有机太阳能电池能量转化效率的提高思路

第３１卷，第５期２０Ｉ１年５月

光谱学与光谱分析

ＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙａｎｄＳｐｅｃｔｒａｌＡｎａｌｙｓｉｓ

Ｖ０１．３１，Ｎｏ．５。ｐｐｌｌ６１・１１６７

Ｍａｙ，２０１１

有机太阳能电池能量转化效率的提高思路

木丽萍１’２，袁

丹２，环

敏１，陈志坚弘，肖立新２，曲波２，龚旗煌２。

１．大理学院，云南大理６７１００３

２．北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室，北京１００８７１

摘要能源问题是目前最为关注的焦点之一，随着社会的进步和丁业的发展，地球上已探明可使用的化学燃料能源，包括石油、天然气和煤等．Ｆｊ趋枯竭。太阳能的利用已引起各国的重视。光伏器件是太阳能利用的最为莺要的手段之一，有机太阳电池在此类器件中将承担极其重要的角色。但低的光电转换效率是阻碍其产业化的瓶颈。为此简要综述了提高有机太阳能电池能量转化效率的两个思路，并指出ｒ有待解决的问题。

关键词有机太阳电池；能最转换效率；光吸收；表面等离子激元中图分类号：ＴＮ８７３．３

文献标识码：Ａ

ＤＯＩ：１０．３９６４／ｊ．ｉｓｓｎ．ｉ０００－０５９３（２０１１｝０５—１１６１－０７

提出了自己的能源计划，国家国务院新闻办２００７年１２月２６

引言

能源问题是目前最为关注的焦点之一，随着社会的进步

日发表１ｒ《中国的能源状况与政策》白皮书，将可再牛能源开发利用的科学技术研究和产业化发展列为科技发展与高技术产业发展的优先领域。提出到２０１０年使叮再生能源消费鼋达到能源消费总量的１０％，到２０２０年达到１５％的发展目标。

光伏器件（太阳能电池）是太阳能利用的最为莺要的手段之一，它是基于半导体的光伏（ｐｈｏｔｏｖｏｈａｇｅ）效应实现将光能直接转化成电能的器件。自１９５４年美陶贝尔实验窄首次成功研制单晶硅太阳能电池，它的研究和开发得到ｒ长足发展。特别是近几年，太阳能电池的研究已进入了第三代。第一代是单品和多晶硅光伏电池，现在仍是太阳能电池产业的主流，市场占有率约９４％。为ｒ降低晶体硅的昂贵的材料成本，使用比较廉价的非晶硅、铜铟硒和碲化镉等薄膜材料为工作介质的第二代太阳能电池逐渐发展起来。市场占有率约５．６％［ｓ“］。目前太阳能电池的发电成本还比较高，其主要成本为材料和制备费。就我国技术水平，其光电转化成本预测为约５元／度，比煤电成本高十余倍。为ｒ真正实现具有可竞争的成本／效率比值，需要对已有的技术有所突破，这促使第三代太阳能电池概念的诞生【７Ｊ。根据不同的理念，第三代太阳能电池町分为两类；第一类是研制具有极高能昔转化效率的电池。第二类是在转化效率到达适中～１５％～２０％的情况下，尽量压低成本，发展廉价的材料，包括功能组分和封装，实现常温常压大批量生产。有机太阳能电池（Ｏｒｇａｎｉｃ

和工业的发展，地球上已探明可使用的化学燃料能源，包括石油、天然气和煤等，日趋枯竭。据报道地球．ｔ探明的石油储量仅可持续使用约４５年，天然气约６１年，煤约２１６年。而我国能源更为紧缺，石油、天然气人均资源量仅为世界平均水平的１／１５左右，煤炭相当于世界平均水平的１／２［１｜。同时，在化学燃料能源的消耗过程中，排放大量温室气体和有毒气体，人类的生存环境遭到破坏性的污染。最近在华盛顿召开的一次学术会议上诺贝尔奖得主Ｓｍａｌｌｅｙ列出今后５０年中人类面临最大的１０个问题，能源和环境均在其列，并且能源居于榜首［２］。要保障国民经济的持续发展，能源问题急待解决。占地球总能量９９％以上的太阳能，取之不尽，用之不竭，而且洁净无污，日益成为绿色能源的首选ｃ３“］。地球每年接受来自太阳的能量为～３×１０２４焦耳／年，是全球年总能耗的上万倍。换言之，使用能量转化效率为１０％的太阳能电池板覆盖伞球面积的０．１％所提供的能龟足可满足目前世界需求［２］。太阳能的利用已引起各国的重视。２００６年６月美国提出的“阳光美国计划”。欧盟委员会于２００７年１１月２２日通过了欧盟能源技术战略计划，推广包括风能、太阳能和生物能在内的“低碳能源”技术。日本在光伏技术领域，近年来一直是世界的先驱与模范，其光伏产业远超欧美。我国也

