蘭偉霞 顧嘉陸 高曉輝 廖英杰 鐘宋義?張衛(wèi)東 彭艷 孫鈺 魏斌

1) (海洋智能無人系統(tǒng)裝備教育部工程研究中心, 上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院, 上海 200444)

2) (上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院, 微米/納米加工技術(shù)國家級重點實驗室, 上海 200240)

3) (新型顯示技術(shù)及應(yīng)用集成教育部重點實驗室, 上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院, 上海 200444)

1 引 言

隨著生活質(zhì)量和生產(chǎn)水平的不斷提升, 人類對能源的需求越來越大.當前, 主流的不可再生能源,如煤、石油和天然氣等面臨著在百年內(nèi)枯竭的危機, 而被寄予厚望的氫能、核能等清潔能源卻依舊無法突破技術(shù)瓶頸, 尚不能完全取代化石能源, 因此能源問題已經(jīng)成為了制約當今社會發(fā)展的瓶頸問題.太陽能作為一種取之不盡用之不竭的清潔能源, 受到了人們越來越多的關(guān)注.我國的大部分地區(qū)都處在北緯18°—53°之間, 太陽能資源豐富, 有極大的發(fā)展優(yōu)勢.有機太陽能電池 (organic solar cells, OSCs) 作為太陽能光伏產(chǎn)業(yè)中重要的組成部分, 越來越受到人們的關(guān)注.相對于硅基太陽能電池、鈣鈦礦電池和染料敏化電池, OSCs制造成本低、材料來源廣、制備工藝簡單, 具有輕量、柔性、超薄、透明等優(yōu)勢, 便于運輸以及靈活部署, 對大規(guī)模利用太陽能提供廉價電能具有重要意義, 尤其半透明有機太陽能電池被認為是最有可能在將來的建筑光伏一體化領(lǐng)域得到應(yīng)用的一種光伏器件.半透明太陽能電池在吸收光能轉(zhuǎn)化為電能的同時,能夠讓部分的可見光透過, 從而保證一定的透明度和顯色性.顯色性能夠增加太陽能電池本身的特色, 使其在光伏建筑一體化和可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用更加具有吸引力.目前, 半透明OSCs主要存在兩方面的問題[1]: 1) 器件光電轉(zhuǎn)換效率 (photoelectric conversion efficiency, PCE)相對較低, 由于有機材料光吸收較弱, 半透明有機太陽能電池效率普遍較低, 單結(jié)電池效率一般在7% 左右; 2) 常規(guī)的有機太陽能電池器件無法調(diào)節(jié)自身的透射光譜,顯色性不可調(diào), 實現(xiàn)高顯色指數(shù)、高自然光指數(shù)的半透明器件的制備方法有待進一步研究.光子晶體(photonic crystals, PCs) 的引入可以有效地解決這兩個問題, 通過改變器件透射或者反射特定的光譜, 與活性層的吸收譜相匹配, 提高器件光吸收效率, 同時調(diào)節(jié)器件顯色性, 實現(xiàn)彩色外觀.

由于光子禁帶的存在, PCs可以通過改變OSCs器件的反射或透射光譜, 提高活性層的光吸收能力, 進而提升PCE.另外, 一些PCs, 由于包含納米陣列、金屬納米顆粒和石墨烯等結(jié)構(gòu), 會同時激發(fā)共振效應(yīng)[2]、邊界態(tài)效應(yīng)[3]、表面等離激元激發(fā)效應(yīng)[4]和光學(xué)Tamm態(tài) (optical Tamm states)[5]等增益, 進一步提升OSCs性能.

本文主要就PCs的定義、結(jié)構(gòu)、設(shè)計方法以及其在有機太陽能電池上的應(yīng)用進行綜述, 對于PCs改善有機太陽能電池性質(zhì)的機理進行討論, 最后對其研究的進一步發(fā)展做出總結(jié)和展望.

2 光子晶體的基本原理

PCs在1987年被首次提出, 指由具有不同折射率的材料在空間中周期性排列形成的一種人造周期性電介質(zhì)結(jié)構(gòu)[6].PCs即光子禁帶材料, 受布拉格散射的影響, 能量處在光子帶隙內(nèi)的光子, 不能在此周期性結(jié)構(gòu)中傳播[7].光子禁帶的存在使光的傳播被限制在特定的能帶之中.通過設(shè)計PCs的結(jié)構(gòu), 光子禁帶可以被人為調(diào)整, 從而實現(xiàn)PCs器件對光場分布的按需調(diào)控.

