳能提供廉价电能符合能源体系绿色革新目标。传统器件将光能转化为电能过程中，材料较弱的陷光能力无法满足实际需求。而表面等离激元增强的光电转换器件有望实现更轻薄更高效的太阳能电池组件。区别于传统光刻工艺，利用纳米压印将印章上的二维光栅图案转移到活性层可以实现低成本表面等离激元增强型光电转换器件的制备，结合金属纳米颗粒的植入可以进一步提高器件的光、电性能。.本项目所开展的主要研究内容包括：利用纳米压印或自组装将金属纳米光栅引入太阳能电池中，提高了光电转换性能；将包覆的金属纳米颗粒分别引入了太阳能电池中，研究了掺入颗粒对电池光/电性能的影响；设计了含金属纳米光栅的有机太阳能电池，提高了活性层光吸收。.基于本项目发表了20余篇学术论文，授权专利5项，出版专著1部，获得了山西省科学技术奖自然科学奖二等奖一项。项目负责人获山西省青年三晋学者称号。本项目揭示了“金属纳米结构形貌特征-电磁场局域行为-光电子器件宏观性能”之间的关系规律；揭示了在太阳能电池中植入亚波长光栅及掺入金属纳米颗粒对器件光学/电学性能的影响规律；对开发高性能纳米光子/光电子能源器件有着重要的战略意义。具体地，在实验上，我们通过纳米压印与自组装的方法实现了太阳能电池功能层的微观图案化并以AAO模板作为抗反射纳米柱薄膜改善太阳能电池的性能，提高了电池效率。此外我们研究了金属纳米光栅以及不同形貌、不同尺度的金属纳米颗粒等纳米结构对太阳能电池性能的影响，具体地将周期性金属光栅、金纳米棒、纳米球、银纳米三角、银纳米立方以单一或复合的方式掺入到OSC中，从光电性能、光谱性能、微观形貌等多个方面对其性能进行了具体的研究，得出结论宽谱表面等离激元的激发的确有利于活性层光吸收的提高，进而大幅度提高了激子的产生率。另外，我们还从理论研究的角度出发，探究了不同类型的纳米结构引入OSC中对活性层光吸收的影响，通过系统的场分布性能分析，得出结论表面等离激元共振模式、腔模式、布洛赫模式等光学模式的杂化是活性层在宽谱范围内获得吸收增强的原因所在。以此项目为依托，我们还进行了其他相关研究，包括表面等离激元光准直器、钙钛矿太阳能电池、阵列吸波体、OLED中的应用。.