表面等離子體-微腔激元對(duì)頂入射有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池光吸收效率的增強(qiáng)

金 玉， 王 康， 鄒道華， 吳志軍， 相春平(. 華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 福建省光傳輸與變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 福建 廈門(mén) 3602；2. 集美大學(xué) 信息工程學(xué)院， 福建 廈門(mén) 3602)

表面等離子體-微腔激元對(duì)頂入射有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池光吸收效率的增強(qiáng)

金 玉1， 王 康1， 鄒道華1， 吳志軍1， 相春平2*
(1. 華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 福建省光傳輸與變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 福建 廈門(mén) 361021；2. 集美大學(xué) 信息工程學(xué)院， 福建 廈門(mén) 361021)

為了提高頂入射有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池(TOSCs)的光吸收效率，我們將周期性矩形光柵結(jié)構(gòu)引入到TOSCs中，分析了具有光柵結(jié)構(gòu)的空氣/Ag1/有源層/Ag2/空氣(IMIMI)結(jié)構(gòu)理想模型中復(fù)合表面等離子激元(SPPs)與微腔模式的耦合機(jī)制。通過(guò)調(diào)節(jié)光柵周期和有源層厚度，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合SPPs、微腔模式以及有機(jī)材料本征吸收3個(gè)區(qū)域的重合。由于復(fù)合SPPs與微腔模式的反交叉耦合作用形成了表面等離子體-微腔激元，其局域場(chǎng)增強(qiáng)作用有效地提高了有源層的光吸收效率，提高了近19%。

頂入射有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池(TOSCs)； 表面等離子激元； 等離子體-微腔激元； 矩形光柵

1 引 言

有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池(OSCs)具有成本低、可大尺寸制作、柔性和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)受到人們的廣泛關(guān)注[1-3]。目前基于有機(jī)小分子和聚合物的OSCs的光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)都已經(jīng)超過(guò)了10%[4]。盡管如此，由于有機(jī)分子的載流子遷移率較低，且載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度通常在10～50nm之間，為了保證載流子的收集效率，OSCs有源層厚度通常被限制在100nm以內(nèi)，而過(guò)薄的有源層很難實(shí)現(xiàn)高效的太陽(yáng)光吸收[5-7]。因此，在不改變OSCs有源層厚度的前提下，提高有源層的光吸收效率成為提高OSCs光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵[8-12]。

對(duì)于頂入射有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池(TOSCs)器件，其典型的器件結(jié)構(gòu)為半透明的金屬陰極/有源層/金屬陽(yáng)極(Metal/Insulator/Metal,MIM)的三明治結(jié)構(gòu)[13]。金屬電極和有源層界面處的自由電子和入射光相互作用會(huì)形成沿界面?zhèn)鞑サ谋砻娴入x子激元(SPPs)[14-15]。由于有源層厚度很薄，兩層金屬電極界面的SPPs產(chǎn)生相互干擾，形成了復(fù)合SPPs共振模式[16-17]。在合適的光柵周期和有源層厚度條件下，復(fù)合SPPs模式可與微腔模式發(fā)生交叉耦合和反交叉耦合，形成等離子體-微腔激元[17]，可在一定頻率范圍內(nèi)有效增加電池有源層的吸收[17-20]。

本文利用嚴(yán)格耦合波分析(RCWA)算法以及有限時(shí)域差分(FDTD)算法，對(duì)具有矩形光柵結(jié)構(gòu)的空氣/Ag1/有源層/Ag2/空氣(IMIMI)結(jié)構(gòu)中激發(fā)的復(fù)合SPPs模式進(jìn)行分析。通過(guò)優(yōu)化光柵的周期以及TOSCs的有源層厚度，以實(shí)現(xiàn)等離子體-微腔激元共振區(qū)域與有源層光吸收區(qū)域重合，利用等離子體-微腔激元的局域電場(chǎng)增強(qiáng)作用，有效地提高OSCs的光吸收效率。