PCs按維度一般可以分為3類: 一維光子晶體(one-dimensional photonic crystals, 1DPCs)、二維光子晶體 (two-dimensional photonic crystals,2DPCs) 和三維光子晶體 (three-dimensional photonic crystals, 3DPCs).三種PCs的理論模型如圖1所示.

圖1 光子晶體結(jié)構(gòu)示意圖: (a) 一維; (b) 二維; (c) 三維Fig.1.Schematic diagram of photonic crystal: (a) One-dimensional; (b) two-dimensional; (c) three-dimensional.

2.1 一維光子晶體的優(yōu)化原理

1DPCs相當于不同折射率的材料或者介質(zhì)按照一定的順序交替堆疊形成的多層結(jié)構(gòu), 其折射率在一個方向上呈現(xiàn)固定的周期波動.當前, 主流的低折射率材料主要有SiO2, LiF等; 高折射率材料主要選擇TiO2, WO3等.一些聚合物, 如聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等, 被應(yīng)用于制作柔性1DPCs.

對于最簡單的(A/B)N型1DPCs (A和B為組成1DPCs的兩種不同折射率的材料,N為周期數(shù)), 1DPCs的光學(xué)周期d與其光子禁帶的中心波長λ0有關(guān)[8]:

其中,nA和nB為A和B兩種材料的折射率;dA和dB為A和B兩種材料的厚度;λ0為光子禁帶的中心波長;X為可調(diào)參數(shù), 計算時一般取1.

為實現(xiàn)對于1DPCs的光子禁帶的可調(diào)控性,在設(shè)計時一般針對特定λ0轉(zhuǎn)求dA和dB.通常取nAdA=nBdB, 采用(2)式可確定dA和dB:

其中,ω0為光子禁帶的中心頻率,c為光速.

當前研究人員主要將1DPCs應(yīng)用于半透明有機太陽能電池 (semitransparent organic solar cell,STOSC).利用氣相沉積工藝, 將1DPCs沉積在STOSC的透明頂電極上.在設(shè)計1DPCs的具體結(jié)構(gòu)時, 其光子禁帶設(shè)計為與器件活性層的吸收光譜相匹配.當入射光穿過STOSC并到達1DPCs時, 由于光子禁帶的存在, 部分波長的光無法在1DPCs內(nèi)進行傳輸, 被全反射回STOSC器件的活性層中, 活性層對光子的重新吸收有效地提高了器件的PCE.1DPCs還可以有效地調(diào)控器件的透射光譜, 豐富器件的顯色性.由于光子禁帶的存在,特定波長的可見光無法透射出1DPCs, 且1DPCs的周期性結(jié)構(gòu)可以使光在1DPCs表面形成相干衍射, 有效地調(diào)控了器件的透射光譜, 增強了器件的透射顏色的多樣性與顯色性[9].

2.2 二維、三維光子晶體的優(yōu)化原理

2DPCs一般由平行且均勻排列的棒桿狀材料組成, 其在二維空間的各個方向上都具有光子禁帶, 其折射率在相互垂直的兩個方向上呈現(xiàn)周期性變化.在實際應(yīng)用中, 通常將2DPC結(jié)構(gòu)嵌入平面介質(zhì)中, 制備成2DPC板, 或是利用互穿光纖形成光子光纖板 (photonic fiber plate, PFP)[10], 以此來增強器件的光吸收.調(diào)整組成2DPCs的材料的周期分布結(jié)構(gòu), 使光在其中達到最大化的遍歷與傳播, 是提高基于2DPCs的有機太陽能電池器件性能的有效方法.通過改變2DPCs的平均折射率或材料間的平面間距來控制2DPCs光子禁帶的位置, 當光垂直入射并通過2DPCs時, 光會發(fā)生衍射, 并遵循布拉格定律[9]:

其中,λD是衍射波長,na是平面間距,dnkl是平均折射率,θD是布拉格衍射角.

3DPCs在三維中所有方向上都具有光子禁帶,其折射率在空間上的相互垂直的3個方向上呈現(xiàn)周期性變化.反蛋白石 (inverse opal, IO) 是最常見的3DPCs類型[11].由于IO結(jié)構(gòu)呈周期性排列,內(nèi)部孔隙較大且具有較大的連通孔和比表面積, 可以有效地滲透液態(tài)物質(zhì), 因此IO主要用于具有電解質(zhì)的染料敏化電池性能的增強[12].目前尚無基于3DPCs的有機太陽能電池的報道.

