有机太阳能电池的微纳结构光电协同调控

随着人们对能源危机和环境污染的认识加深,寻找绿色可再生能源已经成为全社会的共识。其中,有机太阳能电池因其质量轻、成本低、污染少等优点而受到广泛关注。然而,作为光电转换活性层的有机材料通常具有较低的载流子迁移率,这限制了器件对载流子的收集和对入射光的吸收,造成了太阳能量的浪费,因而制约了有机太阳能电池的效率提升。

2015年,苏州大学功能纳米与软物质研究院(FUNSOM)唐建新课题组在有机太阳能电池中引入准周期性的蛾眼纳米结构,通过光散射、导模共振、等离激元共振和减反射等效应,显著提升了器件对入射光的吸收。近期,该课题组进一步发展该技术,以ZnO:Al2O3薄膜为准周期纳米结构的载体,并将其作为有机太阳能电池的电子传输层使用。与常规的溶胶-凝胶法制备的ZnO薄膜相比,ZnO:Al2O3薄膜的表面缺陷被有效钝化,并且在界面处形成了一层偶极层,可使薄膜的功函数从4.2 eV降低至3.9 eV。因此,ZnO:Al2O3电子传输层能有效抑制有机太阳能电池内载流子收集过程的复合损耗,即提升电荷收集效率。与此同时,在ZnO:Al2O3薄膜中集成亚波长准周期纳米结构,获得了显著的光学调控效果。电池器件的入射光吸收率和电荷收集率获得了协同提升,使得最终获得的器件外量子效率高达90%。经由国家太阳能光伏产品质量监督检验中心的测试,基于富勒烯类PTB7-Th:PC71BM和非富勒烯类FTAZ:IDIC的器件光电转换效率分别达到9.69%和13.03%。总之,该工作展现了纳米结构化ZnO:Al2O3薄膜的光电协同调控的独特优势,为今后构筑新型器件结构、提高有机太阳能电池的光电转换效率、突破现有的效率瓶颈提供了新思路。

相关论文发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201706083)上。苏州大学FUNSOM博士研究生陈敬德为该文章第一作者。

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