基于表面等离子增强效应的微纳结构有机太阳能电池研究

The need to develop inexpensive renewable energy sources stimulates scientific research for efficient, low-cost photovoltaic devices. Organic photovoltaic cells (OPVs) have the advantages of low cost, ease of processing, environment friendliness and lightweight, and its development is very important for the large-scale utilization of the solar energy and providing cheap electric power. However, the organic film has to be very thin due to its short exciton-diffusion length and low carrier mobility, which results in low light absorption efficiency and limited the conversion efficiency of the OPVs. Microstructure has exhibited its effect in improving the light absorption by coupled surface plasmon-polariton (SPP) resonance. This project investigates the microstructure and interface engineering to verify the effect of the microstructure on the photon-electron conversion process of the microstructured OPVs. Our efforts are focus on developing highly efficient microstructured OPVs based on the SPP enhancement. The goal of this project is to promote the research of the organic photon-electron conversion materials and devices, and their applications to renewable source utilization.

面对全球能源危机和环境恶化，光伏器件的开发研制成为近年来世界科技领域的一个研究热点。有机太阳能电池（OPVs）具有成本低廉、工艺简单、环境友好和轻便易携等优势，它的发展对于大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。然而有机材料由于激子扩散距离短、载流子迁移率低，导致OPVs中的有机薄膜只能采用很薄的厚度，不利于对太阳能的高效吸收，这是限制其光电转换效率的重要因素之一。在OPVs中引进微纳光学结构，利用金属微纳结构的表面等离子体局域增强效应增加有机薄膜的光吸收效率，是解决这一问题的有效方案。本项目面向国家解决能源问题的重大战略需求，理论与实验相结合，通过微纳结构及其表面界面工程研究，旨在澄清微纳结构OPVs中的光电转换过程与器件工作机制，进而实现高效率微纳结构OPVs的器件制备，为有机光电转换材料和器件在可再生能源的开发和能源高效利用方面提供新思路和技术支撑。

面对全球能源危机和环境恶化，光伏器件的开发研制成为近年来世界科技领域的一个研究热点。有机太阳能电池（OPVs）具有成本低廉、工艺简单、环境友好和轻便易携等优势，它的发展对于大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。然而有机材料由于激子扩散距离短、载流子迁移率低，导致OPVs中的有机薄膜只能采用很薄的厚度，不利于对太阳能的高效吸收，这是限制其光电转换效率的重要因素之一。在OPVs中引进微纳光学结构，利用金属微纳结构的表面等离子体局域增强效应增加有机薄膜的光吸收效率，是解决这一问题的有效方案。本项目面向国家解决能源问题的重大战略需求，理论与实验相结合，通过微纳结构及其表面界面工程研究，旨在澄清微纳结构OPVs中的光电转换过程与器件工作机制，进而实现高效率微纳结构OPVs的器件制备，为有机光电转换材料和器件在可再生能源的开发和能源高效利用方面提供新思路和技术支撑。.本项目具体研究成果可概括为两个方面：（1）SPP增强效应提高叠层OPVs的电池单元的光电流平衡；（2）金银合金纳米粒子提高OPV光吸收；（3）双周期微纳结构宽光谱SPP共振实现OPV宽光谱吸收增强；（4）天线结构OPV宽光谱吸收增强；（5）柔性OPV器件。项目进展顺利，实现了基于SPP增强提高OPVs效率的目标，并探索研究柔性OPV器件，为OPV走向应用做出有益的探索。已发表标注本项目资助的SCI论文16篇。