3 光子晶體在有機太陽能電池中的應(yīng)用

3.1 一維光子晶體的應(yīng)用

1DPCs因其簡單的設(shè)計方法和簡易的制備流程, 在有機太陽能電池中應(yīng)用頗為廣泛, 尤其是對于STOSC器件.1DPCs通常在STOSC器件中充當反射器的角色, 利用其光子禁帶的特性, 1DPCs將一部分特定波長的光反射回STOSC的活性層,增強活性層的光吸收能力, 從而提升器件的PCE及短路電流密度 (short circuit current density,JSC).

Yu等[13]利用WO3和LiF制備了周期數(shù)為N的1DPCs—(WO3/LiF)N, 并將其應(yīng)用到了基于活性層為PSBTBT:PCBM體系的器件中, 器件結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示.將(WO3/LiF)N的中心波長λ0設(shè)置為與PSBTBT:PCBM的吸收峰匹配的波長,PSBTBT:PCBM的吸收峰波長范圍大約為580—780 nm, 故取λ0= 680 nm, 利用(1)式計算出每層WO3和LiF的厚度分別為81.6 nm和118.3 nm.N取不同值時(WO3/LiF)N的反射光譜和透射光譜如圖2(b)和圖2(c)所示.(WO3/LiF)N的反射率隨N的增大而增大, 透射率隨N的增大而減小.當N= 8時, 在580—780 nm的光子禁帶內(nèi),(WO3/LiF)8的反射率接近100%.圖2(a)所示的STOSC器件的具體性能參數(shù)如表1所列.制備有(WO3/LiF)8的STOSC器件具有最高的PCE和JSC, 分別達到了2.46%和7.90 mA/cm2, 與沒有1DPCs的器件相比, 分別提高了28.1%和31.67%.Yu等[13]將器件的PCE和JSC提高的原因總結(jié)為: (WO3/LiF)N在器件中作為分布式反射器, 設(shè)計時將光子禁帶設(shè)置為與PSBTBT:PCBM的吸收峰匹配的580—780 nm, 故580—780 nm的入射光的傳播受到限制, 被反射回活性層中, 活性層對光子的重吸收增強了活性層的光利用率, 進而提升了器件的PCE和JSC.

圖2 (a) 制備有(WO3/LiF)N的STOSC; (b) N取不同值時(WO3/LiF)N的反射光譜; (c) N取不同值時(WO3/LiF)N的透射光譜[13]Fig.2.(a) Structure of STOSC with (WO3/LiF)N; (b) reflection spectra of (WO3/LiF)N; (c) transmission spectra of (WO3/LiF)N[13].

表1 無/有(WO3/LiF)N 的STOSC器件的詳細性能參數(shù)[13]Table 1.Detailed performance parameters of STO SC devices without/with (WO3/LiF)N [13].

雖然將(WO3/LiF)N制備于基于PSBTBT:PCBM體系的器件的頂部能有效地提升STOSC的PCE和JSC, 但就絕對數(shù)值來看, 用此方法制備的器件性能依然較低, 不能滿足產(chǎn)業(yè)所需要求.2016年, Zhang等[14]利用SiO2和TiO2制備了新的1DPCs-(TiO2/SiO2), 其橫截面的掃描電子顯微鏡圖像如圖3(a)所示.SiO2和TiO2呈現(xiàn)明顯的周期性分層結(jié)構(gòu).同時, Zhang等[14]將聚(3, 4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸 (簡記為PEDOT:PSS)透明電極代替STOSC的金屬頂電極, 以此作為光的入射電極.1DPCs被制備于STOSC的底部,具體結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示.實驗表明, 采用此結(jié)構(gòu)的STOSC器件的最大PCE為5.20%, 最大JSC為12.25 mA/cm2, 為當時同類器件的最高值.PCE和JSC提高的原因主要為1DPCs的加入使器件產(chǎn)生了很強的微腔效應(yīng), 同時1DPCs作為反射器,能有效地增強活性層的光吸收能力.

圖3 (a) (TiO2/SiO2)橫截面的掃描電子顯微鏡圖像(比例尺為200 nm); (b) 制備有(TiO2/SiO2)的STOSC器件[14]Fig.3.(a) Cross-sectional scanning electron microscope images of (TiO2/SiO2) (Scale 200 nm); (b) the structure of STOSC with (TiO2/SiO2) [14].

