有機太陽能電池的微納結構光電協同調控

隨著人們對能源危機和環境污染的認識加深，尋找綠色可再生能源已經成為全社會的共識。其中，有機太陽能電池因其質量輕、成本低、污染少等優點而受到廣泛關注。然而，作為光電轉換活性層的有機材料通常具有較低的載流子遷移率，這限制了器件對載流子的收集和對入射光的吸收，造成了太陽能量的浪費，因而制約了有機太陽能電池的效率提升。

2015年，蘇州大學功能納米與軟物質研究院（FUNSOM）唐建新課題組在有機太陽能電池中引入准周期性的蛾眼納米結構，通過光散射、導模共振、等離激元共振和減反射等效應，顯著提升了器件對入射光的吸收。近期，該課題組進一步發展該技術，以ZnO:Al2O3薄膜為準周期納米結構的載體，並將其作為有機太陽能電池的電子傳輸層使用。與常規的溶膠-凝膠法製備的ZnO薄膜相比，ZnO:Al2O3薄膜的表面缺陷被有效鈍化，並且在界面處形成了一層偶極層，可使薄膜的功函數從4.2 eV降低至3.9 eV。因此，ZnO:Al2O3電子傳輸層能有效抑制有機太陽能電池內載流子收集過程的複合損耗，即提升電荷收集效率。與此同時，在ZnO:Al2O3薄膜中集成亞波長准周期納米結構，獲得了顯著的光學調控效果。電池器件的入射光吸收率和電荷收集率獲得了協同提升，使得最終獲得的器件外量子效率高達90%。經由國家太陽能光伏產品質量監督檢驗中心的測試，基於富勒烯類PTB7-Th:PC71BM和非富勒烯類FTAZ:IDIC的器件光電轉換效率分別達到9.69%和13.03%。總之，該工作展現了納米結構化ZnO:Al2O3薄膜的光電協同調控的獨特優勢，為今後構築新型器件結構、提高有機太陽能電池的光電轉換效率、突破現有的效率瓶頸提供了新思路。

相關論文發表在Advanced Materials（DOI:10.1002/adma.201706083）上。蘇州大學FUNSOM博士研究生陳敬德為該文章第一作者。

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