表面等離子體共振對有機太陽能電池性能的影響

金蒙佳

表面等離子體共振對有機太陽能電池性能的影響

金蒙佳

（福州大學，福建 福州 350108）

貴金屬的表面等離子體共振效應能有效提升有機太陽能電池活性層的光吸收，對器件性能提升起到顯著的作用。因此，通過真空蒸發法蒸鍍銀納米薄膜，在一定溫度下退火制備銀納米顆粒，引入有機太陽能電池中觀察其引起的電池性能的變化。摻雜的銀納米顆粒作為等離子體散射中心，有效增大了入射光在活性層中的光程長度，提升了活性層的光吸收。在此基礎上，改變銀納米顆粒的摻雜量，改變其在器件中的摻雜密度，研究不同銀納米顆粒摻雜量對有機太陽能電池的不同影響，相較于未摻雜的器件，最優器件的功率轉換效率從2.13%提升至3.36%。

表面等離子體共振；光吸收；真空蒸發法；銀納米顆粒

近年來，有機太陽能電池因制造簡易、柔性輕薄便捷以及廣泛適用于大面積“卷對卷”工藝的優點而受到研究人員的關注。由于有機材料中激子的擴散距離相對較短、載流子遷移率低，活性層的厚度受到限制[1-2]。然而，有機太陽能電池的光吸收與活性層的厚度密切相關。在受限的超薄活性層中增強有效光吸收成為攻克有機太陽能電池效率瓶頸的一大目標，在有機太陽能電池中引入貴金屬納米結構，利用其獨特的表面等離子體共振效應提升器件的光吸收是有效的解決途徑之一。表面等離子體共振效應根據金屬納米結構的形狀、尺寸大小等可分為遠場散射效應、局域表面等離子體共振效應和等離子體極化激元等模式[3-4]。基于此背景，本文采用真空熱蒸發法蒸鍍銀納米薄膜，在一定溫度下退火制備銀納米顆粒，將其摻雜在陽極與空穴傳輸層的界面，研究銀納米顆粒的摻雜對有機太陽能電池光學性能、電學性能、薄膜形貌的影響。所制備得的電池功率轉換效率達到3.36%。

1 實驗

按順序分別使用丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗ITO玻璃襯底各15 min后烘干。使用真空蒸發鍍膜機（北京泰科諾科技有限公司ZHDS400高真空有機/金屬蒸發鍍膜機）在ITO玻璃襯底上分別蒸鍍0.05 mg、1 mg、2 mg和3 mg銀（高純實驗用銀絲Ag，99.99%），退火溫度為200 ℃，退火時間為20 min。使用真空蒸發鍍膜機蒸鍍15 nm厚的MoO3（購于Alfa Asear，99.95%），薄膜作為空穴傳輸層。使用P3HT（購于Rieke Metals，99%）和PCBM（購于Nano-c，99.5%）分別作為活性層的給體與受體材料，按1∶1比例混合溶于氯苯溶液中配制成40 g/L的活性層溶液，放置于熱臺上以40 ℃攪拌48 h，使得給體與受體混合均勻。使用移液槍吸取活性層溶液并滴加于MoO3薄膜上，旋涂形成P3HT:PCBM薄膜（旋涂參數為2 000 rpm，1 min），將旋涂后的薄膜干燥1 h備用。使用真空蒸發鍍膜機蒸鍍100 nm厚的Al作為電池的陰極，蒸鍍完畢在熱臺上于氬氣氛圍中進行150 ℃、15 min的快速熱退火處理。制備得的電池結構為ITO/Ag NPs/MoO3/P3HT:PCBM/Al。

