鄒潤(rùn)秋, 秦文靜*, 張 強(qiáng)， 楊利營(yíng), 曹煥奇, 印壽根

(1. 天津理工大學(xué) 材料物理所， 天津 300384；2. 天津理工大學(xué) 天津光電顯示材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300384)

銀納米片等離子體效應(yīng)增強(qiáng)有機(jī)太陽(yáng)能電池及其性能優(yōu)化研究

鄒潤(rùn)秋1,2, 秦文靜1,2*, 張 強(qiáng)1,2， 楊利營(yíng)1,2, 曹煥奇1,2, 印壽根1,2

(1. 天津理工大學(xué) 材料物理所， 天津 300384；2. 天津理工大學(xué) 天津光電顯示材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300384)

將銀納米片引入有機(jī)太陽(yáng)能電池，增強(qiáng)了器件的光吸收及光電轉(zhuǎn)換效率。制備得到了具有不同等離子共振吸收特性的銀納米片。當(dāng)銀納米片的等離子共振吸收與活性層的吸收相匹配時(shí)，器件的光電流顯著增強(qiáng)。通過(guò)改變銀納米片與活性層之間的距離，研究了等離子體共振增強(qiáng)電磁場(chǎng)的傳遞特性。兩者的距離越近則耦合入活性層的電磁場(chǎng)越強(qiáng)，器件的光電流越高。經(jīng)優(yōu)化后，以P3HT∶PCBM為活性層的有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率由3.04%增長(zhǎng)到3.82%，提高了26%。

表面等離子體效應(yīng)； 銀納米片； 能量轉(zhuǎn)換效率； 有機(jī)太陽(yáng)能電池

1 引 言

有機(jī)太陽(yáng)能電池[1-6]由于化學(xué)結(jié)構(gòu)可控、成本低、制備工藝簡(jiǎn)單、柔軟可折疊等優(yōu)點(diǎn)而具有光明的應(yīng)用前景。然而，有機(jī)材料的光吸收系數(shù)較低，激子擴(kuò)散能力較弱，造成了有機(jī)太陽(yáng)能電池器件的最佳吸收厚度(大于100 nm，“光厚”)與激子擴(kuò)散長(zhǎng)度(10 nm左右，“電薄”)的不協(xié)調(diào)[7]，嚴(yán)重限制了器件的光電轉(zhuǎn)換效率，迫切需要通過(guò)合理的設(shè)計(jì)材料與器件體系來(lái)解決這些問(wèn)題。

目前，已有多種方法通過(guò)增強(qiáng)有機(jī)材料的光吸收和利用率來(lái)降低活性層厚度，減少激子擴(kuò)散的距離，提高太陽(yáng)能電池的效率[8-11]。其中在有機(jī)太陽(yáng)能電池中引入具有表面等離子體作用的金屬納米結(jié)構(gòu)是一種很有效的方法[12-16]。金屬納米結(jié)構(gòu)可以作為散射中心，增加光在器件中的傳播路徑，從而增加吸收層對(duì)光的利用。此外，由于金屬納米結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的表面等離子體共振，在納米結(jié)構(gòu)的近場(chǎng)區(qū)域會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁場(chǎng)，與活性層耦合產(chǎn)生大量電子-空穴對(duì)，增加有效吸收截面。研究發(fā)現(xiàn)，金屬的表面等離子體共振特性受金屬納米結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸以及納米材料的周圍環(huán)境材料的影響[17-19]。通過(guò)控制這些參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)可控的表面等離子體共振效應(yīng)，是一個(gè)非常重要的研究課題。