1DPCs還可以調(diào)節(jié)STOSC的透射顯色性,使器件顏色呈現(xiàn)多樣性.常規(guī)的STOSC器件的透視顏色通常是不可調(diào)的, 1DPCs的加入可以調(diào)控器件的透射光譜, 提高透視顏色的多樣性.然而,利用傳統(tǒng)的1DPCs材料, 如MoO3, WO3, LiF和TiO2等制備的單層1DPCs, 只能將STOSC的透視顏色在紅色和中性顏色范圍內(nèi)調(diào)節(jié)[15-18], 難以獲得綠色.Liang等[19]利用疊層1DPCs, 在不減少其他顏色吸收的基礎(chǔ)上, 成功獲得了透視顏色為綠色的STOSC器件.制備有疊層1DPCs的STOSC結(jié)構(gòu)如圖4所示.疊層1DPCs由頂部1DPCs和底部1DPCs兩部分組成.兩者都采用TiO2和SiO2制備, 兩種PCs的光子禁帶中心波長互補.設(shè)置頂層PCs的中心波長為360 nm, 底層PCs的中心波長為580 nm, 制備的STOSC的透視顏色為藍色;設(shè)置頂層PCs的中心波長為400 nm, 底層PCs的中心波長為650 nm, 制備的STOSC的透視顏色為綠色; 設(shè)置頂層PCs的中心波長為470 nm, 底層PCs的中心波長為760 nm, 制備的STOSC的透視顏色為紅色.

圖4 具有疊層1DPCs的STOSC結(jié)構(gòu)[19]Fig.4.Configuration of the STOSC based on tandem 1DPCs [19].

Zheng等[20]利用聚甲基丙烯酸甲酯和聚苯乙烯制作了柔性一維光子晶體F-1DPCs, 并將其應(yīng)用到了全柔性微腔STOSC上, 器件結(jié)構(gòu)如圖5所示.器件采用PEDOT:PSS和紫外線/臭氧等離子體處理的聚合物/超薄金屬雜化電極作為陽極和陰極, 代替氧化銦錫 (indium-tin oxide, ITO) 達到全柔性的功能.實驗表明, 在使用F-1DPCs后, 無論是基于富勒烯或是非富勒烯的全柔性STOSC,其JSC都明顯增強, 相對于各自的基礎(chǔ)器件, 基于富勒烯 (PTB7:PCBM) 的全柔性STOSC的JSC增加了15.28%, 器件的PCE最高達到8.2%, 提高了23.4%.基于非富勒烯(J71:ITIC)的器件JSC增加了25.87%, PCE最高達到5.41%, 提高了26.4%.其中, PTB7:PCBM器件的PCE提升高于基于J71:ITIC的器件, Zheng等[20]將原因歸結(jié)為PTB7:PCBM活性層具有較寬的吸收峰和較低的吸收系數(shù), 而所設(shè)計的F-1DPCs能有效地提高低吸收系數(shù)活性層的光吸收.基于不同活性層體系制備的全柔性STOSC結(jié)合F-1DPCs的透視顏色對應(yīng)的國際照明委員會(Commission Internationale de L'Eclairage, CIE)色譜坐標如圖6(a)和圖6(b)所示.其中, 圖中的“紅星”為無F-1DPCs的基礎(chǔ)器件的透視顏色對應(yīng)的CIE坐標, S1, S2, S3和S4為制備有F-1DPCs的STOSC器件對應(yīng)的CIE坐標.圖6(b)表明, 基于非富勒烯J71:ITIC體系的全柔性STOSC的透視顏色在CIE顏色坐標上分布更加廣泛, 更適合應(yīng)用在需要強烈視覺感受的光伏產(chǎn)業(yè)中.

圖5 制備有F-1DFCs的全柔性STOSC器件結(jié)構(gòu)[20]Fig.5.Device structure of all-flexible STOSC with F-1DPCs [20].

圖6 STOSC的透視顏色對應(yīng)的CIE坐標[20] (a) 基于非富勒烯; (b) 基于富勒烯Fig.6.Corresponding CIE coordinates of all-flexible STOSC [20]: (a) With polymer F-1DPCs; (b) without polymer F-1DPCs.