收稿日期：２０１０－０５－１０。修订日期：２０１０－０８・２０

基金项目：国家自然科学基金项目（１０６７４０１１．６０６７７００２．１０９３４００１）和国家重点基础研究发展计划项目（２００７ＣＢ３０７０００，２００９ＣＢ９３０５０４）资

助

作者简介：木丽萍。女，１９６３年生，云南大理学院副教授

＊通讯联系人

ｅ－ｍａｉｌ：ｚｊｃｈｅｎ＠ｐｋＩＩ．ｅｄｕ．ｃｒｌ；ｑｈｇｏｎｇ＠ｐｋｕ．ｅｄｕ∞

１１６２

光谱学与光谱分析

第３１卷

ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｄｅｖｉｃｅｓ，ＯＰＶｓ）在此类器件中将承担极其重要的角色。

ＯＰＶｓ（包括有机小分子和聚合物材料）相对于无机太阳能电池具有很多的优点：有机材料廉价，容易合成，可根据需要对分子进行化学修饰。有机材料具有高的光吸收系数，可制备超薄（～１００ｎｍ）太阳能电池。有机材料容易实现常温常压大面积成膜，比如旋涂、丝网印刷、喷墨打印、电化学成膜和自组装成膜等技术。町制备大面积柔性器件，以上优点已成为当今叮再生能源中最有前途的一种［８］，这些无叮比拟的优点引起人们对它研究的浓厚兴趣。

１

有机太阳电池的工作原理和结构

ＯＰＶｓ急待解决的最大Ｍ题之一：如何在不大最增加成

本的情况下，提高能瞳转化效率。ＯＰＶｓ的转化效率ＪＦ比于：

’？ｐ

０：２舢孕昂孕，弘为光子吸收率，孕为激子产牛率，璃为激子分离形成自由电荷载流子率，琅为自由电荷收集率。璃ｈ和协足限制转化效率的主要矛盾因素；在有机半导体中，光激发形成激子，即在库仑力作用下束缚在一起的电子一空穴对。激子的结合能约为０．２～１．０ｅＶｔ…，因此激子不会自动解离形成一｝｜Ｉ移动的电子和空穴，只有在足够强的电场作用下，激子才能分离形成自由电荷载流子。在电子给体和受体的界面处。势能的骤变产牛强Ｊ廿ｊ域电场（Ｅ＝一ｇｒａｄ（Ｕ））Ｈｏｌ。所以只有传输到界面处的激子才能分离。在有机半导体材料中，电荷载流子与激子的传输能力取决于相邻分子的外轨道的霞叠程度，相对于无机半导体中原子轨道的重叠，这种耦合１｝常微弱，所以有机半导体材料的电荷载流子的迁移率比无机半导体低几个贳级。研究发现激子在有机材料中的扩散长度仅有５～１０ｎｍ［１１’１引。激子分离率随有机层厚度呈指数骤减。这要求ＯＰＶｓ的有机工作层的厚度小于或等于激子扩散长度，以保证激子的有效分离。同时，为了保证对太阳光的充分吸收，义要求有机上作层厚大于或等于ｌ／ａ～１００ｌ＇ｆｒＥｔ

或（口为有机工作材料的吸收系数）。这一对矛盾限制了

ＯＰＶｓ的能最转化效率。

如何解决这一对矛盾，提高ＯＰＶｓ的能量转化效率？最早ｆｆ：现的单纯由一种纯有机化合物夹在两电极之间制成的单质结器件，由于激子的扩散长度远远小于光吸收的厚

度，使得产生的激子容易复合，闪此光电转换效率很低（≤

１％）。后来将Ｐ型半导体材料（电子给体Ｄｏｎｏｒ）和ｎ璎半导体材料（电子受体Ａｅｅｅｐｔｏｒ）复合，即ｐ－ｎ异质结璎太阳能电池【ｌ３。”Ｊ，发现不同电子亲合力的两种材料的界面电子空穴对

