多重表面等离子体共振用于增强有机太阳能电池性能
【日本新泻大学Akira Baba 教授课题组】

     

      有机太阳能电池(OSC)作为一种可供选择的清洁能源,具有广阔的应用前景。由于OSC的光电转换效率较好,且具有一些独特优势,如低密度、较低的制造成本、良好的机械灵活性等,因此备受研究人员的关注。如何最大限度地提高光吸收的同时,使活性层厚度最小化是进一步提高OSC器件效率所需要解决的最重要的问题。局域等离子体和传导的光栅耦合表面等离子体的协同效应可以改善OSC的光捕获和光捕获调控能力,是新一代等离子体光伏电池的研究热点。

      新泻大学的Akira Baba教授课题组设计并实现了一种基于一维压印光栅结构的有机太阳能电池,该电池在有机薄膜的活性层上压印光栅结构铝电极,同时整合了一系列的银纳米盘,借助光栅结构的铝和金属纳米结构之间的多重表面等离子体效应提升光捕获效率。协同多重等离子体效应具有光吸收增强范围广、激子产生率和离解效率高、载流子密度和寿命延长等优点。


OSC的模拟结构示意图和电场强度图:
整合了银纳米球(直径为6 nm)和银纳米盘(直径30、40、50、70 nm,厚度15 nm)的PEDOT:PSS层,光照波长为700 nm

      研究人员采用时域有限差分法(FDTD)模拟研究了银纳米盘系列和金属光栅表面的电场分布,证实了等离子体的多重效应。该多重表面等离子体共振效应成功地提高了OSC的性能。为了检验将等离子体纳米结构引入太阳能电池器件的效果,他们使用光栅结构压印活性层,使空穴传输层与金属纳米圆盘结合,并优化了活性层膜厚度、纳米盘的占比和种类等参数。在活性层上压印光栅结构的铝电极,或在空穴传输层中加入银纳米盘,通过诱导局部场增强,提高了光捕获效率和器件性能。该器件表现出较好的吸收性能以及较好的光捕获和光散射性能。铝光栅/活性层/空穴传输层-银纳米盘-70/ITO电极结构的能量转换效率最大提高了20.47%。

       此外,将光栅结构与金属纳米粒子相结合,协同增强等离子体效应,将为其他增强光伏技术的发展提供参考。

研究团队简介

Akira Baba 教授课题组的领域包括表面灵敏技术、有机薄膜/生物分子的纳米制造与分析,及其光电方面的应用。近年来,该团队研究了基于光栅耦合表面等离子体的多重等离子体结构在电场增强有机器件(如生物传感器和光电转换器件)中的应用。他们专注于利用不同类型纳米结构的等离子体特性以提高薄膜OSC和透射式表面等离子体传感器的效率。此外,他们还通过同时激发传导的表面等离子体和局域表面等离子体以改进器件性能。

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Putnin T, Lertvachirapaiboon C, Ishikawa R, Shinbo K, Kato K et al. Enhanced organic solar cell performance: Multiple surface plas-mon resonance and incorporation of silver nanodisks into a grating-structure electrode. Opto-Electron Adv 2, 190010 (2019).

DOI:10.29026/oea.2019.190010