除此之外，在太陽(yáng)能電池中，為了防止金屬納米結(jié)構(gòu)造成激子復(fù)合[20]，通常情況下會(huì)用緩沖層將金屬納米結(jié)構(gòu)和活性層隔開(kāi)。然而由于等離子體共振產(chǎn)生的電磁場(chǎng)具有近場(chǎng)性，耦合效應(yīng)隨距離增加而減小，且其作用時(shí)間非常短(10～50 fs)[8,21]，所以緩沖層的加入不可避免地會(huì)影響等離子體近場(chǎng)耦合入活性層。Du等[22]制備了一種表面修飾的Ag@oxide納米片結(jié)構(gòu)，通過(guò)氧化物的修飾，降低了激子在其表面猝滅的幾率。他們將這種材料直接加入到有機(jī)太陽(yáng)能電池的活性層中，使光電轉(zhuǎn)換效率提高了31%。然而，金屬納米顆粒表面包覆的過(guò)程比較復(fù)雜，也局限于化學(xué)法制備的金屬材料，這在一定程度上限制了這種核殼納米結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。

本文通過(guò)溶液法合成銀納米片，并制備了結(jié)構(gòu)為ITO/AgNPs/PEDOT∶PSS/P3HT∶PCBM/Li/Al的有機(jī)太陽(yáng)能電池。 通過(guò)改變銀納米片的制備條件控制其表面等離子體共振吸收峰位，研究了銀納米片的表面等離子共振吸收峰位變化對(duì)器件光吸收及光電轉(zhuǎn)換效率的影響。進(jìn)一步通過(guò)改變PEDOT∶PSS緩沖層的厚度，研究了銀納米片等離子共振作用距離對(duì)器件效率的影響。通過(guò)優(yōu)化銀納米片的等離子共振吸收光譜和活性層的光吸收光譜的匹配度以及緩沖層的厚度，使電池的光電轉(zhuǎn)換效率提高了26%。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 銀納米三角片的制備

銀納米片按照文獻(xiàn)[23]報(bào)道的方法合成。通過(guò)改變不同的種子溶液量合成了不同形狀和尺寸的銀納米片。將加入100，80，60，40，20 μL的種子溶液對(duì)應(yīng)的樣品依次命名為A1、A2、A3、A4和A5。為了將銀納米片更好地吸附在ITO玻璃上，對(duì)ITO玻璃進(jìn)行了氨基化處理。ITO玻璃分別在丙酮、異丙醇以及去離子水中超聲15 min，然后將其放在真空干燥箱中干燥1 h。將干燥后的ITO玻璃浸泡在異丙醇、乙酸以及三氨基丙基三乙氧基硅烷的混合溶液中進(jìn)行氨基化處理，5 h后，取出ITO玻璃，用去離子水反復(fù)沖洗，氮?dú)獯蹈伞Ｗ詈髮TO玻璃放入之前準(zhǔn)備好的銀納米片溶液中浸泡1 h，完成銀納米片在ITO玻璃上的自組裝。

2.2 有機(jī)太陽(yáng)能電池器件的制備

在干燥的ITO基底上(包括自組裝銀納米片的ITO玻璃及未組裝銀納米片的ITO玻璃)旋涂PEDOT∶PSS緩沖層，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，時(shí)間為40 s。然后將樣品在氬氣的環(huán)境中120 ℃下熱處理1 h。將熱處理好的樣品取出，旋涂P3HT∶PCBM作為活性層，轉(zhuǎn)速為800 r/min，時(shí)間為12 s。將樣品放在氬氣的環(huán)境中100 ℃下熱處理10 min。取出部分樣品，在大氣環(huán)境中測(cè)試吸收光譜及熒光光譜。剩余的樣品用來(lái)繼續(xù)組裝器件，在10-6Pa的真空度下，在活性層上蒸鍍LiF和金屬Al電極。未組裝銀納米片的ITO玻璃制備得到的器件樣品命名為Control。為了更好地研究PEDOT∶PSS的厚度對(duì)器件性能的影響，選取A2以及Control器件作為對(duì)比，調(diào)整PEDOT∶PSS緩沖層的轉(zhuǎn)速分別為500，3 000，6 000 r/min，以實(shí)現(xiàn)不同的緩沖層厚度。