2 理論模型

圖1為我們構(gòu)建的兩種器件模型，為了分析具有矩形光柵IMIMI結(jié)構(gòu)中的復(fù)合SPPs模式，我們首先建立如圖1(a)所示的IMIMI理想模型。其中，矩形光柵的周期為300nm，光柵高度為10nm，有源層由電子給體材料P3HT與電子受體材料PCBM按照質(zhì)量比1∶1的比例混合形成。對(duì)理想模型，我們僅考慮有源層材料在本征吸收波長(zhǎng)范圍內(nèi)(530～650nm)的折射率實(shí)部(折射率均值為1.7)，忽略有源層材料的吸收(折射率虛部設(shè)定為0)。在模型2中，我們將模型1中的Ag2的厚度增加[21]，便得到實(shí)際的TOSCs電池的空氣/Ag1/有源層/Ag2(IMIM)結(jié)構(gòu)，如圖1(b)所示。兩個(gè)模型中平行光源均垂直入射到電池的頂電極。

圖1(a)具有矩形光柵結(jié)構(gòu)的理想IMIMI器件模型圖；(b)具有矩形光柵結(jié)構(gòu)的TOSCs器件模型圖。

Fig.1(a) Ideal structure model of IMIMI device with rectangle grating. (b) Structure model of TOSCs with rectangle grating.

3 結(jié)果與討論

3.1復(fù)合表面等離子激元模式

為了分析復(fù)合SPPs的多種模式，我們利用RCWA算法計(jì)算具有矩形光柵的IMIMI理想模型結(jié)構(gòu)對(duì)入射光的吸收譜，如圖2所示。入射光為磁場(chǎng)垂直于光柵截面的(TM)偏振光。圖2(a)是Ag1和Ag2薄膜厚度均為20nm時(shí)，器件吸收譜隨有源層厚度變化的譜圖。由于Ag的折射率小于有機(jī)材料折射率，入射到有源層中的光受到兩層Ag的反射而形成微腔共振模式。微腔共振需滿足法布里-珀羅共振條件，而對(duì)于帶有光柵形貌的法布里-珀羅共振條件可優(yōu)化為如下形式[22]：

(1)

其中，na和da分別為兩層Ag薄膜間有源層的折射率和厚度，f為入射光頻率，c為真空光速，θ為入射角，Ψ(f)為Ag1/有源層/Ag2兩個(gè)界面的反射相移角，t為Ag薄膜厚度，Pg為光柵周期，Dg為光柵高度，m為正整數(shù)。當(dāng)m為奇數(shù)時(shí)，有源層內(nèi)的共振電磁波在垂直金屬界面方向上為奇函數(shù)，Ag1/有源層界面電場(chǎng)與Ag2/有源層界面電場(chǎng)相位相反，表現(xiàn)為反對(duì)稱(chēng)形式；當(dāng)m為偶數(shù)時(shí)，微腔共振表現(xiàn)為對(duì)稱(chēng)模式。由于微腔共振可將部分入射光限制在兩層Ag薄膜之間，因此可增強(qiáng)OSCs器件的整體吸收[11,17,23-24]。隨著有源層厚度的增加，微腔共振在吸收譜中表現(xiàn)出了多級(jí)的吸收帶，如圖2(a)所示。

在IMIMI結(jié)構(gòu)中引入矩形光柵可滿足入射光波矢沿界面方向上的分量Kx與SPPs波矢Kspp的動(dòng)量守恒，即

Kspp±m(xù)Kg=Kx=K0sinθ，

(2)

