中國(guó)粉體網(wǎng)訊 有機(jī)太陽能電池的低成本、無毒、可伸展和大面積生產(chǎn)等眾多優(yōu)點(diǎn)，使其成為解決能源危機(jī)的一種新的選擇。目前有機(jī)太陽能電池的效率還不能夠滿足商業(yè)化的需要，其主要原因是有機(jī)活性層中激子擴(kuò)散長(zhǎng)度僅有十幾納米。受限于激子擴(kuò)散長(zhǎng)度，有機(jī)活性層最優(yōu)的厚度通常在兩百納米左右，太陽光的能量不能完全被吸收導(dǎo)致較低的電池光電轉(zhuǎn)換效率。解決低效率問題的關(guān)鍵是提高活性層薄膜對(duì)太陽光能量的吸收。
金屬的等離子體效應(yīng)加強(qiáng)了光和物質(zhì)的相互作用，能夠?qū)⑷肷涔饩奂谔囟▉啿ㄩL(zhǎng)的區(qū)域同時(shí)將光強(qiáng)度增加為原來的十倍乃至幾百倍。這為增加太陽能電池中有機(jī)活性層吸收提供了可能性。
在過去十幾年中，學(xué)者們廣泛研究各種金屬顆粒的等離子共振在太陽能電池中光學(xué)吸收增加的作用。通常金屬材料的等離子體共振峰位的半波寬度較窄，活性層的吸收增加只能夠覆蓋到小部分可見光區(qū)域，因此對(duì)電池效率的增加效果并不理想。為了實(shí)現(xiàn)電池中活性層寬頻譜的光學(xué)吸收增加，研究人員通過摻入多種金屬顆粒或者同時(shí)在傳輸層和活性層中摻入金屬顆粒的途徑獲得活性層寬帶的吸收增加，但是實(shí)驗(yàn)方面比較繁瑣。故而在等離子體太陽能電池中研發(fā)一種簡(jiǎn)單，可行以及易操作的方法取得較寬頻譜等離子共振是急待解決課題。
該研究中，幾何尺寸設(shè)計(jì)的納米金星顆粒（Au NSs）被摻雜到空穴傳輸層（PEDOT:PSS）和有機(jī)活性層（PBDT-TS1:PC71BM）界面處，激勵(lì)出了等離子體非對(duì)稱模諧振式。該模式同時(shí)對(duì)有機(jī)太陽能電池的光學(xué)和電學(xué)性能具有明顯的提升，從而顯著地增加了太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
香港大學(xué)電子電機(jī)工程系蔡植豪（W.C.H. Choy）教授課題組和中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所侯建輝研究員課題組利用納米金星顆粒的等離子體非對(duì)稱模式同時(shí)實(shí)現(xiàn)有機(jī)太陽能電池光學(xué)和電學(xué)兩方面性能的提高，取得10.5%的光電轉(zhuǎn)換效率。
在光學(xué)方面，由于納米金顆粒在幾何結(jié)構(gòu)上是同時(shí)介于空穴傳輸層（PEDOT: PSS）和有機(jī)活性層（PBDT-TS1:PC71BM）之間，這種非對(duì)稱的電磁環(huán)境（即介電常數(shù)）確保了在電池中可以成功激勵(lì)出等離子體非對(duì)稱模式。通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，該等離子體非對(duì)稱模式在可見光區(qū)域內(nèi)是一個(gè)寬頻譜響應(yīng)的共振，能夠在較寬波長(zhǎng)內(nèi)增加有機(jī)活性層的吸收。研究進(jìn)一步探討了活性層吸收增加的機(jī)理，激勵(lì)出的等離子體非對(duì)稱模式將原本在電子傳輸層中損耗的能量轉(zhuǎn)移到了有機(jī)活性層中，從而增加了激子的生成率即光電流。故能量轉(zhuǎn)移是非對(duì)稱模式增加有機(jī)活性層吸收的根本原因。
在電學(xué)方面，由于有機(jī)活性層中空穴的遷移率（1.18×10-3 cm2 v-1 s-1）比電子遷移率（6.56×10–2 cm2 v-1 s-1）小一個(gè)量級(jí)，故電極對(duì)電子和空穴的抽取不平衡容易形成空間電荷堆積。在摻雜納米金顆粒之后，其等離子體非對(duì)稱模式將激子的生成區(qū)域從有機(jī)活性層中部轉(zhuǎn)移到空穴傳輸層附近。最終空穴到陽極的傳輸路徑變短，電子到負(fù)極的傳輸路徑變長(zhǎng)，從而獲得更加的平衡的電子和空穴的抽取，避免了空間電荷堆積的形成，改善了電池的電學(xué)性質(zhì)。此外，通過阻抗譜的分析，納米金顆粒同時(shí)具有減少空穴在傳輸層中的阻抗的作用。
綜合納米金顆粒的等離子體非對(duì)稱模式在電池光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)上的增強(qiáng)作用，有機(jī)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率最終可以達(dá)到10.5%。
