金纳米复合共振基元增强有机光伏器件的宽谱光吸收效率

Organic photovoltaic cells are of great significance on large-scale use of solar energy and supply of cheap electricity. Currently, its industrialization development is hindered due to the low energy conversion efficiency limited by the contradictions between exciton separation efficiency and optical absorption efficiency. The use of light trapping mechanisms, like metallic nanostructures, can effectively resolve this contradiction. Such method can greatly improve the light absorption efficiency in the active layer without changing the thickness of the active layers and it has become an important technology in the field of solar energy in recent years. ..Most of previous works adopted metallic nanostructures of single size or single morphology which caused surface plasmons resonating at single frequency and thus the enhancement of light absorption in the active layer was relatively weak. This could cause some waste of the incident solar energy because the solar spectrum is of broadband. This project proposes to introduce compound gold nano-resonators into the organic photovoltaic cells, to research on the physical properties of surface plasmons generated by the compound gold nano-resonators and the coupling and interaction effect between the broadband surface plasmons and the photoactive layer, and to achieve substantial increase of the absorption efficiency over broadband sunlight in the photoactive layer, and finally to improve the overall energy conversion efficiency of organic photovoltaic devices. This project provides the basis and help for the development of highly efficient organic photovoltaic devices.

有机光伏电池对大规模利用太阳能并提供廉价电能具有重要意义。目前，有机光伏产业化由于其能量转换效率较低而受到限制，原因在于激子分离效率与光吸收效率之间存在矛盾。使用金属纳米结构等光捕获机制可以有效解决这一矛盾。在活性层厚度不改变的情况下，该方法可大幅度提高光在活性层内的吸收率，这已经成为近年来太阳能领域的一项重要技术。.迄今为止，已发表的相关研究均基于单一尺寸的金属纳米结构，所激发的表面等离子激元共振峰单一，只能在较窄频段内改善活性层的光吸收效果。这无法满足对宽谱太阳光的捕获需求，浪费了大量的入射能量。本项目提出在有机光伏器件中引入金纳米复合共振基元，开展金纳米复合共振基元中表面等离子激元的物理特性及其与光活性层相互作用的物理机制研究，实现OPVs活性层对宽谱太阳光吸收效率的大幅度提高，进而从整体上改善OPVs器件的能量转换效率。本项目为开发高效有机光伏器件提供基础和帮助。

有机光伏电池对大规模利用太阳能并提供廉价电能具有重要意义。有机光伏能量转换效率较低，原因在于载流子迁移效率与光吸收效率之间存在矛盾。使用金属纳米结构等光捕获机制可以有效解决这一矛盾。在活性层厚度不改变的情况下，该方法可大幅度提高光在活性层内的吸收率，这已经成为近年来太阳能领域的一项重要技术。.基于单一尺寸的金属纳米结构，所激发的表面等离激元共振峰单一，只能在较窄频段内改善活性层的光吸收效果，无法满足对宽谱太阳光的捕获需求，浪费了大量的入射能量。本项目研究的主要内容为在有机光伏器件中引入金属纳米复合共振基元，开展金属纳米复合共振基元中表面等离子激元的物理特性及其与光活性层相互作用的物理机制研究，实现OPVs活性层对宽谱太阳光吸收效率的大幅度提高，进而从整体上改善OPVs器件的能量转换效率。.截止目前，我们在此方面已经发表了近10篇学术论文。具体地，我们将金纳米棒、银纳米球、银纳米三角、银纳米立方以单一或复合的方式掺入到OPV中，从光电性能、光谱性能、电子性能、微观形貌等多个方面对其性能进行了具体的研究，得出结论宽谱表面等离激元的激发的确有利于活性层光吸收的提高，进而大幅度提高了激子的产生率。研究还表明，这些金属纳米颗粒的引入会影响载流子的传输性能，从而对外量子效率的提高起到进一步的增强作用。另外，我们还从理论研究的角度出发，探究了不同类型的纳米结构引入OPV中对活性层光吸收的影响，通过系统的场分布性能分析，得出结论表面等离激元共振模式、腔模式、布洛赫模式等光学模式的杂化是活性层在宽谱范围内获得吸收增强的原因所在。实验上，我们通过自组装与纳米压印的方法实现了OPV功能层的微观图案化，提高了电池效率。以此项目为依托，我们还将表面等离激元共振模式用于设计宽谱光吸收体，并以基于金属纳米结构的光吸收体为主题撰写了一篇综述论文，发表在Laser&Photonics Review期刊上，选为封面论文，且为ESI高引论文。.本项目为开发高效有机光伏器件提供基础和帮助。

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