2.3 樣品表征

采用透射電子顯微鏡(TEM,JEOL JEM-2100)觀察樣品的尺寸以及形貌。采用UV-4100紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)量材料的吸收光譜。采用CrownTech QEM-24-S型1/4分光儀測(cè)試器件的外量子效率。采用由Newport 9402a-1000型模擬太陽(yáng)光光源以及Keithley2400型數(shù)字表組成的系統(tǒng)測(cè)量太陽(yáng)能電池的電流-電壓(I-V)曲線。采用穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)光譜儀(FL 3-2-IHR221-NIR-TCSPC)測(cè)試光致發(fā)光(PL)光譜。采用Tencor D-100表面輪廓儀測(cè)量薄膜厚度。采用Bruker Innova原子力顯微鏡測(cè)試AFM圖譜。

3 結(jié)果與討論

3.1 銀納米片的結(jié)構(gòu)與光譜測(cè)試

圖1(a)顯示的是加入不同種子溶液制備得到的銀納米片的透射電子顯微鏡照片。從圖中可以看出，隨著種子溶液量的減少，銀納米片的尺寸隨之增大，同時(shí)由不規(guī)則的形狀逐漸變?yōu)殂y納米片。樣品A5中有大量的銀納米片以及一些小的不規(guī)則納米顆粒(20 nm)。圖1(a)中的插圖為銀納米片的溶液顏色，可以看到溶液的顏色隨著銀納米片的大小和形貌變化而變化。圖1(b)為樣品A2吸附在ITO玻璃上測(cè)得的AFM圖，銀納米片在ITO玻璃上呈單層吸附，分布均勻，密度適中。圖1(c)為銀納米片溶液的紫外-可見(jiàn)吸收光譜。從圖中可見(jiàn)，種子溶液的吸收峰位在400 nm左右，對(duì)應(yīng)了銀納米顆粒典型的表面等離子體共振吸收。銀納米片的等離子共振吸收峰涵蓋400～700 nm波段。隨著種子溶液的減少，銀的等離子共振吸收峰逐漸發(fā)生紅移，樣品A4和A5產(chǎn)生了兩個(gè)吸收峰，分別對(duì)應(yīng)于銀納米顆粒與銀納米片的偶極子和四極子等離子共振吸收，這也與SEM圖像中出現(xiàn)了兩種粒徑的顆?，F(xiàn)象相吻合。研究結(jié)果表明，通過(guò)改變銀納米片的制備條件能夠有效調(diào)節(jié)銀納米片的尺寸和形貌，進(jìn)一步調(diào)節(jié)銀的等離子共振吸收峰位。

我們?cè)贑ontrol樣品及A1～A5樣品上分別旋涂PEDOT∶PSS及P3HT∶PCBM(結(jié)構(gòu)為ITO/AgNPs/PEDOT∶PSS/P3HT∶PCBM)，測(cè)試P3HT∶PCBM在銀納米片影響下的光學(xué)性能。 如圖2(a)的吸收光譜所示，Control樣品的吸收范圍為300～650 nm，峰位在550 nm左右，對(duì)應(yīng)于P3HT∶PCBM的經(jīng)典吸收。 加入銀納米片后，P3HT∶PCBM的吸收峰位基本沒(méi)有變化，而強(qiáng)度發(fā)生了顯著的變化。

圖1 (a)加入不同種子溶液得到的銀納米片的透射電子顯微鏡圖，圖中插圖為銀納米片對(duì)應(yīng)的溶液顏色；(b)樣品A2吸附在ITO玻璃上測(cè)得的AFM圖；(c)銀納米片的紫外-可見(jiàn)吸收光譜。

Fig.1 (a) TEM images of Ag nanoprims with different seed solution in different color. (b) AFM image of sample A2. (c) Normalized UV-visible absorption spectra of the samples.