綜上所述, 1DPCs的優(yōu)化機理可以總結(jié)為其固有的光子禁帶特性將特定波長的光反射回器件的活性層, 減少了光損失.活性層光吸收能力的增加顯著提高了器件的短路電流密度, 進而提高了PCE.由于STOSC的透視顏色與其顯色性主要取決于器件的透射光譜, 故顯色性的調(diào)控也可以歸結(jié)為1DPCs阻擋了一定波長的光透過器件, 剔除了噪聲波長, 從而實現(xiàn)了光的選擇性透射.

除了1DPCs, 一些微腔 (microcavity, MC)和介電鏡等結(jié)構(gòu)也可以改善STOSC器件的顯色性[21].如采用Ag/ITO/Ag三層MC結(jié)構(gòu)取代金屬電極, 可以獲得寬色帶且高純度色域的STOSC器件[22].但相較于1DPCs, ITO必須采用噴濺工藝進行制備, 制備過程復(fù)雜; 而且MC結(jié)構(gòu)受入射光的角度和波長的影響較大, 器件使用條件較為苛刻.另外, 一些窄帶隙電子受體, 如ATT-2等, 也可以有效提高器件的性能與顯色性[15].但這些材料都只處在實驗室研究階段, 合成成本較高且應(yīng)用面較窄, 難以推進商業(yè)化發(fā)展.相比之下, 制備1DPCs所需的材料來源廣泛且工藝簡單, 并且只需選擇合適的中心波長和周期數(shù)就能實現(xiàn)器件效率和顯色性的提升, 是目前較為理想的STOSC顯色性調(diào)控方案.

對于非半透明的OSCs, 1DPCs也可有效地提升其性能.Song等[23]使用ITO和氧化錫銻(antimony doped tin oxide, ATO)制備了一種新的1DPCs, 并將其替代了傳統(tǒng)的單層ITO電極作為器件的陽極.所制備的基于P3HT:PCBM體系的器件結(jié)構(gòu)如圖7(a)所示.相較于僅使用ITO電極的參考器件, P3HT:PCBM層的光吸收率大大提高, 在可見光范圍內(nèi)提高了35%.取1DPCs的周期數(shù)為1, 2, 3和4, P3HT:PCBM的模擬吸收光譜如圖7(b)所示.Song等[23]將器件性能提升的原因歸結(jié)為1DPCs的存在使光在活性層與Ag電極之間產(chǎn)生光學(xué)Tamm態(tài).光學(xué)Tamm態(tài)可以增強電矢量垂直和平行于器件平面的偏振光, 并且在Ag電極和活性層界面處強度達到最大.ITO-ATO型1DPCs的研究拓展了光子晶體在OSCs中的應(yīng)用范圍, 具有較高的參考價值.

圖7 (a) 器件結(jié)構(gòu); (b) 1DPCs具有不同周期數(shù)時P3HT:PCBM的模擬吸收光譜[23]Fig.7.(a) Device structure; (b) simulated absorptivity spectra in the P3HT:PCBM layer with different periods of 1DPCs [23].

3.2 二維光子晶體的應(yīng)用

2DPCs的結(jié)構(gòu)與制備方法較1DPCs要復(fù)雜得多.2DPCs的結(jié)構(gòu)一般包括微晶體組合、三角形、正方形或六邊形網(wǎng)絡(luò)蜂窩結(jié)構(gòu)和PFP等[24].具有納米陣列結(jié)構(gòu)的2DPCs可以在器件中激發(fā)多次共振效應(yīng)以提高器件的光吸收效率[25]; 若結(jié)構(gòu)中包含金屬納米粒子, 則能同時激發(fā)光散射效應(yīng)與表面等離子體共振效應(yīng), 從而促進有機太陽能電池器件性能的提升.

2DPCs可以直接通過圖案化器件的功能層進行制備[26].Duche等[27]使用納米壓印工藝, 將活性層PEHT:PCBM直接圖案化為2DPC結(jié)構(gòu).圖案化的P3HT:PCBM的掃描電子顯微鏡形貌如圖8所示.實驗表明, 2DPC結(jié)構(gòu)有效地增加了活性層中光子的壽命, 在其帶隙附近形成慢Bloch模式耦合效應(yīng)提高了活性層的光吸收能力, 有利于OSCs性能的提升.

圖8 圖案化的P3HT:PCBM 2DPC的掃描電子顯微鏡形貌[27]Fig.8.Scanning electron microscope image of 2D photonic crystal slab in P3HT:PCBM[27].