的解离非常有效．Ｔａｎｇ【１８］在１９８６年首次报道了结构为

ＩＴＯ／ＣｕＰｃ／ＰＶｆ芘衍乍物）／ｈｇ的双层有机太ＲＩ电池就是单异质结。其转换效率接近１％，填允因子ＦＦ达到０．６５。然而，在双层结构中双层膜所能提供的界面面积非常自．限。产生的光生载流子也有限，载流子需要在两层中传输一段距离才能到达电极进行收集，即便膜的有效厚度仅为２０ｎｍ左右，仍有大螭离界面较远的光生激子还没扩散到界面就发生了复合，且自．机半导体的电阻ｉ又较大，电荷的收集率很难到达１００％，从ｌｆｌｉ限制了光电效率的提高。一种新的互穿网络

（ｉｎｔｅｒｐｅｎｔｒａｔｉｎｇｎｅｔｗｏｒｋ）结构——将电子给体材料与电子受

体材料允分混合，复合体中给体与受体的接触面积最大化。给、受体之间形成ｒ异质结界呵．使得绝大多数激子能在界面附近形成，使ｊ乓在复合前町以纠达界面进行电荷分离，光伏效率进一步提高。这种异质结称为体相片质结（ｂｕｌｋ—ｈｅｔ—ｅｒｏｉｕｎｃｔｉｏｎ）。Ｙｕ等利用ＭＥＨ—ＰＰＶ与Ｃ。混合，制备体异质结光伏器件，电荷收集率为２９％，能馈转换效率达到了２．９％【ｌ９｜。接着。人们制备ｒ各种材料体系的体棚异质结结构电池，研究发现。此结构的光敏层的形貌对电池件能起着关键作用，人们便通过改变各种１＝艺条件来优化光敏层的形貌。

以聚噻酚衍牛物为电子给体和以Ｃｆ；。衍牛物为电子受体的体栩异质结ＯＰＶｓ足Ｈ前报道的转化效率最高的单单元结

构体系，通过优化处理，如退火，Ｊ￡能最转化效率仅可达４％～５％［ｚｏ－ｚｚｊ。即便是叠啦元结构。比如２００７年Ｈｅｅｇｅｒ研

究组在Ｓｃｉｅｎｃｅ卜报道ｒ聚苯二噻酚一苯并嚷蓖氮（ｐｏｌｙ［２，

６一（４，４一ｂｉｓ一（２一ｅｔｈｙｌｈｅｘｙｌ）一４Ｈ—ｃｙｃｌｏｐｅｎｔａ［２，ｌ—ｂ；４３，４－ｂ’］ｄｉ—ｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）一ａｌ卜４。７－（２，１，３－ｂｅｎｚｏｔｈｉａｄｉａｚｏｌｅ）］）：碳６０衍生物（Ｅ６，６－１一ｐｈｅｎｙｌ－Ｃ６ｌｂｕｔｙｒｉｃａｃｉｄ

ｍｅｔｈｙｌ

ｅｓｔｅｒ）和聚嚷酚（ＩＸ）－

Ｉｙ（ｓ－ｈｃｘｙｌｔｈｉｏｐｈｃｎｅ））：碳７０衍牛物（［６，６－１一ｐｈｅｎｙｌ－Ｃ．１ｂｕ—

ｔｙｒｉｃ

ａｃｉｄｍｅｔｈｙｌｅｓｔｅｒ）的褥单元太阳能电池，Ｊ￡效率也仅为

６．７％ｆ２引，距进入实用阶段的ｌＯ％【２扎还存在较大差距，并且器件结构复杂。

２提高有机太阳能电池能最转化效率的两个思路

阳光的吸收能力和电荷载流子的迁移率滔嚣］

改善有机材料的吸收光子的波长范闱。太阿Ｉ光波长范周约为３５０

ｌ５００

ｎｌｎ，波长大于７００ｎｍ的光子能毓还有很

多。所以聚合物能带间隙应该在１．８ｅＶ以下，才能有效地捕获太阳能。因此，合成窄能隙聚合物足提高太阳能电池的能鼍转化效率的一个有效途径。

人们通过增加分子的ｊ￡轭长度．以及引入各种推、掩电子基团来调整材料的能级结构，合成窄能隙聚合物．提高光敏层对太阳光的吸收。Ｃｏｍｐｏｓｅ等ｆ２＂合成的聚合物聚［５，７一二（３一辛基一２一嚷吩）－３，４－嚷吩并二嗪］（ＰＢ３（）ＴＰ）（Ｓｃｈｅｍｅｌ），ｅＶ，与ＰＣＢＭ混合的复合膜在太阳光３００

