增强聚合物太阳电池光吸收的等离激元效应

增强聚合物太阳电池光吸收的等离激元效应

聚合物太陽电池中激子扩散长度与活性层光学厚度之间的矛盾是制约其光电转换效率提高的主要原因。能否解决载流子收集与光吸收之间的矛盾，是提高聚合物太阳电池能量转化效率的关键。利用金属纳米结构表面等离激元对光子的调制和近场增强效应可在不增加光活性层厚度的条件下提高光吸收能力，进而提高电池的光电转换效率。

标签：聚合物太阳电池；表面等离激元；吸收增强

聚合物太阳电池具有低成本、质量轻、可卷曲等优点，受到人们的广泛关注。实验室小面积聚合物太阳电池的能量转换效率已经提高到了7-10%1-5。有机半导体吸收光子产生的激子为库仑力作用下束缚的电子-空穴对。只有扩散到电子给/受体界面位置的激子才能在电场的作用下发生电荷分离。因此，能否解决载流子收集与光吸收之间的矛盾，是提高聚合物太阳电池能量转化效率的关键。利用金属纳米结构表面等离激元对光子的调制和近场增强效应，在不增加光活性层厚度的条件下提高光吸收能力。金属/介质表面等离激元，即由光子与金属表面的自由电子相互作用而产生的沿着金属表面传播的电子疏密波电磁模式。对于不连续的金属纳米颗粒结构，光子与金属纳米颗粒内部自由电子相互作用发生协同振荡，产生局域表面等离激元共振，使得该区域的电场被极大增强。利用这种强电场效应，可以显著提高许多光学过程的效率。

当入射光照射到电池沿着直线传播，导致活性层对光的吸收不充分。随着金属纳米结构的制备技术突飞猛进，微纳结构的表面等离激元效应在光电器件上的应用开发也与日剧增，研究主要集中在微纳米尺度的金属结构上。实验常用微纳结构的金、银等贵金属，因为这些金属纳米粒子与电磁波产生的等离子体共振频率正好落在可见光频段之内。

Kim等和Morfa等分别采用电化学沉积和真空蒸镀的方法在阳极与缓冲层之间引入Ag纳米颗粒，提升了聚合物太阳电池的短路电流和光电转换效率6-7。Berger将自组装形成的Ag纳米颗粒掺入到活性层和缓冲层之间，Ag粒子的表面等离激元共振效应增加了光生激子8。Yu等将Au和Ag的纳米颗粒混合掺入阳极缓冲层，混合的纳米粒子表现更高的光吸收增强作5。Jen等将阴、阳极的界面缓冲层同时掺入不同粒径的Au纳米粒子，可以进一步提高器件的光捕获能力9。也可以将活性层掺杂Au纳米颗粒与Ag纳米光栅集成在同一电池中，利用双重表面等离激元增强效应，使器件的光学和电学性能同时增强10。

具有介观光学结构的金属微纳结构阵列也可以用作电极，利用非局域表面等离子激元效应，通过表面等离激元的共振耦合增加光吸收。通过优化和设计金属表面微纳结构，使光波和表面等离子激元波发生强烈耦合，增加工作介质对入射太阳光的有效吸收长度。Yang等将一维结构的纳米银栅电极应用于反向结构太阳电池中11。Sum等在ITO表面制备了二维有序排列的三角形纳米银颗粒阵列，其产生的表面等离激元共振增强作用提高了器件的短路电流12。金属膜上的周

期性纳米孔和纳米狭缝阵列等周期性金属结构都具有透过增强的性质。

目前用于聚合物太阳中的表面等离激元效应的材料体系主要为纳米结构的贵金属Au和Ag的纳米颗粒或微纳结构阵列。需要对粒子的浓度、形状、尺寸大小及分散度进行严格的调控，从而尽量减小能量的损失。另一方面，纳米颗粒表面能较大容易发生聚集，降低电子空穴分离的效率，并且界面缺陷也会成为载流子复合的中心。如何解决这些问题，将是未来等离激元的研究重点。

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