其中，Kg為光柵倒易矢量，Kg=2π/Pg。光柵的引入可有效激發(fā)IMIMI結(jié)構(gòu)中M/I界面的SPPs，而SPPs局域電場(chǎng)可增強(qiáng)器件對(duì)光的吸收效率[25]。圖2(a)為IMIMI理想結(jié)構(gòu)的吸收譜，由于IMIMI結(jié)構(gòu)中Ag的厚度很薄(20nm)，因此Ag膜兩側(cè)界面的SPPs會(huì)發(fā)生相互干擾[26-27]，劈裂為共振頻率處于550THz附近的奇階模式和共振頻率處于430THz附近的偶階模式[22,28]。奇模SPPs界面電場(chǎng)為奇函數(shù)，其電場(chǎng)局域特性弱，SPPs的傳播長(zhǎng)度相對(duì)較長(zhǎng)，因此稱(chēng)為長(zhǎng)程表面等離子激元(LRSPPs)模式；偶模SPPs界面電場(chǎng)為偶函數(shù)，電場(chǎng)局域特性強(qiáng)，傳播距離短，稱(chēng)為短程表面等離子激元(SRSPPs)模式，其電場(chǎng)對(duì)稱(chēng)性示意如圖2(d)所示。在IMIMI結(jié)構(gòu)中，隨著有源層厚度逐漸減小，當(dāng)厚度小于SPPs的縱向衰減深度時(shí)，上下Ag膜兩個(gè)界面的SRSPPs和LRSPPs會(huì)相互干擾進(jìn)而各自劈裂,如圖2(a)所示[16]。由于SRSPPs的衰減深度小，當(dāng)有源層厚減小到250nm時(shí)，SRSPPs劈裂為短程對(duì)稱(chēng)模式(SRS)和短程反對(duì)稱(chēng)模式(SRA)；而LRSPP的衰減深度較大，當(dāng)有源層厚度為400nm時(shí)，LRSPP已經(jīng)劈裂為長(zhǎng)程對(duì)稱(chēng)模式(LRS)和長(zhǎng)程反對(duì)稱(chēng)模式(LRA)[17]，其電場(chǎng)對(duì)稱(chēng)性示意圖如圖2(d)所示。圖2(b)和(c)分別是Ag膜厚度為30nm和40nm時(shí)，IMIMI結(jié)構(gòu)的吸收隨有源層厚度的變化譜圖?？梢钥闯觯S著Ag薄膜厚度的增大，SRSPPs激發(fā)頻率從430THz增大到470THz；而LRSPPs激發(fā)頻率從550THz增大到570THz，可見(jiàn)LRSPPs受Ag膜厚度的影響更小，具有更好的膜厚兼容性。

圖2Ag薄膜厚度為20nm(a)、30nm(b)和40nm(c)，光柵周期為300nm的IMIMI理想器件模型的吸收強(qiáng)度隨有源層厚度的變化以及SPPs-微腔共振耦合而劈裂形成的各個(gè)模式的電場(chǎng)對(duì)稱(chēng)性示意圖(d)。

Fig.2Absorption spectra of the ideal IMIMI device with rectangle grating structureviathe thickness of the active layers. The period of the grating is300nm, and the thickness of Ag is20nm (a),30nm (b), and40nm (c). (d) Shows the electric field symmetry schematic diagrams of different coupling modes between SPPs and F-P cavity resonance.

如圖2(a)所示，當(dāng)有源層厚度小于100nm時(shí)，微腔共振特性受光柵的影響逐漸增大。對(duì)于厚度為80nm的有源層，SRS、LRA和基階(m=1)微腔3種模式在550THz處就發(fā)生耦合，其中LRA模式和基階微腔模式表現(xiàn)為反交叉耦合，從而形成了等離子體-微腔激元。并且等離子體-微腔激元隨著有源層厚度的減小，其共振頻率表現(xiàn)出與微腔共振相似的趨勢(shì)[17]。由于電子給體材料P3HT的本征吸收范圍在550～600nm之間，利用等離子體-微腔激元產(chǎn)生的局域電場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，可以有效提高TOSCs有源層在500～650nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光吸收效率。

