表面等離子體共振對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池性能的影響

金蒙佳

表面等離子體共振對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池性能的影響

金蒙佳

（福州大學(xué)，福建 福州 350108）

貴金屬的表面等離子體共振效應(yīng)能有效提升有機(jī)太陽(yáng)能電池活性層的光吸收，對(duì)器件性能提升起到顯著的作用。因此，通過(guò)真空蒸發(fā)法蒸鍍銀納米薄膜，在一定溫度下退火制備銀納米顆粒，引入有機(jī)太陽(yáng)能電池中觀察其引起的電池性能的變化。摻雜的銀納米顆粒作為等離子體散射中心，有效增大了入射光在活性層中的光程長(zhǎng)度，提升了活性層的光吸收。在此基礎(chǔ)上，改變銀納米顆粒的摻雜量，改變其在器件中的摻雜密度，研究不同銀納米顆粒摻雜量對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池的不同影響，相較于未摻雜的器件，最優(yōu)器件的功率轉(zhuǎn)換效率從2.13%提升至3.36%。

表面等離子體共振；光吸收；真空蒸發(fā)法；銀納米顆粒

近年來(lái)，有機(jī)太陽(yáng)能電池因制造簡(jiǎn)易、柔性輕薄便捷以及廣泛適用于大面積“卷對(duì)卷”工藝的優(yōu)點(diǎn)而受到研究人員的關(guān)注。由于有機(jī)材料中激子的擴(kuò)散距離相對(duì)較短、載流子遷移率低，活性層的厚度受到限制[1-2]。然而，有機(jī)太陽(yáng)能電池的光吸收與活性層的厚度密切相關(guān)。在受限的超薄活性層中增強(qiáng)有效光吸收成為攻克有機(jī)太陽(yáng)能電池效率瓶頸的一大目標(biāo)，在有機(jī)太陽(yáng)能電池中引入貴金屬納米結(jié)構(gòu)，利用其獨(dú)特的表面等離子體共振效應(yīng)提升器件的光吸收是有效的解決途徑之一。表面等離子體共振效應(yīng)根據(jù)金屬納米結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸大小等可分為遠(yuǎn)場(chǎng)散射效應(yīng)、局域表面等離子體共振效應(yīng)和等離子體極化激元等模式[3-4]?；诖吮尘埃疚牟捎谜婵諢嵴舭l(fā)法蒸鍍銀納米薄膜，在一定溫度下退火制備銀納米顆粒，將其摻雜在陽(yáng)極與空穴傳輸層的界面，研究銀納米顆粒的摻雜對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池光學(xué)性能、電學(xué)性能、薄膜形貌的影響。所制備得的電池功率轉(zhuǎn)換效率達(dá)到3.36%。

1 實(shí)驗(yàn)

按順序分別使用丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗ITO玻璃襯底各15 min后烘干。使用真空蒸發(fā)鍍膜機(jī)（北京泰科諾科技有限公司ZHDS400高真空有機(jī)/金屬蒸發(fā)鍍膜機(jī)）在ITO玻璃襯底上分別蒸鍍0.05 mg、1 mg、2 mg和3 mg銀（高純實(shí)驗(yàn)用銀絲Ag，99.99%），退火溫度為200 ℃，退火時(shí)間為20 min。使用真空蒸發(fā)鍍膜機(jī)蒸鍍15 nm厚的MoO3（購(gòu)于Alfa Asear，99.95%），薄膜作為空穴傳輸層。使用P3HT（購(gòu)于Rieke Metals，99%）和PCBM（購(gòu)于Nano-c，99.5%）分別作為活性層的給體與受體材料，按1∶1比例混合溶于氯苯溶液中配制成40 g/L的活性層溶液，放置于熱臺(tái)上以40 ℃攪拌48 h，使得給體與受體混合均勻。使用移液槍吸取活性層溶液并滴加于MoO3薄膜上，旋涂形成P3HT:PCBM薄膜（旋涂參數(shù)為2 000 rpm，1 min），將旋涂后的薄膜干燥1 h備用。使用真空蒸發(fā)鍍膜機(jī)蒸鍍100 nm厚的Al作為電池的陰極，蒸鍍完畢在熱臺(tái)上于氬氣氛圍中進(jìn)行150 ℃、15 min的快速熱退火處理。制備得的電池結(jié)構(gòu)為ITO/Ag NPs/MoO3/P3HT:PCBM/Al。