使用雙束場發射掃描電子顯微鏡（Helios G4 CX）測試銀納米顆粒在ITO導電玻璃表面的形貌。使用紫外分光光度計（LAMBDA800 PE）測試銀納米顆粒摻雜的MoO3薄膜透射光譜以及ITO/Ag NPs/MoO3/P3HT:PCBM疊層薄膜的光相對吸收強度光譜。使用原子力顯微鏡（臺/5500原子力顯微鏡）檢測ITO/Ag NPs/MoO3疊層薄膜的形貌。使用太陽能電池（光電材料）IPCE/QE/量子效率/光譜響應測試系統（美國頤光科技有限公司）測試銀納米顆粒摻雜的有機太陽能電池的外量子效率（）譜圖。通過源表（Keithley 2400，USA）測量器件的電流密度-電壓（-）特性曲線。

2 結果與分析

不同量的銀在ITO導電玻璃上沉積退火形成銀納米顆粒的分布情況如圖1所示，圖1分別為0.05 mg、1 mg、2 mg和3 mg的銀蒸鍍后以200 ℃退火得到的銀納米顆粒的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。

顯然，生成的銀納米顆粒的尺寸相對均一且在ITO導電玻璃上的分布均勻。當蒸鍍0.05 mg銀時，生成的銀納米顆粒在ITO導電玻璃上的分布相對稀疏，隨著蒸鍍的銀的量增大，生成的銀納米顆粒尺寸也隨之增大，并且在ITO導電玻璃上的分布也越密集。

圖1 不同質量銀納米粒子蒸鍍掃描電子顯微鏡圖像

不同量銀納米顆粒摻雜的ITO/Ag NPs/MoO3疊層薄膜的光透射率及ITO/Ag NPs/MoO3/P3HT:PCBM疊層薄膜的光相對吸收強度光譜如圖2所示。

圖2 不同量銀納米顆粒摻雜的ITO/Ag NPs/MoO3疊層薄膜的光透射率及ITO/Ag NPs/MoO3/P3HT:PCBM疊層薄膜的光相對吸收強度光譜

圖2（a）顯示了用不同量的銀納米顆粒摻雜的ITO/Ag NPs/MoO3疊層薄膜的透光率，摻雜銀納米顆粒使得薄膜的透光率有所提升，但是隨著摻雜的銀納米顆粒的量的增加，透光率的增強逐漸減小。當摻雜3 mg的銀納米顆粒時，疊層薄膜的透光率顯著降低。當薄膜的透射率增加時，更多的入射光穿過疊層薄膜到達活性層被吸收，改善了器件的活性層的光吸收并改善了電池的性能。圖2（b）為不同量的銀納米顆粒摻雜的ITO/Ag NPs/MoO3/ P3HT:PCBM疊層薄膜的光吸收強度譜圖，銀納米顆粒摻雜顯著提升疊層薄膜的光吸收，并且光吸收增強的區域為400～550 nm，恰好覆蓋了P3HT:PCBM材料的吸收范圍。真空蒸鍍法退火制備的銀納米顆粒尺寸較大，更傾向于誘導遠場散射效應，由于摻雜0.05～2 mg銀納米顆粒的疊層薄膜的光透射率比未摻雜的薄膜的光透射率高，此外，遠場散射效應引起的光程長度的增長，這兩個因素使得活性層的光吸收得到明顯的提升，當3 mg銀納米顆粒摻雜時，疊層薄膜的光透射率相比于未摻雜的薄膜光透射率有顯著降低，但由于遠場散射效應，光程長度增加引起的光吸收降低抵消了光透射率降低帶來的光吸收的損耗，整體光吸收仍呈現出輕微的提升。