3.2有機(jī)薄膜電池器件的光吸收特性

在理想IMIMI模型的基礎(chǔ)之上將Ag2的厚度增加，便得到了圖1(b)所示的TOSCs器件結(jié)構(gòu)(IMIM結(jié)構(gòu))模型。我們利用RCWA算法，對(duì)IMIM結(jié)構(gòu)電池模型的吸收光譜進(jìn)行了模擬，其中Ag1厚度為20nm，矩形光柵周期為300nm。圖3(a)、(b)為理想IMIM結(jié)構(gòu)OSCs對(duì)入射光的吸收隨有源層厚度變化的譜圖，入射光為T(mén)M模式，光柵高度分別為10nm和20nm，忽略有源層吸收，折射率實(shí)部設(shè)定為1.7。從吸收光譜可以看出，由于Ag2厚度的增加，IMIM結(jié)構(gòu)與IMIMI結(jié)構(gòu)相比，其結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性受到破壞，因此原來(lái)簡(jiǎn)并的LRSPPs和SRSPPs模式不再簡(jiǎn)并，形成了4種相互獨(dú)立的LRS、SRS、LRA和SRA模式。其中最為明顯的是SRS模式，它是僅在Ag2/有源層界面?zhèn)鞑サ腟PPs模式，與其他界面SPPs沒(méi)有相互作用。同時(shí)隨著光柵高度的增大，LRS、SRS、LRA和SRA4種模式的共振頻率表現(xiàn)出紅移的特性(圖3(b))，且各模式的吸收強(qiáng)度明顯增加。

為了得到等離子體-微腔激元對(duì)實(shí)際OSCs器件吸收的影響，我們計(jì)算了IMIM結(jié)構(gòu)實(shí)際OSCs器件的吸收譜，此時(shí)有源層采用材料P3HT∶PCBM(質(zhì)量比1∶1)的折射率和吸收系數(shù)(橢偏儀測(cè)得)，光柵周期為300nm，高度為20nm，如圖3(c)所示。由于有機(jī)分子材料P3HT∶PCBM的折射率隨波長(zhǎng)是變化的，因此實(shí)際TOSCs器件中4種SPPs模式(LRS、SRS、LRA和SRA)的共振頻率與理想IMIMI模型中4種SPPs模式的共振頻率略有偏差。盡管如此，當(dāng)有源層厚度為80nm時(shí)，LRA、SRS和基階微腔3個(gè)模式在500THz處實(shí)現(xiàn)了耦合，其中LRA模式與基階微腔模式實(shí)現(xiàn)了反交叉耦合，形成了等離子體-微腔激元。由于等離子體-微腔激元隨著有源層厚度的減小表現(xiàn)出與微腔模式相似的變化趨勢(shì)，因此增強(qiáng)了器件在630THz(476nm)附近的光吸收。由于3種模式的相互耦合，使得TOSCs器件在500～650THz的頻率范圍內(nèi)光吸收都得到了明顯的提升。與此同時(shí)，由于光柵散射作用，對(duì)于有源層厚度不同的TOSCs器件，在500～750THz范圍內(nèi)光吸收強(qiáng)度也得到了明顯提升。

圖3光柵高度分別為10nm(a)和20nm(b)、周期為300nm的IMIM結(jié)構(gòu)TOSCs理想模型吸收強(qiáng)度隨有源層厚度的變化的譜圖以及光柵高度為20nm、周期為300nm的IMIM結(jié)構(gòu)TOSCs實(shí)際模型吸收強(qiáng)度隨有源層厚度的變化(c)。

Fig.3Absorption spectra of the ideal IMIM device with rectangle grating structureviathe thickness of the active layers. The period of the grating is300nm, and the depth of the grating is10nm (a) and20nm(b). (c) Shows the absorption spectra of the TOSCs device with rectangle grating structureviathe thickness of the active layers. The period of the grating is300nm, and the depth of the grating is20nm.

