金屬納米核殼光柵改善超薄有機光伏器件光吸收性能的研究.pdf

1、有機光伏器件(Organic photovoltaic devices，簡稱OPVs)由于其材料來源廣泛，成本低廉，制作容易，可制備成半透明、柔性器件，并可大面積生產等優(yōu)點而成為非常有發(fā)展前景的可再生能源技術。然而，目前其能量轉換效率(PCE)遠遠低于單晶硅太陽能電池。為有效提高OPVs中活性層的光吸收效率進而提高其PCE，周期性的金屬納米光柵結構已經被廣泛采用。然而常見的一維金屬納米光柵結構對入射光的偏振具有很強的依賴性，同時其光捕獲

2、能力也極大地依賴于光入射角。這種偏振敏感、入射角依賴的OPVs不利于其實際應用。基于此，本文設計了一類具有核殼結構的一維金屬納米光柵作為傳統(tǒng)正置OPVs的背反射陰極或頂陽極，同時將有機功能層也圖案化為周期性結構，理論上研究了金屬納米核殼光柵結構對OPVs光吸收性能的影響。此外，本文還將所設計的一維金屬納米核殼光柵結構引入到倒置透明OPVs中，理論上研究了金屬納米核殼光柵對活性層的光吸收性能、器件的透光性能的影響。本論文的主要研究結果如下

3、:
　　1、一維金屬Ag納米光柵改善P3HT∶PCBM體系光伏器件光吸收性能的研究。此器件結構的特點是除將背反射陰極Ag層修飾為一維納米光柵結構外，還將活性層和載流子傳輸層也設計成周期性凹凸圖案。研究表明:光柵幾何參數主要影響器件中共振模式的產生、階次及強弱，其中光柵周期對共振模式有著直接的調控作用。優(yōu)化的光柵結構參數為P=400 nm,W=75nm及H=70nm。與等效平直器件相比，優(yōu)化器件在TE，TM及混合偏振模式下活性層的總

4、吸收效率分別提高了11.3％，15.4％和13.3％，實現了寬譜及偏振不敏感的光吸收性能的提高。對相關電磁場分布的研究表明，光吸收增強歸因于此獨特的器件結構激發(fā)的光子/光子、表面等離子/光子耦合模式的復合共振。此外，該優(yōu)化器件還實現了廣角高吸收特性。
　　2、MoO3/Ag/MoO3(MAM)納米核殼光柵結構提高CuPc/C60體系光伏器件光吸收性能的研究。此器件結構的特點是引入圖案化的MAM核殼光柵作為器件的頂陽極，同時將活性層

5、也圖案化為周期性結構。研究得出:MAM納米核殼光柵結構的幾何參數對光子模式、表面等離子激元的共振激發(fā)及模式間的耦合共振有著明顯的影響，在光柵結構參數為p=180nm，FF=0.25及h'=43 nm的條件下活性層的光吸收達到最優(yōu)。與等效平直器件相比，優(yōu)化器件在TM，TE及混合偏振模式下活性層的總吸收效率分別提高178.88％，19.44％和99.16％(考慮太陽光譜的權重)。對相關電磁場分布的研究表明，這主要歸因于MAM納米核殼光柵結構

6、的引入激發(fā)了SPR，Bloch模式及強烈的耦合共振效應。此外，該結構也實現了寬譜及廣角高吸收特性。
　　3、MoO3/Ag/MoO3(MAM)納米核殼光柵結構對倒置透明電池器件光吸收及光透射性能的影響。此器件結構的特點是引入MAM納米核殼光柵作透明陽極，同時應用ZnO/ITO作透明陰極，并將活性層也圖案化為周期性凹凸結構。研究表明:MAM納米核殼光柵周期直接調控共振模式，光柵高度對共振模式的階次有明顯的影響，器件在光柵結構參數為p

7、=240 nm，w=55nm及h'=90nm下活性層光吸收達到最強。與等效平直器件相比，當光從器件陽極入射時，優(yōu)化器件在TM，TE及混合偏振模式下活性層的總吸收效率提高了25.27％，11.79％及18.53％(考慮太陽光譜的權重)實現了寬譜、偏振弱敏感的吸收特性。對相關電磁場分布的研究表明，光吸收增強歸因于光柵結構激發(fā)了SPR，等離子波導模式及Bloch模式。此外，該結構還實現了廣角高吸收特性。當光從器件陰極入射時，優(yōu)化器件亦可實現寬