對(duì)于樣品A1～A4，在400～650 nm范圍能夠觀察到明顯的吸收增強(qiáng)；而A5的吸收強(qiáng)度卻反而下降。結(jié)合圖1(b)分析認(rèn)為，對(duì)于A1～A4的銀納米片，其等離子共振吸收峰與P3HT∶PCBM活性層的吸收峰波段重疊程度較高，有利于促進(jìn)活性層的光吸收。其中A2的光譜匹配度最高，因此樣品的吸收強(qiáng)度也最高。而對(duì)于樣品A5，其吸收峰位與活性層的吸收峰位恰好不重疊，所以A5的吸收強(qiáng)度較低。圖2(b)為上述結(jié)構(gòu)的PL光譜。樣品A1～A4的光致發(fā)光強(qiáng)度要明顯高于沒(méi)有銀納米結(jié)構(gòu)的樣品，與吸收光譜相吻合。光致發(fā)光的強(qiáng)度受樣品光吸收(激子產(chǎn)生)與界面特性(激子復(fù)合)的共同影響。等離子共振吸收與活性層吸收之間良好的光譜匹配有效地促進(jìn)了光吸收，強(qiáng)的表面等離子體共振電磁場(chǎng)能夠耦合出更多的激子，從而增大發(fā)光強(qiáng)度。與此同時(shí)，樣品A5的光致發(fā)光強(qiáng)度要明顯低于經(jīng)典器件，這可能是因?yàn)殂y納米片吸收大量的光子，在活性層中產(chǎn)生了吸收陰影，降低了光生載流子的形成；另外，較大的顆?？赡軙?huì)產(chǎn)生較差的界面接觸，增大缺陷濃度，導(dǎo)致激子非輻射復(fù)合。因此可以認(rèn)為，高的光譜匹配度能夠提高等離子體共振增強(qiáng)光吸收的效果，進(jìn)而提高太陽(yáng)能電池器件的光電轉(zhuǎn)化效率。

圖2 結(jié)構(gòu)為ITO/AgNPs/PEDOT∶PSS/P3HT∶PCBM的器件的吸收光譜(a)和光致發(fā)光光譜(b)

Fig.2 Optical absorption spectra (a) and PL spectra (b) of the devices with structure of ITO/AgNPs/PEDOT∶PSS/P3HT∶PCBM

3.2 太陽(yáng)能電池性能測(cè)試

圖3(a)顯示的是在AM1.5G的光照條件下的太陽(yáng)能電池器件的J-V曲線。器件的詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1?？梢钥闯?，不含有銀納米片的經(jīng)典器件的光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)為3.04%，短路電流為8.51 mA/cm2，開(kāi)路電壓為0.59 V，填充因子為61%。引入銀納米片之后，開(kāi)路電壓沒(méi)有明顯的變化，說(shuō)明銀納米片沒(méi)有影響到器件內(nèi)建電場(chǎng)的特性。光譜匹配度最好的器件A2的光電轉(zhuǎn)換效率為3.75%，短路電流為10.10 mA/cm2，開(kāi)路電壓為0.60 V，填充因子為60%。相比于經(jīng)典器件，器件A2的短路電流增加了17%，效率提高了23%。圖3(b)顯示的是樣品在沒(méi)有光照條件下的J-V曲線。樣品A1～A4和經(jīng)典器件的整流比幾乎一致，這也進(jìn)一步證明銀納米片的加入沒(méi)有產(chǎn)生顯著的激子復(fù)合，影響器件的內(nèi)建電場(chǎng)特性。而樣品A5的反向電流升高，結(jié)合TEM圖，我們認(rèn)為較大和不均勻的銀納米片可能會(huì)產(chǎn)生較大的表面粗糙度，增加缺陷密度，影響界面結(jié)合性能，導(dǎo)致激子復(fù)合。與A5的器件性能數(shù)據(jù)相對(duì)照，可以看出器件的填充因子及短路電流密度顯著下降，原因一方面是由于光譜不匹配造成的器件光電流下降，另一方面則是由于銀納米片的加入影響了器件的傳輸特性。圖3(c)顯示的是樣品的外量子效率曲線。外量子效率曲線與P3HT∶PCBM活性層的紫外-可見(jiàn)吸收峰形狀相吻合。其中器件A2在510 nm處的外量子效率最高，轉(zhuǎn)化率為60.09%。器件A5的外量子效率最低。與圖2相互佐證，可以認(rèn)為當(dāng)銀納米片的表面等離子體共振吸收與活性層的吸收之間具有更好的光譜匹配時(shí)，能夠促進(jìn)活性層的光吸收，從而產(chǎn)生更多的激子，提高器件的短路電流。

圖3 (a)在AM1.5的光照條件下的太陽(yáng)能電池器件的J-V曲線；(b)無(wú)光照條件下的太陽(yáng)能電池器件的J-V曲線；(c) 太陽(yáng)能電池器件的外量子效率。

Fig.3 (a)J-Vcharacteristics of the solar cells under the illumination of AM1.5G, 100 mW/cm2. (b)J-Vcharacteristics of the solar cells in dark. (c) External quantum efficiency of the solar cells.