為了進(jìn)一步研究LRA、SRS和基階微腔3種模式耦合作用對(duì)增加OSCs有源層吸收的貢獻(xiàn)，我們計(jì)算了有源層厚度為80nm、光柵高度20nm時(shí)，光柵周期為250，300，350，400nm的條件下的TOSCs有源層吸收譜，如圖4(a)所示。從曲線可以看出，由于微腔作用，使得所有TOSCs器件在400～550nm(550～750THz)范圍內(nèi)的吸收都得到了增強(qiáng)，同時(shí)TOSCs的有源層吸收譜出現(xiàn)附加的吸收峰，并且這些吸收峰隨著光柵周期的增大而紅移。為了更直觀地得到附加吸收峰隨光柵周期變化的規(guī)律，我們將光柵結(jié)構(gòu)的TOSCs有源層吸收光譜與平面結(jié)構(gòu)的TOSCs有源層吸收光譜做差，得到了圖4(b)所示的SPPs增強(qiáng)吸收的光譜隨光柵周期的變化譜圖。從曲線可以看出，當(dāng)光柵周期為250nm時(shí)，SPP1、SPP2和SPP3的共振波長(zhǎng)分別為470，580，700nm，并隨著光柵周期的增大而紅移。它們分別對(duì)應(yīng)等離子體-微腔激元(630THz)、LRA、SRS和基膜微腔耦合處(500THz)、SRA模式(420THz)的共振波長(zhǎng)位置。其中470nm和580nm波長(zhǎng)正好與材料PCBM和P3HT的本征吸收區(qū)域重合，因此有效地增加了TOSCs有源層的光吸收。與平面TOSCs相比，光柵周期為300nm的TOSCs器件的光吸收效率提高了近19%，可見(jiàn)TOSCs的光電轉(zhuǎn)換效率得到了有效的提高。

圖4(a)光柵周期分別為200，250，300，350，400，450nm的TOSCs器件的有源層吸收譜；(b)與平面結(jié)構(gòu)TOSCs有源層吸收強(qiáng)度相比，光柵周期為250，300，350，400nm的TOSCs有源層的吸收強(qiáng)度增強(qiáng)譜。

Fig.4(a) Absorption spectra of active layer in the grating TOSCs with periods of250,300,350,400,450nm. (b) Absorption increment spectra of the active-layer absorption in grating TOSCs, compared to the flat TOSCs.

4 結(jié) 論

通過(guò)構(gòu)建具有矩形光柵界面的IMIMI理想TOSCs模型以及IMIM實(shí)際TOSCs模型，分析了復(fù)合SPPs(LRS、SRS、LRA和SRA)4種模式的共振頻率隨Ag膜和有源層厚度變化的趨勢(shì)，以及表面等離子體-微腔激元對(duì)TOSCs器件吸收特性的影響。當(dāng)TOSCs有源層厚度為80nm、矩形光柵周期為300nm、光柵高度為20nm時(shí)，LRA、SRS和基階微腔3個(gè)模式在500THz處實(shí)現(xiàn)了耦合，其中LRA與基階微腔模式實(shí)現(xiàn)了反交叉耦合，形成了等離子體-微腔激元，LRA、SRS和基階微腔模式三者的耦合有效提高了TOSCs在470～600nm范圍內(nèi)的吸收效率，提升了近19%。

[1] KALTENBRUNNER M, WHITE M S, GOWACKI E D,etal.. Ultrathin and lightweight organic solar cells with high flexibility [J].Nat.Commun., 2012, 3(1):770.

[2] HE Z, WU H, CAO Y. Recent advances in polymer solar cells: realization of high device performance by incorporating water/alcohol-soluble conjugated polymers as electrode buffer layer [J].Adv.Mater., 2014, 26(7):1006-1024.

[3] HUO L, LIU T, SUN X,etal.. Single-junction organic solar cells based on a novel wide-bandgap polymer with efficiency of 9.7% [J].Adv.Mater., 2015, 27(18):2938-2944.

[4] GREEN M A, EMERY K, HISHIKAWA Y,etal.. Solar cell efficiency tables (version 44) [J].Prog.Photovolt:ResAppl., 2014, 22(7):701-710.

[5] 白昱, 郭曉陽(yáng), 劉星元. 利用蛾眼結(jié)構(gòu)提高有機(jī)太陽(yáng)能電池光吸收效率的理論研究[J]. 發(fā)光學(xué)報(bào), 2015, 36(5):539-544.