～９００ｎｌ＇ｎ波长范嗣吸收很强。在６００ｒｉｍ处有最大吸收。Ｓｕｎ

等Ｌ３阳以噻吩为主要构筑单元，合成的系列ｘ形寡聚物

（Ｓｃｈｅｍｅ２）。研究发现该聚物与ＣＢＭ混合物的紫外吸收随

着寡聚物中噻吩段长度的增大发牛红移并变宽。

但有机材料带隙缩小的程度往往小于ＨＯＭＯ能级提高

的幅度．导致ｒ更低的开路电睬ｋ。如ｆ：例【２７］中Ｋ仪为

Ｖ。窄化聚合物能隙的过程很大程度上也是Ｉｎｊ步降低聚

率聚合物太ｌ；ＩＩ能电池都是在能隙相对比较宽的聚合物上得到的。

２．１通过功能分子的化学修饰或物理掺杂，改善材料对太

膜的能隙为１．４５０．３５

合物ＬＵＭＯ和ＨＯＭＯ能级的过程，因此Ｈ前高能墩转化效

第５期

光谱学与光谱分析

１１６３

Ｄ

Ｓｃｈｅｍｅｌ

Ｄ

，

单纯提高光敏层对太阳光的吸收，电池能鼍转化效率的提高并不显著。Ｃｏｌｌａｄｅｔ等【３Ｉｊ所合成的系列噻吩对苯乙烯撑类聚合物（Ｓｃｈｅｍｅ３），乙烯键的引入降低了聚合物的能隙（在１．５５～２．３０ｅＶ之间），噻吩和双键上不同取代基的推拉电子作用，使聚合物的吸收波段和能级町在较大范围内调节。但与ＰＣＢＭ混合制备的本体异质结电池的能量转化效率不很高。研究发现，该类聚合物的载流子迁移率对电池性能

的影响更加显著。而载流子的迁移和物质分子量、化学结构、链长以及侧链的体积有关【３２｜。Ｚｈａｎｇ等【３３Ｊ合成的基于芴和噻吩片段的窄能隙聚合物（Ｓｃｈｅｍｅ４），数均分子量为

４０５．０

０００，有合适的ＬＵＭ０和ＨｏＭ０能级（分别足一３．４和一ｅＶ），吸收波长拓展到了近红外Ⅸ域，还有较高的载流子

Ｖ，

迁移率，由其制备的本体异质结电池，开路电压为０．５９能量转化效率为２．２％，有很好的综合性能。

３

１１６４光谱学与光谱分析第３１卷

共轭聚合物与Ｃ∞或Ｃ鼬衍生物掺杂的太阳能电池是最为普遍和效率最高的电池类型，尽管取得了一定进展，但掺杂过程中，共轭聚合物与Ｃ∞或Ｃ。衍生物的兼容性一汽是个难题，会｝ｌ｛现相分离及Ｃ∞或Ｃｓｏ衍牛物的团簇现象，减少给／受体的有效接触面积，载流子传输通道町能存在不连续等陷阱，影响电荷的传输，降低光电转换效率。两极聚合物

（ｄｏｕｂｌｅｃａｂｌｅｐｏｌｙｍｅｒ）足采用受电子物质和给电子物质通过

共价键连在同一分子上，电池的微态可控制，能形成微米或纳米级均匀分布的各自连续两相，使电子和窄穴传输得到兼容ｍ］。Ｒａｍｏｓ等［３５］把Ｃ柏挂接在末端含乙炔基的寡聚对苯撑乙烯卜然后再聚合，用此材料制备的电池器件填充因子０．２９，开路电雎０．８３Ｖ，短路电流密度０．４２ｍＡ・Ｌ１ｒｉ－２，与原来聚合物和Ｃ。构成的电池性能［３６３８］比较，各项性能如开路电ＪＫ和短路电流值都有所提高。近年来，这种以共价键将Ｃ∞直接连接到共轭聚合物中的设计思路引起越来越多科学家的注意，彳Ｈ如何解决增加Ｇｏ含最与聚合物溶解性之间矛盾，避免两者之间的相互ｆ扰和提高光电转换效率仍是关键。科学家们还在ＰＰＶ支链上接ｌ二三苯胺［３川，主链Ｅ接环庚—ｉ烯酮【蚰。以及－－２（环氧乙烷）ＴＥＯ－ＰＰＶｆ３７］等形成两极聚

