基于透明光栅电极的有机太阳能电池研究

Light absorption in organic solar cells (OSCs) can be limited in photoactive organic films thinner than optical absorption length, due to relatively low carrier mobility of organic materials. Light trapping is a promising approach to improve light absorption in OSCs by scattering the incident light to oblique angle and increasing the effective optical path of the light inside the devices. Poly(methyl methacrylate) (PMMA) is a transparent polymer with a large refractive index. In this project, we intend to study the absorption enhancement in OSCs using a new PMMA/indium-tin-oxide (ITO) grating electrode. We will investigate the absorption enhancement in grating incorporated OSCs using finite-difference time-domain simulation, understand the effect of the grating structures on absorption enhancement in OSCs, optimize the PMMA/ITO grating electrode and study the performance enhancement of grating OSCs compared to a planar control OSC.

由于有机材料的载流子迁移率普遍比较低，有机光敏薄膜的厚度一般小于材料的光吸收长度，从而限制了有机太阳能电池（organic solar cells, OSCs）的光吸收效率。利用光捕捉机制，通过大角度光散射增加光在器件中的有效光程，是提升OSCs光吸收效率的一种非常有前景的手段。Poly(methyl methacrylate) (PMMA)是一种折射率很大的透明聚合物材料，本项目主要研究利用一种新型PMMA/铟锡氧化物(indium tin oxide, ITO)透明光栅电极对于OSCs光吸收的改善效果。我们打算结合实验结果与时域有限差分的模拟来研究光栅对OSCs光吸收的提升，与平面型OSCs对比，理解透明光栅结构对于OSC器件光吸收的具体作用，并优化PMMA/ITO光栅电极结构，进一步提高光栅型OSCs的器件性能。

通过本项目的研究，我们揭示了 “光栅型有机太阳能电池” 中光吸收增强的物理机制，并对实现高效率长寿命有机太阳能电池的物理基础进行了深入探讨。取得的研究成果如下：(1) 证实了光栅电极器件中的光吸收增强应主要归因于入射光在PMMA/ITO 和Ag电极双层光栅的散射下，形成波导模式，并与入射光耦合，增加了器件内的光程和光强度，从而改善了电池性能；(2) 通过纳米压印法和掺入Ag NCs@SiO2 核壳结构的纳米立方体的方法成功制备出了高效率的聚合物有机太阳能电池; (3) 揭示了倒置结构聚合物太阳能电池中激子拆分、电子收集、相分离等微观过程的发生机制。本项目在执行过程中，共计发表SCI论文9篇，培养博士后1名，博士3名，硕士1名，达到了预期的研究目标。