表1 電池器件在光照下的性能參數(shù)

表2 不同PEDOT∶PSS厚度下含有銀納米片(A2)的電池器件在光照下的性能參數(shù)

Table 2 Summary of parameters for control and experimental devices based on AgNPs (A2) with different thickness of PEDOT∶PSS layer estimated from theJ-Vcurves

CoatingspeedofPEDOT∶PSS/(r·min-1)Voc/VJsc/(mA·cm-2)FF/%ηPCE/%Controldevice0.598.51613.045000.599.46613.3130000.6010.10623.7560000.6011.08603.82

表3 不同PEDOT∶PSS厚度下不含有銀納米片(Control)的電池器件在光照下的性能參數(shù)

Table 3 Summary of parameters for control device with different thickness of PEDOT∶PSS layer estimated fromJ-Vcurves

CoatingspeedofPEDOT∶PSS/(r·min-1)Voc/VJsc/(mA·cm-2)FF/%ηPCE/%5000.608.44613.103000(Control)0.598.51613.0460000.608.58603.01

圖4 (a) 結(jié)構(gòu)為ITO/AgNPs(A2)/PEDOT∶PSS/P3HT∶PCBM/LiF/Al的器件的J-V曲線，PEDOT∶PSS緩沖層的旋涂轉(zhuǎn)速分別為500，3 000，6 000 r/min；(b) 結(jié)構(gòu)為ITO/PEDOT∶PSS/P3HT∶PCBM/LiF/Al的器件的J-V曲線，PEDOT∶PSS緩沖層的旋涂轉(zhuǎn)速分別為500，3 000，6 000 r/min。

Fig.4 Current density-voltage (J-V) characteristics of the devices under illumination. (a) ITO/AgNPs (A2)/PEDOT∶PSS/P3HT∶PCBM/LiF/Al, the coating speed of PEDOT∶PSS buffer layer is 500, 3 000, 6 000 r/min, respectively. (b) ITO/PEDOT∶PSS/P3HT∶PCBM/LiF/Al, the coating speed of PEDOT∶PSS buffer layer is 500, 3 000, 6 000 r/min, respectively.

我們進(jìn)一步研究了銀的等離子共振增強(qiáng)電磁場(chǎng)對(duì)器件性能的影響。PEDOT∶PSS緩沖層的厚度通過(guò)旋涂速度來(lái)控制。采用臺(tái)階儀測(cè)試了旋涂速度為500，3 000，6 000 r/min的緩沖層厚度，分別為240，60，35 nm左右。圖4(a)顯示的是在銀納米片(A2)上旋涂不同厚度PEDOT∶PSS緩沖層的電池器件的J-V曲線，表2為對(duì)應(yīng)的性能參數(shù)。隨著緩沖層厚度的減少，短路電流有了明顯的提高。當(dāng)旋涂轉(zhuǎn)速為6 000 r/min時(shí)，器件的短路電流提高到了11.08 mA/cm2，器件的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到3.82%。與Control器件相比，效率提高了26%。圖4(b)顯示的是沒(méi)有銀納米片的器件中緩沖層的厚度對(duì)器件性能的影響。可以看出，改變PEDOT∶PSS的厚度沒(méi)有對(duì)器件的性能產(chǎn)生明顯的影響。 因此可以認(rèn)為，當(dāng)含有銀納米片時(shí)，器件的性能的提高與銀納米片的表面等離子體共振作用有關(guān)。因?yàn)楸砻娴入x子體共振產(chǎn)生的電磁場(chǎng)具有近場(chǎng)增強(qiáng)的特性，從金屬與活性層的界面處開(kāi)始，距離金屬越近的區(qū)域耦合到的電磁場(chǎng)就越強(qiáng)，所以當(dāng)PEDOT∶PSS緩沖層的厚度降低時(shí)，表面等離子體共振產(chǎn)生的電磁場(chǎng)能夠更多地與活性層耦合，產(chǎn)生更多的激子，進(jìn)而提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率。