合物。还有寓勒稀吡咯烷一双噻吩［４¨，肌气≈４２ｊ，ＰＰＶ－ｂ－

Ｐｓ【３２］等各种两极聚合物材料。

无机纳米材料电子迁移率高，并町利用量子尺寸效应来调控吸收光谱，使其在整个町见光范围都有吸收。Ｊａｎｓｓｅｎ等【４３］２００４年用ＺｎＯ与ＭＤＭＯ－ＰＰＶ制备了能基转换效率达１．６％的共混型太阳能电池。研究发现，在ＺｎＯ与ＭＤＭＯ－ＰＰＶ的界面之间，电子和守穴能实现高速有效的分离，加之ＺｎＯ高的电子迁移率，电池能达到较高的效率。除了ＺｎＯ，还有ＴＫ）２ｃ“】，Ｃｄｓｅ【‘５】，ＣｄＴｅＬ４６｜，Ｐｂ粤２６－等都可作为电子受体与有机给体复合。这些体系大大拓宽了人们对ＯＰＶｓ材料结构没计的思路，从而使得有机太阳能电池各种材料的性能得到小断的改善。

目前我们国家，如中科院化学所、中科院理化所、中科院半导体所、中科院等离子体所、长春应化所、华南理工大学、南开大学、复旦大学、北京交通大学、吉林大学、清华大学、北京大学等科研单位都做出了非常优秀的工作。如中科院李永舫教授研究组Ｌ４７－Ｍｊ从聚噻吩的侧基改性人手，将双键通过嚷吩或苯环引入到聚嚷吩类材料中，利用侧基双键和嚷吩丰链的共轭作用，减小聚噻吩的能隙，太阳光吸收范围得到拓展，得到ｒ一些综合性能优良的体相异质结给体材料。香港浸会大学（ＨｏｎｇＫｏｎｇ

Ｂａｐｔｉｓｔ

Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）的研究组

报道了铂多炔基化合物，通过分子改性，降低材料的能级带隙（１．８５ｅＶ），使得材料吸收光谱和太阡ｌ发射光谱更好地重叠，提高对太阳光的吸收能力，从而改善ＯＰＶｓ的能繁转化效率（４．１％，未经退火处理）［２引。最近．本研究小组使用红外光敏荆掺杂，改善器件对近红外光照射的响应，提高红外波段的光电流ｍＪ。

２．２在ＯＰＶｓ中引进介观光学结构。利用其对电磁波的调镧

和场的局域增强等效应，提高对太阳光的吸收。改善透明电极到工作介质层的透光率。减少电子给体和受体之间几何距离。增加给体和受体的界面。使激子更

有效地分离．减少串电阻和增加支电阻。提高光电转

化效率‘５埔］

自从Ｅｂｂｅｓｅｎ等发现由于表而等离子激元和光场相互耦合作用，平行光照射哑波长小孔阵列金属薄膜出现ｒ异常的透射增强效应【５引，市即引起人们对介观光学研究的浓厚兴趣。金属／介质表面等离子激元（ＳＰ，Ｓｕｒｆａｃｅｐｌａｓｍｏｎｓ）・即光场和金属表面的自由电子的相互作用ｆｆｊｉ产生的电子集体振荡。町以对光场的分布和传输进行调制，产生众多奇异的光学现象和效应，如光学透射异常增强、哑波长波导、全光调制器、荧光增强、拉曼增强效应等等。此研究已成为现代光学领域中热点之一。随着纳米技术的进步，微纳结构的制备工艺越来越简便，成本越米越低。使得介观光学结构在光电功能器件巾的应用成为Ⅱ丁能。澳大利哑研究人员ＭＡ

