增強聚合物太陽電池光吸收的等離激元效應

摘 要：聚合物太陽電池中激子擴散長度與活性層光學厚度之間的矛盾是制約其光電轉換效率提高的主要原因。能否解決載流子收集與光吸收之間的矛盾，是提高聚合物太陽電池能量轉化效率的關鍵。利用金屬納米結構表面等離激元對光子的調制和近場增強效應可在不增加光活性層厚度的條件下提高光吸收能力，進而提高電池的光電轉換效率。

關鍵詞：聚合物太陽電池；表面等離激元；吸收增強

聚合物太陽電池具有低成本、質量輕、可卷曲等優點，受到人們的廣泛關注。實驗室小面積聚合物太陽電池的能量轉換效率已經提高到了7-10%1-5。有機半導體吸收光子產生的激子為庫侖力作用下束縛的電子-空穴對。只有擴散到電子給/受體界面位置的激子才能在電場的作用下發生電荷分離。因此，能否解決載流子收集與光吸收之間的矛盾，是提高聚合物太陽電池能量轉化效率的關鍵。利用金屬納米結構表面等離激元對光子的調制和近場增強效應，在不增加光活性層厚度的條件下提高光吸收能力。金屬/介質表面等離激元，即由光子與金屬表面的自由電子相互作用而產生的沿著金屬表面傳播的電子疏密波電磁模式。對于不連續的金屬納米顆粒結構，光子與金屬納米顆粒內部自由電子相互作用發生協同振蕩，產生局域表面等離激元共振，使得該區域的電場被極大增強。利用這種強電場效應，可以顯著提高許多光學過程的效率。

當入射光照射到電池沿著直線傳播，導致活性層對光的吸收不充分。隨著金屬納米結構的制備技術突飛猛進，微納結構的表面等離激元效應在光電器件上的應用開發也與日劇增，研究主要集中在微納米尺度的金屬結構上。實驗常用微納結構的金、銀等貴金屬，因為這些金屬納米粒子與電磁波產生的等離子體共振頻率正好落在可見光頻段之內。

Kim等和Morfa等分別采用電化學沉積和真空蒸鍍的方法在陽極與緩沖層之間引入Ag納米顆粒，提升了聚合物太陽電池的短路電流和光電轉換效率6-7。Berger將自組裝形成的Ag納米顆粒摻入到活性層和緩沖層之間，Ag粒子的表面等離激元共振效應增加了光生激子8。Yu等將Au和Ag的納米顆?；旌蠐饺腙枠O緩沖層，混合的納米粒子表現更高的光吸收增強作5。Jen等將陰、陽極的界面緩沖層同時摻入不同粒徑的Au納米粒子，可以進一步提高器件的光捕獲能力9。也可以將活性層摻雜Au納米顆粒與Ag納米光柵集成在同一電池中，利用雙重表面等離激元增強效應，使器件的光學和電學性能同時增強10。

具有介觀光學結構的金屬微納結構陣列也可以用作電極，利用非局域表面等離子激元效應，通過表面等離激元的共振耦合增加光吸收。通過優化和設計金屬表面微納結構，使光波和表面等離子激元波發生強烈耦合，增加工作介質對入射太陽光的有效吸收長度。Yang等將一維結構的納米銀柵電極應用于反向結構太陽電池中11。Sum等在ITO表面制備了二維有序排列的三角形納米銀顆粒陣列，其產生的表面等離激元共振增強作用提高了器件的短路電流12。金屬膜上的周期性納米孔和納米狹縫陣列等周期性金屬結構都具有透過增強的性質。

目前用于聚合物太陽中的表面等離激元效應的材料體系主要為納米結構的貴金屬Au和Ag的納米顆粒或微納結構陣列。需要對粒子的濃度、形狀、尺寸大小及分散度進行嚴格的調控，從而盡量減小能量的損失。另一方面，納米顆粒表面能較大容易發生聚集，降低電子空穴分離的效率，并且界面缺陷也會成為載流子復合的中心。如何解決這些問題，將是未來等離激元的研究重點。

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