使用雙束場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（Helios G4 CX）測(cè)試銀納米顆粒在ITO導(dǎo)電玻璃表面的形貌。使用紫外分光光度計(jì)（LAMBDA800 PE）測(cè)試銀納米顆粒摻雜的MoO3薄膜透射光譜以及ITO/Ag NPs/MoO3/P3HT:PCBM疊層薄膜的光相對(duì)吸收強(qiáng)度光譜。使用原子力顯微鏡（臺(tái)/5500原子力顯微鏡）檢測(cè)ITO/Ag NPs/MoO3疊層薄膜的形貌。使用太陽(yáng)能電池（光電材料）IPCE/QE/量子效率/光譜響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)（美國(guó)頤光科技有限公司）測(cè)試銀納米顆粒摻雜的有機(jī)太陽(yáng)能電池的外量子效率（）譜圖。通過(guò)源表（Keithley 2400，USA）測(cè)量器件的電流密度-電壓（-）特性曲線。

2 結(jié)果與分析

不同量的銀在ITO導(dǎo)電玻璃上沉積退火形成銀納米顆粒的分布情況如圖1所示，圖1分別為0.05 mg、1 mg、2 mg和3 mg的銀蒸鍍后以200 ℃退火得到的銀納米顆粒的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。

顯然，生成的銀納米顆粒的尺寸相對(duì)均一且在ITO導(dǎo)電玻璃上的分布均勻。當(dāng)蒸鍍0.05 mg銀時(shí)，生成的銀納米顆粒在ITO導(dǎo)電玻璃上的分布相對(duì)稀疏，隨著蒸鍍的銀的量增大，生成的銀納米顆粒尺寸也隨之增大，并且在ITO導(dǎo)電玻璃上的分布也越密集。

圖1 不同質(zhì)量銀納米粒子蒸鍍掃描電子顯微鏡圖像

不同量銀納米顆粒摻雜的ITO/Ag NPs/MoO3疊層薄膜的光透射率及ITO/Ag NPs/MoO3/P3HT:PCBM疊層薄膜的光相對(duì)吸收強(qiáng)度光譜如圖2所示。

圖2 不同量銀納米顆粒摻雜的ITO/Ag NPs/MoO3疊層薄膜的光透射率及ITO/Ag NPs/MoO3/P3HT:PCBM疊層薄膜的光相對(duì)吸收強(qiáng)度光譜

圖2（a）顯示了用不同量的銀納米顆粒摻雜的ITO/Ag NPs/MoO3疊層薄膜的透光率，摻雜銀納米顆粒使得薄膜的透光率有所提升，但是隨著摻雜的銀納米顆粒的量的增加，透光率的增強(qiáng)逐漸減小。當(dāng)摻雜3 mg的銀納米顆粒時(shí)，疊層薄膜的透光率顯著降低。當(dāng)薄膜的透射率增加時(shí)，更多的入射光穿過(guò)疊層薄膜到達(dá)活性層被吸收，改善了器件的活性層的光吸收并改善了電池的性能。圖2（b）為不同量的銀納米顆粒摻雜的ITO/Ag NPs/MoO3/ P3HT:PCBM疊層薄膜的光吸收強(qiáng)度譜圖，銀納米顆粒摻雜顯著提升疊層薄膜的光吸收，并且光吸收增強(qiáng)的區(qū)域?yàn)?00～550 nm，恰好覆蓋了P3HT:PCBM材料的吸收范圍。真空蒸鍍法退火制備的銀納米顆粒尺寸較大，更傾向于誘導(dǎo)遠(yuǎn)場(chǎng)散射效應(yīng)，由于摻雜0.05～2 mg銀納米顆粒的疊層薄膜的光透射率比未摻雜的薄膜的光透射率高，此外，遠(yuǎn)場(chǎng)散射效應(yīng)引起的光程長(zhǎng)度的增長(zhǎng)，這兩個(gè)因素使得活性層的光吸收得到明顯的提升，當(dāng)3 mg銀納米顆粒摻雜時(shí)，疊層薄膜的光透射率相比于未摻雜的薄膜光透射率有顯著降低，但由于遠(yuǎn)場(chǎng)散射效應(yīng)，光程長(zhǎng)度增加引起的光吸收降低抵消了光透射率降低帶來(lái)的光吸收的損耗，整體光吸收仍呈現(xiàn)出輕微的提升。