Ｇｒｅｅｎ

（ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｏｕｔｈＷａｌｅｓ）在硅太阳能电池表面制备一层银

纳米颗粒，研究了表而等离子激元对器件性能的改善【５７。，在入射光的激励下，银纳米颗粒表面形成局域表面等离子激元

（１０ｃａｌｓｕｒｆａｃｅｐｌａｓｍｏｎｓ，ＵＳＰ）。在银颗粒的ＬＳＰ共振波长附

近，入射光发生强烈的散射和吸收。另外，ＳＰ在纵向上为隐失波，在介质层内有一定穿透深度，有利于电荷载流子克服电极／半导体ｆ＇日】肖特幕势牟，增大太阳能电池的短路电流。纳米多孔结构，则Ｔｉ（）２层町以同时作为波导结构层和光吸收层。当满足激发ＴｉＱ层波导模式的条件时，多孔层的吸收光强在某些角度得到增加，从而直接观察到燃料敏化电池的短路电流的增加。在他们的实验中，通过这种结构产生的光强比直接照射产牛光强增加１９倍左右。这是符合变换矩阵的理沦计算的。美１日科学家Ｍｏｒｆａ等【ｓ９］在以Ｐ３ＨＴ和ＰＣＢＭ为给受体的有机太阳能电池中，在ＩＴ（）阳极与缓冲层ｎｒｆｌ时，短路电流较大。对外量子效率的研究发现，只有在１～２ｒｌｒｆｌ范嗣内的颗粒对器件的外镀子效率有贡献．颗粒太大时。外量子效率反而减小。与没自．银纳米颗粒相比，器件的响应波长发牛红移，从而有利于吸收波长较长的光谱。韩国科学家在通过简单快速的脉冲一电流电沉积方法在ＰＥＩ）（）Ｔ和自．效层（Ｐ３ＨＴ／ＰＣＢＭ）中加入１３ｎｍ均匀大小的Ａｇ纳米粒子。可以增加总的能量转换０３膜，目的是防止染料激发出的电子被局域在ｌ－面的银颗粒｜：。电子柬曝光系统制备一层椭ｎｎｌ，中心ｍ。通过

德国科学家Ｄｉ】ｒｒ等ｆｓ副在染料敏华电池巾将Ｔｉ（）２层制作为ＰＥＩ）ＯＴ：ＰＳＳ之『ＨＪ蒸镀一层Ａｇ颗粒，并研究ｊ￡大小对器件性能的影响。他们指出与无银颗粒相比，银颗粒使短路电流有所增加，银颗粒大小在１～３效率从３．０５％～３．６９％．效率的增加主要是由于在金属纳米层附近由于表面等离子激元增强导致共轭聚合物吸收的增强。他们还指出用这种电沉积方法制作金属纳米层。能够简单的控制金属纳米粒子的密度和大小。Ｈａｇｇｌｕｎｄ等㈣一用电子书曝光制备可以控制形状的金纳米颗粒，过程为先在玻璃

摹板七镀上一层５０姗厚的Ｔｉ０２薄膜，再吸附一层染料，

在此基础上，蒸镀一层Ａｌｚ球状Ａｕ颗粒，长轴矩轴和商分别为１２０，４０，２０到中心的问距在长轴和短轴方向分别为２００和１００

测精表明吸收峰和入射光的偏振有很大关系，沿着Ａｕ椭球颗粒的长轴方向的光吸收相对沿着椭球短轴方向的偏振光吸收有一个红移，从只有ｄｙｅ和只有Ａｕ的ＴｉＯｚ膜的电导图可

第５期光谱学与光谱分析

１１６５

知，染料电池中起作用的确实足染料吸收电子转移给ＴｉＯｚ，而不是直接Ｔｉ（Ｊ２吸收光产生的。Ｍａ［６１］利用激光丁涉刻蚀技术制造出了周期为４５０ｎｍ颗粒直径为１００ａｍ的金膜周期结构。另外还证明ｒ通过对周期性纳米会颗粒膜加热会减小纳米点和得到更好的纳米点町运用于太辟ｌ能电池。

普林斯顿大学Ｆｏｒｒｅｓｔ教授在叠单元结构的有机太阳能电池中间引入纳米银团簇层。增强光吸收，提高器件性能。纳米银闭簇层不仅可以做双层电池的复合中心。还町以在纳米束的表面产生等离激元（ＳＰＰ）而增加吸收，ＳＰＰ增强范围在Ａｇ层１０ＲＩＴＩ的范围。实验表明在５