ITO/Ag NPs/MoO3疊層薄膜的AFM圖像如圖3所示。其中圖3（a）為未摻雜銀納米顆粒的MoO3薄膜的3D形貌圖，圖3（b）～圖3（e）分別是蒸鍍0.05 mg、1 mg、2 mg和3 mg銀退火再蒸鍍MoO3薄膜的3D形貌圖，相應的表面粗糙度均方根（）值匯總如表1所示。由于MoO3薄膜采用真空熱蒸發法制備，薄膜表面并不平整，其值為3.42 nm。銀納米顆粒摻雜使得值增大，說明銀納米顆粒的摻雜對MoO3薄膜表面的粗糙度產生一定的影響。摻雜0.05 mg的銀納米顆粒時，由于銀納米顆粒尺寸較小且分布稀疏，MoO3薄膜覆蓋在銀納米顆粒上時，對薄膜表面粗糙度的影響較小，值為3.57 nm。摻雜1 mg銀納米顆粒時，銀納米顆粒的尺寸增大，平均高度增大，對于MoO3薄膜的形態影響增大，值達到3.89 nm。當摻雜質量分別為2 mg和3 mg時，雖然銀納米顆粒的尺寸增大，但由于銀納米顆粒分布變得密集，MoO3表面變得平緩，分別降至3.53 nm和3.58 nm。

圖3 ITO/Ag NPs/MoO3疊層薄膜AFM圖像的3D形貌圖

表1 不同質量銀納米顆粒摻雜的疊層薄膜表面粗糙度均方根值

銀納米顆粒摻雜質量/mgRMS/nm 參考值3.42 0.053.57 13.89 23.53 33.58

圖4（a）顯示了不同量的銀納米顆粒摻雜有機太陽能電池的外量子效率（）譜圖，銀納米顆粒摻雜時，器件的明顯上升，增強范圍為350～630 nm。隨著銀納米顆粒摻雜質量的增大，逐漸降低，表明電池的短路電流密度也將逐漸減小，最優的摻雜器件的摻雜質量為0.05 mg。不同量的銀納米顆粒摻雜有機太陽能電池的-特性曲線如圖4（b）所示，其相關性能參數匯總如表2所示。未摻雜銀納米顆粒的電池的為2.13%，對應的SC為6.28 mA/cm2，為0.61 V 以及為55.69%。銀納米顆粒摻雜提升器件的SC，但隨著摻雜量的增大提升程度降低。此外，銀納米顆粒的摻雜使MoO3與P3HT:PCBM之間的接觸電阻增大，導致填充因子降低。因此，銀納米顆粒摻雜提升器件性能，摻雜量為0.05 mg時得到最佳為3.36%，對應的SC為9.64 mA/cm2，OC為 0.62 V，為56.48%。

圖4 不同質量銀納米顆粒摻雜有機太陽能電池的EQE圖

表2 不同質量銀納米顆粒摻雜的電池性能參數

器件類別VOC/VJSC/（mA/cm2）FF/（%）PCE/（%） 參考值0.616.2855.692.13 0.05 mg0.629.6456.483.36 1 mg0.608.4254.042.73 2 mg0.618.5451.422.67 3 mg0.607.3651.812.29

3 結束語

本文采用真空蒸發法蒸鍍銀并進行熱退火制備銀納米顆粒，探究其形貌、尺寸以及光學特性等相關性能。將制備的銀納米顆粒引入有機太陽能電池中，研究摻雜的銀納米顆粒對器件性能的影響，探究銀納米顆粒的摻雜對電池的光學性能、薄膜形貌等產生的影響，對于器件性能的提升及分析原因具有重要作用。結果表明，銀納米顆粒摻雜于有機太陽能電池中作為等離子體散射中心，可以有效增加入射光的光程長度，增加活性層的光吸收，進而提升器件的性能。

［1］XUE J. Perspectives on organic photovoltaics［J］. Polymer Reviews，2010，50（4）：411-419.

［2］NIELSEN T D，CRUICKSHANK C，FOGED S，et al. Business，market and intellectual property analysis of polymer solar cells［J］. Solar Energy Materials and Solar Cells，Elsevier，2010，94（10）：1553-1571.

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TM914.4

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.019

2095－6835（2020）08－0050－03

金蒙佳（1995—），女，福州大學物理與信息工程學院微納器件與太陽能電池研究所碩士研究生，研究方向為微電子材料與器件。

〔編輯：王霞〕