Small Methods: 有機太陽能電池中的光耦合綜述

2021-02-14 MaterialsViews

近幾十年來，光伏電池作為可持續的清潔能源得到快速發展。按照使用材料可以分為矽，銅銦鎵錫，鈣鈦礦，有機等類型的太陽能電池。基於有機半導體材料的有機太陽能電池由於其可溶液法製備、柔性、透明和輕量等優勢而成為當下的研究熱點之一。目前實驗室報導的有機太陽能電池的能量轉換效率已經超過14%，然而相比於矽基等無機材料太陽能電池，其能量轉換效率仍然偏低。限制有機太陽電池效率的原因主要包括較短的激子傳輸距離、本體異質結中的電荷傳輸和開路電壓損失等等。為了提高器件能量效率，研究人員將光耦合工藝應用到有機太陽能電池中，提高入射光的利用效率。

近日德國德勒斯登工業大學Karl Leo教授課題組的綜述文章「Optical In-Coupling in Organic Solar Cells」，系統總結了光耦合在有機太陽能電池中的應用研究進展。該綜述首先介紹了光耦合應用的幾種形式，即使用圖案化結構（Patterned Structure），隨機散射結構（Random Scattering Structures），疊層結構電池（Multijunction）等。然後重點總結了有機太陽能電池使用圖案化結構的光耦合應用。目前最為普遍的方式是在具有凸出圖案結構的基底上的平整一面上製備電池，例如在基於小分子的有機太陽太陽能電池中，採用微尺度線結構的基底，效率提高幅度最高達到17%。製備非平整的具有相應結構的太陽能電池也被廣泛應用，方法包括雷射刻蝕，壓印，壓應力獲得褶皺和摺疊等。這些經過處理的表面均可實現光耦合而增加光的吸收從而實現能量轉換效率的提升。作者最後總結了幾種實現光耦合方式的優缺點。在圖案化基底的平整一面上製備電池可以實現光滑的表面結構，但該圖案結構結構容易被外力破壞，需要力學性能較好的光學填充物；在具有圖案結構的一面可以製備出相應結構的電池，較大尺度的周期性結構具有更強耦合效應，但是活性層的加工存在困難；直接在活性層利用壓印是一種較好地解決上述問題的方法。即使在優化的器件中，光耦合技術也能夠提高約20%的吸收光子數。該綜述在器件製備工藝角度為實現有機太陽能電池中的光耦合來提高光電轉換效率提供了參考。

相關綜述文章在線發表於Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.201800123)。

有機-無機雜化鈣鈦礦納米線中光子-激子強耦合相互作用
共軛高分子可用於可見光碟機動無鈀施蒂勒耦合反應

光控光子器件新思路——雷射主動調控單層二硫化鉬/銀納米天線複合結構中等離激元與激子的耦合

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