ｍＴｌ

结构的有机光电器件中，利用相应的边界条件，求解麦克斯韦方程组，得到器件中的表面等离子激元的色散关系和不同模式的能量分布。在实验ｆ：观察到不同结构的金属＿二维薄膜对光吸收和光致发光的增强效应。分析ｒ不¨闪素对增强效应的贡献。研究表明适当的复合微纳结构自．希望应用于光伏器件，增加光的俘获效率，也可用于有机电致发光器件提高量子效率‘ｅ引。

３存在问题与发展趋势

利用介观光学结构和表面等离子激元共振耦合和场增强效应，提高ＯＰＶｓ的能量转化效率的研究是近儿年才开始的，相关的工作报道还不太多，但是人们对此课题的关注与日俱增。此研究领域克满ｒ机遇和挑战。很多问题有待于解决，比如：

（１）目前对（）ＰＶｓ中表面等离子激元，及其与光场的相互作用和对ＯＰＶｓ性能影响的机理还不完全清楚。比如。局域和非局域表面等离子激元对激子的传输、激子的分离和电荷载流子在有机介质中传输的影响，不¨会属／介质微纳异质结构的形貌，如周期性、尺度大小和对称性等，对表面等离子激元行为的影响，如何从理论卜设计最佳介观光学结构，最大程度上提高ＯＰＶｓ的性能等问题，还镒要进一步研究。

（２）表面等离子激元共振增强光吸收，对照明光的入射角和波长有较强的选择性。光波和表面等离子激冗波的强烈耦合只发生在满足动量守恒条件下，即

Ａｇ层附近１０ｉｍ－ｉ

的有机电介质范围有入射光场的增强，其中纳米粒子卒问，形状，还有有复介电常数的电介质在决定增强强度都很重要，他们并在理论ｌ：分析了金属纳米颗粒的表面等离子激元的Ｊ乓振吸收增强等效应和金属颗粒的尺度和形貌的依赖关系【ｌ¨。Ｈｅｉｄｅｌ等【６２ｊ将红荧烯材料制作的光吸收大线用于基于酞菁铜和Ｃ∞的小分子有机太阳能电池中，通过表面等离子激，ｅ极化和辐射实现能最转换并将天线吸收的光耦合进太阳能电池中，极大地增强了吸收峰之间的谱隙吸收。

以上几个例子，均是使用局域表面等离子激元的场增强效应，也町以利用非局域表面等离子激兀效应。比如，可蔑接使用具有介观光学结构金属薄膜作为电极。通过表面等离子激元的共振耦合增加光吸收【５“，在满足动量守恒条件下，光波和表匝等离子激元波发生强烈耦合，表面等离子波町沿金属／介质表面传播百微米鼍级的路程，极大地增加工作介质对入射太阳光的有效吸收长度。Ｍｏｕｌｉｎ等［６３１研究ｒ硅太阳能电池中作为背电极的银纳米颗粒电极分布状态对光强吸收的影响，指ｆ“不管纳米银颗粒是彼此分离的还是连结在一起，都能在长波段减少反射．另外还指｝ｌ｛，作为背电极的银纳米颗粒应该有电介质包裹以减少光学损失。美同科学家Ｌａｇｅｍａａｔ等阳］实现利用乳胶刻蚀技术制作的有纳米孔结构的透明银电极，当纳米孔直径为９２ｍｎ时产生表面等离子激元增强导致的内量子效率的极大增强，从而导致光电转换的增加，而且这样的纳米孔结构的透明电极有很大的可能用于替代ＩＴＯ透明电极，来应对地球上稀缺的铟资源问题。Ｈａｕｇ等［６５］也报道他们研究不同电介质环境对银层的表面等离子激元共振的影响，他们测域ｒ卒气，氧化锌，和无定形硅这三种材料和银层接触面的光谱反射率，得到由于介质和金属表面等离子激元共振产生的吸收在能量低于１．９ｅＶ时最容易发生，另外还指ｆｆ｛对于硅太阳能电池，在硅层和银反射层之问加上一层氧化锌缓冲层町以减少吸收损失。