4 結(jié) 論

將銀納米片引入有機(jī)太陽(yáng)能電池，研究銀納米片的表面等離子體共振增強(qiáng)器件性能的機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)銀納米片的等離子體共振吸收與活性層的吸收有良好光譜匹配時(shí)，能夠促進(jìn)活性層對(duì)光的吸收。銀納米片與活性層的距離越近，耦合進(jìn)入活性層的電磁場(chǎng)就越多，電池器件的光電流隨之提高。通過(guò)優(yōu)化銀納米片的尺寸與銀納米片與活性層之間的距離，器件的效率提高到3.82%，與經(jīng)典器件相比提高了26%。

[1] Tian M M, Li C J, He X G,etal. Preparation and characteristic of organic solar cells based on novel transparent conducting oxides [J].Chin.J.Lumin.(發(fā)光學(xué)報(bào)), 2013, 34(2):192-196 (in Chinese).

[2] Li W M, Guo J C, Zhou B. Solvent evaporation time dependent recombination properties in bulk heterojunction organic solar cells [J].Chin.J.Lumin.(發(fā)光學(xué)報(bào)), 2015, 36(4):437-442 (in Chinese).

[3] Mohamed Z, Lucas A H, Gordon J,etal. Organic solar cells [J].Neut.Appl.Mater.Energy, 2015, 1:109-135.

[4] Qiao L F, Dan W, Zuo L J,etal. Localized surface plasmon resonance enhanced organic solar cell with gold nanospheres[J].Appl.Energy, 2011, 88(3):848-852.

[5] You J B, Dou L T, Ken Y,etal. A polymer tandem solar cell with 10.6% power conversion efficiency [J].Nat.Commun., 2012, 4:1446-1451.

[6] Johannes K, Tobias S, Moses R,etal. Spray-coated silver nanowires as top electrode layer in semitransparent P3HT∶PCBM-based organic solar cell devices [J].Adv.Funct.Mater., 2013, 23:1711-1717.

[7] Hou J H, Chen Y, Zhang S,etal. Synthesis of a low band gap polymer and its application in highly efficient polymer solar cells [J].J.Am.Chem.Soc., 2009, 131(43):15586-15587.

[8] Lindquist N C, Luhman W A, Oh S H,etal. Plasmonic nanocavity arrays for enhanced efficiency in organic photovltaic cells [J].Appl.Phys.Lett., 2008, 93(12):123308-1-3.

[9] Fan S Q, Fang B, Kim J H,etal. Ordered multimodal porous carbon as highly efficient counter electrodes in dye-sensitized and quantum-dot solar cells [J].Langmuir, 2010, 26:13644-13649.

[10] Seol M, Kim H, Tak Y,etal. Novel nanowire array based highly efficient quantum dot sensitized solar cell [J].Chem.Commun., 2010, 46:5521-5526.

[11] Law M, Greene L E, Johonson J C,etal. Nanowire dye-sensitized solar cells [J].Nat.Mater., 2005, 4:455.

[12] Yun S J, Hans D R, Mikhail I K. Modeling electronic structure and transport properties of graphene with resonnat scattering centers [J].Phys.Rev. B, 2010, 82(11):115448-1-7.

[13] Nafiseh S, Nima T, Azam I. Fabraication of silver microspheres as metallic scattering centers in dye-sensitized solar cells: Light harvesting [J].J.Energy, 2012, 2(2):21-27.

[14] Javis A N, Oliver W, Andrea P,etal. Optical path length calibration: A standard approch for use in absorption cell-based IR-spectrometric gas analysis [J].Int.J.Spectrosc., 2014, 9(13):132607-1-7.