BAI Y, GUO X Y, LIU X Y. Theoretical study on the improvement of light absorption efficiency of organic solar cells by moth eye structures [J].Chin.J.Lumin., 2015, 36(5):539-544. (in Chinese).

[6] KIM I, LEE T S, JEONG D S,etal.. Optical design of transparent metal grids for plasmonic absorption enhancement in ultrathin organic solar cells [J].Opt.Express, 2013, 21(S4):A669-A676.

[7] JIN Y, FENG J, ZHANG X,etal.. Surface-plasmon enhanced absorption in organic solar cells by employing a periodically corrugated metallic electrode [J].Appl.Phys.Lett., 2012, 101(16):163303.

[8] LI X, REN X, XIE F,etal.. High-performance organic solar cells with broadband absorption enhancement and reliable reproducibility enabled by collective plasmonic effects [J].Adv.Opt.Mater., 2015, 3(9):1220-1231.

[9] JIN Y, FENG J, XU M,etal.. Matching photocurrents of sub-cells in double-junction organic solar cellsviacoupling between surface plasmon polaritons and microcavity modes [J].Adv.Opt.Mater., 2013, 1(11):809-813.

[10] XIANG C P, JIN Y, LI J. Effective absorption enhancement in small molecule organic solar cells using trapezoid gratings [J].Chin.Phys. B, 2014, 23(3):38803.

[11] LONG Y. Improving optical performance of inverted organic solar cells by microcavity effect [J].Appl.Phys.Lett., 2009, 95(19):193301.

[12] 謝文法, 徐凱, 李楊, 等. 利用金屬納米顆粒改善有機(jī)光電器件性能 [J]. 發(fā)光學(xué)報(bào), 2013, 34(5):535-541.

XIE W F , XU K, LI Y,etal.. High-efficiency organic photoelectric devices with metal nanoparticles [J].Chin.J.Lumin., 2013, 34(5):535-541. (in Chinese)

[13] GRUBER M, MAYR M, LAMPE T,etal.. Influence of molecular orientation on the coupling of surface plasmons to excitons in semitransparent inverted organic solar cells [J].Appl.Phys.Lett., 2015, 106(8):83303.

[14] MULLA B, SABAH C. Multiband metamaterial absorber design based on plasmonic resonances for solar energy harvesting [J].Plasmonics, 2016, 11(5):1313-1321.

[15] JIN Y, FENG J, ZHANG X,etal.. Broadband absorption enhancement in organic solar cells with an antenna layer through surface-plasmon mediated energy transfer [J].Appl.Phys.Lett., 2015, 106(22):223303.

[16] WOOLF D, LONCAR M, CAPASSO F. The forces from coupled surface plasmon polaritons in planar waveguides [J].Opt.Express, 2009, 17(22):19996-20011.

[17] FU L, SCHAU P, FRENNER K,etal.. Mode coupling and interaction in a plasmonic microcavity with resonant mirrors [J].Phys.Rev. B, 2011, 84(23):235402.

[18] WEN L, SUN F, CHEN Q. Cascading metallic gratings for broadband absorption enhancement in ultrathin plasmonic solar cells [J].Appl.Phys.Lett., 2014, 104(15):151106.

[19] LI J, CUSHING S K, MENG F,etal.. Plasmon-induced resonance energy transfer for solar energy conversion [J].Nat,Photon., 2015, 9(9):601-607.

[20] ZILIO P, SAMMITO D, ZACCO G,etal.. Light absorption enhancement in heterostructure organic solar cells through the integration of 1-D plasmonic gratings [J].Opt.Express, 2012, 20(S4):A476-A488.

[21] FURNO M, GATHER M C, LüSSEM B,etal.. Coupled plasmonic modes in organic planar microcavities [J].Appl.Phys.Lett., 2012, 100(25):253301.