作者也作了一些相关的基础研究工作，在平面介观光学

Ｋｍ№叫Ｍｅｄ岫＋ｍＫ＝旦ｓｉ阳，

Ｃ

ｍ＝０，士１，士２，…

Ｋ。为ＳＰ波的波失，Ｋ为光栅的波矢．口为光波的辐射角度，所以介观光学结构对吸收增强只能对一定的波长和一定的入射角有效。但是太阳光从近紫外到红外具有非常宽的光谱分布，同时太阳能电池往往工作在小同的阳光入射角下。这要求人们设计和制备对宽谱带都有良好响应的微纳结构，以便有效地提高ＯＰＶｓ性能。

（３）ＯＰＶｓ中介观结构制备方法单一并且工艺复杂；在ＯＰＶｓ中实现有机／金属、金属／卒气两种模式的ＳＰＰ的交叉耦合，以及光吸收增强，必须在金属阴极中引入介观光学微结构，目前文献中的制备方法多为光刻、离子刻蚀、加热团簇、电化学腐蚀等等，很多不能有效地应用于有机薄膜，需要发展更多和更简便的制备方法。

［１］ＺＨＡＮＧＺｈｅｎｇ－ｈｕａ，ＬＩ［２］ＭｉｃｈａｅｌＧｒａｔｚｅＬ［３］ＨＵＡＮＧ

Ｌｉｎｇ－ｌａｎ，ＹＥＣｈｕ－ｐｉｎｇ，ｅｔａ（张正华，李陵岚，叶楚乎，等）．ＳｏｌａｒＢａｔｔｅｒｙ（有机太阳电池与塑料太阳电池）．

Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＣｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙＰｒｅｓｓ（ｊｔ京：化学工业出版社）。２００６．

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６７１００３，Ｃｈｉｎａ

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Ｂｅｉｊｉｎｇ

１００８７１，Ｃｈｉｎａ

Ａｂｓｔｒａｃｔ

ＥｎｅｒｇｙｉｓｍｏｓｔｉｍｐｏｒｔａｎｔｉｓｓｕｅｉｎｔｈｅｗｏｒｌｄｎＯＷｂｅｃａｕｓｅｔｈｅｃｈｅｍｉｃａｌｅｎｅｒｇｙ（ｏｉｌ，ｎａｔｕｒａｌｇａｓ，ｃｏａｌ

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Ｏｒｇａｎｉｃｓｏｌａｒｃｅｌｌｓ；Ｐｏｗｅｒｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；Ｌｉｇｈｔａｂｓｏｒｂｉｎｇ；Ｓｕｒｆａｃｅｐｌａｓｍｏｎ

（ＲｅｃｅｉｖｅｄＭａｙ１０。２０１０；ａｃｃｅｐｔｅｄＡｕｇ，．２０，２０１０）

＊Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ

ａｕｔｈｏｒ

敬告读者——《光谱学与光谱分析》已全文上网

从２００８年第７期开始在《光谱学与光谱分析》网站（ｗｗｗ．ｇｐｘｙｇｐｆｘ．ｃｏｒｎ）“在线期刊’’栏内发布《光谱学与光谱分析》期刊全文，读者可方便地免费下载摘要和ＰＤＦ全文，欢迎浏览、检索本刊＂－３期的全部内容；并陆续刊出自２００４年以后出版的各期摘要和ＰＤＦ全文内容。２００９年起《光谱学与光谱分析》每期出版日期改为每月１日。

光谱学与光谱分析期刊社

有机太阳能电池能量转化效率的提高思路

作者：作者单位：

木丽萍， 袁丹， 环敏， 陈志坚， 肖立新， 曲波， 龚旗煌， MU Li-ping， YUAN Dan， HUAN Min， CHEN Zhi-jian， XIAO Li-xin， QU Bo， GONG Qi-huang

木丽萍,MU Li-ping(大理学院,云南大理671003;北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室,北京100871)， 袁丹,陈志坚,肖立新,曲波,龚旗煌,YUAN Dan,CHEN Zhi-jian,XIAOLi-xin,QU Bo,GONG Qi-huang(北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室,北京,100871)， 环敏,HUAN Min(大理学院,云南大理,671003)光谱学与光谱分析

SPECTROSCOPY AND SPECTRAL ANALYSIS2011,31(5)

刊名：英文刊名：年，卷(期)：

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