Jo等[28]利用多孔陽極氧化鋁 (anodic aluminum oxide, AAO) 制備了呈六角形分布的自組裝金納米粒子 (Au nanoparticles, Au NPs).Au NPs在AAO中的分布如圖9(a)所示, 基于此結(jié)構(gòu)的倒置OSCs器件結(jié)構(gòu)如圖9(b)所示, Au NPs-AAO內(nèi)嵌在活性層中.與沒有Au NPs-AAO的OSC器件相比, 含有Au NPs-AAO的器件具有更高的JSC和PCE, 分別提高了52.01%和41.12%.具體性能數(shù)據(jù)如表2所列.Jo等[28]將器件性能提升的原因歸結(jié)為Au NPs在器件中誘導(dǎo)激發(fā)了高效的表面等離激元共振效應(yīng)和光散射效應(yīng).表面等離子體共振效應(yīng)的激發(fā)使Au NPs周圍的電場局部增強, 這促進了活性層中產(chǎn)生激子的總數(shù); Au NPs可以降低AAO周圍填充的ZnO層的提取勢壘,抑制載流子復(fù)合, 增強ZnO層的電子傳輸能力; 另外, 由于Au NPs-AAO內(nèi)嵌在OSC器件的活性層中, Au NPs引起的光散射延長了入射光在活性層中傳播的光路, 從而提高了光吸收能力.

圖9 (a) Au NPs在AAO中的分布; (b) 制備有Au NPs-AAO的OSC器件結(jié)構(gòu)[28]Fig.9.(a) Distribution of Au NPs in AAO; (b) the OSC device with Au NPs-AAO [28].

表2 無/有Au NPs-AAO的OSC器件的詳細性能參數(shù)[28]Table 2.Detailed performance parameters of OSC devices without/with Au NPs-AAO [28].

Zhou等[29]從飛蛾的眼部結(jié)構(gòu)中得到靈感, 提出了一種雙面生物仿生式蛾眼納米結(jié)構(gòu)(moth’s eye nanostructures, MEN), 具有MEN的ZnO和紫外線固化樹脂模板的原子力顯微鏡(atomic force microscope, AFM)形貌如圖10(a)和圖10(b)所示.引入MEN后, ZnO的表面均方根粗糙度從(0.98 ± 0.02) nm變?yōu)?6.43 ± 0.07) nm.引入雙MEN的器件結(jié)構(gòu)如圖11(a)所示.Zhou等[29]將只用MEN修飾氧化銦錫/玻璃基板 (ITO/glass substrate) 電極的器件記為external MEN, 將只用MEN修飾ZnO電子傳輸層的器件記為internal MEN, 將兩者都用MEN修飾的器件記為dualside MEN, 無MEN修飾的器件記為w/o MEN.四種器件的電流密度-電壓特性曲線 (簡記為J-V曲線) 和外量子效率 (external quantum efficiency,EQE) 曲線如圖11(b)和圖10(c)所示.實驗證明,MEN的加入能夠明顯增強OSC器件的光電轉(zhuǎn)換性能.dual-side MEN器件具有最高的PCE和JSC, 達到9.33%和21.15 mA/cm2, 較之于w/o MEN基礎(chǔ)器件分別提高了18.25%和20.24%.Zhou等[29]將PCE和JSC提升的原因總結(jié)為MEN的加入改善了OSC器件活性層光吸收能力.具有MEN的ITO/glass substrate電極可以充當有效的反射器, 將光子反射回器件的活性層中, 而位于器件內(nèi)部的具有MEN的ZnO層則有效地激發(fā)了光在器件中的散射效應(yīng), 同時也誘導(dǎo)激發(fā)了表面等離子體共振效應(yīng), 進一步增強了器件活性層的光吸收能力, 進而提高器件的PCE和JSC.

圖10 具有MEN的ZnO層和紫外線固化樹脂模板的AFM形貌[29] (a) ZnO層; (b) 紫外線固化樹脂模板Fig.10.AFM morphologies of ZnO and UV-resin templates with MEN [29]: (a) ZnO; (b) UV-resin templates.

圖11 制備有MEN的器件結(jié)構(gòu)以及四種器件的電流密度-電壓特征曲線和外量子效率曲線[29] (a) 制備有MEN的器件結(jié)構(gòu);(b) 電流密度-電壓特征曲線; (c) 外量子效率曲線Fig.11.Device structure with MEN, the J-V characteristic curves and the EQE spectra of the four devices [29]: (a) The device structure with MEN; (b) the J-V characteristic curves; (c) the EQE spectra.