ITO/Ag NPs/MoO3疊層薄膜的AFM圖像如圖3所示。其中圖3（a）為未摻雜銀納米顆粒的MoO3薄膜的3D形貌圖，圖3（b）～圖3（e）分別是蒸鍍0.05 mg、1 mg、2 mg和3 mg銀退火再蒸鍍MoO3薄膜的3D形貌圖，相應(yīng)的表面粗糙度均方根（）值匯總?cè)绫?所示。由于MoO3薄膜采用真空熱蒸發(fā)法制備，薄膜表面并不平整，其值為3.42 nm。銀納米顆粒摻雜使得值增大，說(shuō)明銀納米顆粒的摻雜對(duì)MoO3薄膜表面的粗糙度產(chǎn)生一定的影響。摻雜0.05 mg的銀納米顆粒時(shí)，由于銀納米顆粒尺寸較小且分布稀疏，MoO3薄膜覆蓋在銀納米顆粒上時(shí)，對(duì)薄膜表面粗糙度的影響較小，值為3.57 nm。摻雜1 mg銀納米顆粒時(shí)，銀納米顆粒的尺寸增大，平均高度增大，對(duì)于MoO3薄膜的形態(tài)影響增大，值達(dá)到3.89 nm。當(dāng)摻雜質(zhì)量分別為2 mg和3 mg時(shí)，雖然銀納米顆粒的尺寸增大，但由于銀納米顆粒分布變得密集，MoO3表面變得平緩，分別降至3.53 nm和3.58 nm。

圖3 ITO/Ag NPs/MoO3疊層薄膜AFM圖像的3D形貌圖

表1 不同質(zhì)量銀納米顆粒摻雜的疊層薄膜表面粗糙度均方根值

銀納米顆粒摻雜質(zhì)量/mgRMS/nm 參考值3.42 0.053.57 13.89 23.53 33.58

圖4（a）顯示了不同量的銀納米顆粒摻雜有機(jī)太陽(yáng)能電池的外量子效率（）譜圖，銀納米顆粒摻雜時(shí)，器件的明顯上升，增強(qiáng)范圍為350～630 nm。隨著銀納米顆粒摻雜質(zhì)量的增大，逐漸降低，表明電池的短路電流密度也將逐漸減小，最優(yōu)的摻雜器件的摻雜質(zhì)量為0.05 mg。不同量的銀納米顆粒摻雜有機(jī)太陽(yáng)能電池的-特性曲線如圖4（b）所示，其相關(guān)性能參數(shù)匯總?cè)绫?所示。未摻雜銀納米顆粒的電池的為2.13%，對(duì)應(yīng)的SC為6.28 mA/cm2，為0.61 V 以及為55.69%。銀納米顆粒摻雜提升器件的SC，但隨著摻雜量的增大提升程度降低。此外，銀納米顆粒的摻雜使MoO3與P3HT:PCBM之間的接觸電阻增大，導(dǎo)致填充因子降低。因此，銀納米顆粒摻雜提升器件性能，摻雜量為0.05 mg時(shí)得到最佳為3.36%，對(duì)應(yīng)的SC為9.64 mA/cm2，OC為 0.62 V，為56.48%。

圖4 不同質(zhì)量銀納米顆粒摻雜有機(jī)太陽(yáng)能電池的EQE圖

表2 不同質(zhì)量銀納米顆粒摻雜的電池性能參數(shù)

器件類別VOC/VJSC/（mA/cm2）FF/（%）PCE/（%） 參考值0.616.2855.692.13 0.05 mg0.629.6456.483.36 1 mg0.608.4254.042.73 2 mg0.618.5451.422.67 3 mg0.607.3651.812.29

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用真空蒸發(fā)法蒸鍍銀并進(jìn)行熱退火制備銀納米顆粒，探究其形貌、尺寸以及光學(xué)特性等相關(guān)性能。將制備的銀納米顆粒引入有機(jī)太陽(yáng)能電池中，研究摻雜的銀納米顆粒對(duì)器件性能的影響，探究銀納米顆粒的摻雜對(duì)電池的光學(xué)性能、薄膜形貌等產(chǎn)生的影響，對(duì)于器件性能的提升及分析原因具有重要作用。結(jié)果表明，銀納米顆粒摻雜于有機(jī)太陽(yáng)能電池中作為等離子體散射中心，可以有效增加入射光的光程長(zhǎng)度，增加活性層的光吸收，進(jìn)而提升器件的性能。

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TM914.4

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.019

2095－6835（2020）08－0050－03

金蒙佳（1995—），女，福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院微納器件與太陽(yáng)能電池研究所碩士研究生，研究方向?yàn)槲㈦娮硬牧吓c器件。

〔編輯：王霞〕