[15] Sandu T, Boldeiu G. How shape affects plasmonic properties of metallic nanosperes [J].DigestJ.Nanomater.Bio., 2014, 9(3):1255-1262.

[16] Ye X C, Fei J Y, Benjamin T D,etal. Expanding the spectral tunability of plasmonic resonances in doped metal-oxide nanocrystals through cooperative cation-anion codoping [J].J.Am.Chem.Soc., 2014, 5(3):9903-9907.

[17] Catchpole K, Polman A. Design principles for particle plasmon enhanced solar cells [J].Appl.Phys.Lett., 2008, 93(19):191113-1-3.

[18] Harry A A, Albert P. Plasmonic for improvced photovoltaic devices [J].Nat.Mater., 2010, 9:205-210.

[19] Li X H, Wallace C H, Haifei L,etal. Efficiency enhancement of organic solar cells by using shape-denpendant broadband plasmonic absorption in metallic nanoparticles [J].Adv.Funct.Mater., 2013, 2:476-480.

[20] Abbaszadeh D, Wetzelaer G A H, Nicolai H T,etal. Exciton quenching at PEDOT∶PSS anode in ploymer blue-light-emitting diodes [J].J.Appl.Phys., 2014, 116(22):224508-1-6.

[21] Atwater H A, Polman A. Plasmonics for improved photovoltaic devices [J].Nat.Mater., 2010, 9(3):205-210.

[22] Du P, Jing P T, Li D,etal. Plasmonic Ag@oxide nanoprisms for enhanced performance of organic solar cells [J].Small, 2015, 2:757-762.

[23] Hark S N, Eun H C, Hyo M K,etal. Organic solar cells using plasmonics of Ag nanoprisms [J].Org.Electron., 2013, 14:278-285.

Mechanism of Surface Plasmon Enhancement in Polymer Solar Cells with Ag Nanoprisms

ZOU Run-qiu1,2, QIN Wen-jing1,2*, Zhang Qiang1,2,YANG Li-ying1,2, CAO Huan-qi1,2,YIN Shou-gen1,2

(1.InstituteofMaterialPhysics,TianjinUniversityofTechnology,Tianjin300384,China;2.KeyLaboratoryofDisplayMaterialandPhotoelectricDevices(MinistryofEducation),TianjinUniversityofTechnology,Tianjin300384,China)*CorrespondingAuthor,E-mail:wjqin@tjut.edu.cn

Ag nanoprisms (AgNPs) were introduced in polymer solar cells to improve the light absorption and performance. By changing the size and morphology of AgNPs, different plasmonic resonance characteristics were obtained. The device with good spectral overlap between AgNPs SPRs and active layer exhibited the highest photocurrent. The influence of electromagnetic scattering by AgNPs in the polymer solar cell was further investigated by changing the thickness of PEDOT∶PSS buffer layer. It is found that more local electromagnetic near-fields couple to the photoactive layer with the decreasing of the thickness of PEDOT∶PSS layer. By optimizing the thickness of PEDOT∶PSS buffer layer and the spectral overlap between Ag nanoprisms and active layer, the power conversion efficiency of polymer solar cells with a structure of ITO/AgNPs/PEDOT∶PSS/P3HT∶PCBM/LiF/Al is raised to 3.82%, which is 1.26 times than that of the control device without AgNPs layer.

plasmon; Ag nanoprisms; power conversion efficiency; polymer solar cells

鄒潤(rùn)秋(1989-)，男，安徽銅陵人，碩士研究生，2011年于魯東大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池方面的研究。Email： zrq19890928@gmail.com

秦文靜(1982-)，女，山東鄒城人，副教授，2010于天津大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事納米功能材料及有機(jī)太陽(yáng)能電池方面的研究。Email: wjqin@tjut.edu.cn

1000-7032(2015)07-0788-07

2015-04-20；

2015-05-14

國(guó)家自然科學(xué)基金(51402214)； 天津自然科學(xué)基金(14JCTJC00565,13JCYBJC18900，10ZCKFGX01900，10SYSYJC28100)； 863國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(2013AA014201)資助項(xiàng)目

TN304； TM914.4

A

10.3788/fgxb20153607.0788