我們課題組在2DPCs OSC器件的設(shè)計優(yōu)化方面也開展了一系列工作, 通過理論分析和實驗研究發(fā)現(xiàn)2DPCs結(jié)構(gòu)有助于降低OSC器件對入射光角度的依賴性[30].對于基于PTB7:PC70BM的2DPCs OSC器件, 器件結(jié)構(gòu)如圖12(a)所示, 活性層的2DPCs結(jié)構(gòu)通過納米壓印的方法制備.當2DPCs的周期為350 nm、高度為30 nm時, 器件性能最佳, 平均PCE可達7.74%, 比基礎(chǔ)器件高出11.4%, 兩者的J-V曲線與入射單色光子-電子轉(zhuǎn)化效率(monochromatic incident photon-to-electron conversion efficiency, IPCE)曲線如圖12(b)和圖12(c)所示.我們將器件性能對入射光角度的弱依賴性歸因于2DPCs引起的光散射效應(yīng)、表面等離子激元激發(fā)效應(yīng)和波導(dǎo)效應(yīng)的綜合作用, 不同的入射光角度均可使OSC器件的JSC得到提高.

圖12 活性層為2DPCs結(jié)構(gòu)的OSCs器件結(jié)構(gòu)以及器件的電流密度-電壓特征曲線和IPCE曲線[30] (a)器件結(jié)構(gòu); (b) 電流密度-電壓特征曲線; (c) IPCE曲線Fig.12.Structure with an active layer of 2DPCs, the J-V characteristic curves and the IPCE spectra of the OSC device [30]:(a) The structure; (b) the J-V characteristic curves; (c) the IPCE spectra.

4 總結(jié)與展望

本文首先介紹了PCs的定義以及工作機理,并詳細介紹了1DPCs的設(shè)計計算方法.其次, 詳細介紹了當前已經(jīng)報道的基于1DPCs和2DPCs的有機太陽能電池研究進展.當前, 1DPCs被廣泛應(yīng)用于STOSC的優(yōu)化研究.利用光子禁帶的特性, 1DPCs作為反射器, 通常制備于STOSC的非入射光電極頂部.1DPCs將特定波長的光反射回器件的活性層中, 從而增強了活性層的光吸收能力, 提高了器件的PCE和JSC; 同時, 光子禁帶的存在也改變了STOSC器件的透射光譜, 通過合理的設(shè)計, 1DPCs能夠增強STOSC透射顏色的多樣性, 提高顯色性.對于非半透明的OSCs, 1DPCs也可以有效提升器件的性能.2DPCs同樣可以作為反射器制備于OSC器件的頂部以增強器件的性能, 同時2DPCs存在的納米陣列結(jié)構(gòu)或者平板結(jié)構(gòu)可以激發(fā)額外的光學(xué)效應(yīng), 這些效應(yīng)也促成了OSCs性能的提升.部分2DPCs由于含有金屬納米粒子結(jié)構(gòu), 通常被制備為OSC器件活性層和電子傳輸層之間的緩沖層.納米粒子可以激發(fā)光的散射效應(yīng)與表面等離子體共振效應(yīng), 進而提高活性層的光吸收能力, 增強器件性能.當前主流的3DPCs因其自身結(jié)構(gòu)的限制, 目前尚未有應(yīng)用于OSC器件的報道.所以, 如何設(shè)計和制備一種適合于OSC器件的3DPCs結(jié)構(gòu), 目前仍具有很大的研究前景.

另外, 受PCs優(yōu)化機理的影響, PCs一般只能提高器件的JSC, 并不能增加OSC器件的開路電壓和填充因子.因此, 僅僅使用PCs能夠提升OSC器件PCE的幅度有限.一般, 開路電壓與光強之間存在近似對數(shù)關(guān)系[31].以此為思路, 在今后的研究中, 可以考慮將PCs與其他光學(xué)結(jié)構(gòu)相結(jié)合, 如ITO-金屬薄膜光學(xué)微腔和法布里-珀羅諧振腔等, 或者將PCs與納米線、納米光柵等結(jié)構(gòu)相結(jié)合, 在提高JSC的同時提高器件的開路電壓與填充因子, 從而達到全面提高器件光電性能的目的.