[22] SCHAU P, FRENNER K, FU L,etal.. Design of high-transmission metallic meander stacks with different grating periodicities for subwavelength-imaging applications [J].Opt.Express, 2011, 19(4):3627-3636.

[23] BEHAGHEL B, TAMAKI R, VANDAMME N,etal.. Absorption enhancement through Fabry-Pérot resonant modes in a 430 nm thick InGaAs/GaAsP multiple quantum wells solar cell [J].Appl.Phys.Lett., 2015, 106(8):81107.

[24] TAKAHASHI Y, TANAKA Y, HAGINO H,etal.. Higher-order resonant modes in a photonic heterostructure nanocavity [J].Appl.Phys.Lett., 2008, 92(24):241910.

[25] PRABHATHAN P, MURUKESHAN V M. Surface plasmon polariton-coupled waveguide back reflector in thin-film silicon solar cell [J].Plasmonics, 2016, 11(1):253-260.

[26] 陳佳音, 劉國(guó)軍, 王江安. MIM結(jié)構(gòu)的SPP模式理論與仿真計(jì)算研究[J]. 發(fā)光學(xué)報(bào), 2014, 35(6):737-741.

CHEN J Y, LIU G J, WANG J A. Analysis of SPP model theory and simulation in MIM structure [J].Chin.J.Lumin., 2014, 35(6):737-741. (in Chinese)

[27] CHEN Z, HOOPER I R, SAMBLES J R. Strongly coupled surface plasmons on thin shallow metallic gratings [J].Phys.Rev. B, 2008, 77(16):161405.

[28] FU L, SCHWEIZER H, WEISS T,etal.. Optical properties of metallic meanders [J].J.Opt.Soc.Am. B, 2009, 26(12):B111-B119.

金玉(1986-)，女，黑龍江齊齊哈爾人，博士，講師，2013年于吉林大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事有機(jī)光電子器件的研究。

E-mail: jinyu1001@hqu.edu.cn相春平(1988-)，男，吉林長(zhǎng)春人，碩士，講師，2014年于中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所獲得碩士學(xué)位，主要從事表面等離子體應(yīng)用的研究。

E-mail: chunpingxiang@jmu.edu.cn

Plasmon-cavityPolaritonsEnhanceTheAbsorptionEfficiencyofTop-incidentOrganicThin-filmSolarCells

JINYu1,WANGKang1,ZOUDao-hua1,WUZhi-jun1,XIANGChun-ping2*

(1.FujianKeyLaboratoryofLightPropagationandTransformation,CollegeofInformationScienceandEngineering,HuaqiaoUniversity,Xiamen361021,China;2.CollegeofInformationEngineering,JimeiUniversity,Xiamen361021,China)
*CorrespondingAuthor,E-mail:chunpingxiang@jmu.edu.cn

The absorption efficiency of top-incident organic thin-film solar cells(TOSCs) was improved by employing rectangle grating structure. The coupling mechanism between the hybridized surface plasmon polariatons and microcavity modes in ideal model of air/Ag1/active layer/Ag2/air (IMIMI) structure was analyzed. By tuning the period of the grating and the thickness of the active layer, the resonance region of the hybridized surface plasmon polaritons and microcavity modes are matched with the intrinsic absorption range of the organic materials. Due to the electric field enhancement effect of plasmon-cavity polaritons formed by the anticross-coupling between the microcavity modes and the surface plasmon polaritons, the absorption efficiency of the active layer is increased obviously, exhibits a increment of19%.

top-incident organic thin-film solar cells(TOSCs); surface plasmon polaritons; plasmon-cavity polaritons; rectangle grating

1000-7032(2017)11-1532-07

O436.2

A

10.3788/fgxb20173811.1532

2017-04-01；

2017-06-08

國(guó)家自然科學(xué)基金(61404053，61404054)； 華僑大學(xué)研究項(xiàng)目(13BS419)資助

Supported by National Natural Science Foundation of China (61404053，61404054); Research Project of Huaqiao University (13BS419)