金蒙佳

表面等离子体共振对有机太阳能电池性能的影响

金蒙佳

（福州大学，福建 福州 350108）

贵金属的表面等离子体共振效应能有效提升有机太阳能电池活性层的光吸收，对器件性能提升起到显著的作用。因此，通过真空蒸发法蒸镀银纳米薄膜，在一定温度下退火制备银纳米颗粒，引入有机太阳能电池中观察其引起的电池性能的变化。掺杂的银纳米颗粒作为等离子体散射中心，有效增大了入射光在活性层中的光程长度，提升了活性层的光吸收。在此基础上，改变银纳米颗粒的掺杂量，改变其在器件中的掺杂密度，研究不同银纳米颗粒掺杂量对有机太阳能电池的不同影响，相较于未掺杂的器件，最优器件的功率转换效率从2.13%提升至3.36%。

表面等离子体共振；光吸收；真空蒸发法；银纳米颗粒

近年来，有机太阳能电池因制造简易、柔性轻薄便捷以及广泛适用于大面积“卷对卷”工艺的优点而受到研究人员的关注。由于有机材料中激子的扩散距离相对较短、载流子迁移率低，活性层的厚度受到限制[1-2]。然而，有机太阳能电池的光吸收与活性层的厚度密切相关。在受限的超薄活性层中增强有效光吸收成为攻克有机太阳能电池效率瓶颈的一大目标，在有机太阳能电池中引入贵金属纳米结构，利用其独特的表面等离子体共振效应提升器件的光吸收是有效的解决途径之一。表面等离子体共振效应根据金属纳米结构的形状、尺寸大小等可分为远场散射效应、局域表面等离子体共振效应和等离子体极化激元等模式[3-4]。基于此背景，本文采用真空热蒸发法蒸镀银纳米薄膜，在一定温度下退火制备银纳米颗粒，将其掺杂在阳极与空穴传输层的界面，研究银纳米颗粒的掺杂对有机太阳能电池光学性能、电学性能、薄膜形貌的影响。所制备得的电池功率转换效率达到3.36%。

1 实验

按顺序分别使用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗ITO玻璃衬底各15 min后烘干。使用真空蒸发镀膜机（北京泰科诺科技有限公司ZHDS400高真空有机/金属蒸发镀膜机）在ITO玻璃衬底上分别蒸镀0.05 mg、1 mg、2 mg和3 mg银（高纯实验用银丝Ag，99.99%），退火温度为200 ℃，退火时间为20 min。使用真空蒸发镀膜机蒸镀15 nm厚的MoO3（购于Alfa Asear，99.95%），薄膜作为空穴传输层。使用P3HT（购于Rieke Metals，99%）和PCBM（购于Nano-c，99.5%）分别作为活性层的给体与受体材料，按1∶1比例混合溶于氯苯溶液中配制成40 g/L的活性层溶液，放置于热台上以40 ℃搅拌48 h，使得给体与受体混合均匀。使用移液枪吸取活性层溶液并滴加于MoO3薄膜上，旋涂形成P3HT:PCBM薄膜（旋涂参数为2 000 rpm，1 min），将旋涂后的薄膜干燥1 h备用。使用真空蒸发镀膜机蒸镀100 nm厚的Al作为电池的阴极，蒸镀完毕在热台上于氩气氛围中进行150 ℃、15 min的快速热退火处理。制备得的电池结构为ITO/Ag NPs/MoO3/P3HT:PCBM/Al。

使用双束场发射扫描电子显微镜（Helios G4 CX）测试银纳米颗粒在ITO导电玻璃表面的形貌。使用紫外分光光度计（LAMBDA800 PE）测试银纳米颗粒掺杂的MoO3薄膜透射光谱以及ITO/Ag NPs/MoO3/P3HT:PCBM叠层薄膜的光相对吸收强度光谱。使用原子力显微镜（台/5500原子力显微镜）检测ITO/Ag NPs/MoO3叠层薄膜的形貌。使用太阳能电池（光电材料）IPCE/QE/量子效率/光谱响应测试系统（美国颐光科技有限公司）测试银纳米颗粒掺杂的有机太阳能电池的外量子效率（）谱图。通过源表（Keithley 2400，USA）测量器件的电流密度-电压（-）特性曲线。

2 结果与分析

不同量的银在ITO导电玻璃上沉积退火形成银纳米颗粒的分布情况如图1所示，图1分别为0.05 mg、1 mg、2 mg和3 mg的银蒸镀后以200 ℃退火得到的银纳米颗粒的扫描电子显微镜（SEM）图像。

显然，生成的银纳米颗粒的尺寸相对均一且在ITO导电玻璃上的分布均匀。当蒸镀0.05 mg银时，生成的银纳米颗粒在ITO导电玻璃上的分布相对稀疏，随着蒸镀的银的量增大，生成的银纳米颗粒尺寸也随之增大，并且在ITO导电玻璃上的分布也越密集。

图1 不同质量银纳米粒子蒸镀扫描电子显微镜图像

不同量银纳米颗粒掺杂的ITO/Ag NPs/MoO3叠层薄膜的光透射率及ITO/Ag NPs/MoO3/P3HT:PCBM叠层薄膜的光相对吸收强度光谱如图2所示。

图2 不同量银纳米颗粒掺杂的ITO/Ag NPs/MoO3叠层薄膜的光透射率及ITO/Ag NPs/MoO3/P3HT:PCBM叠层薄膜的光相对吸收强度光谱

图2（a）显示了用不同量的银纳米颗粒掺杂的ITO/Ag NPs/MoO3叠层薄膜的透光率，掺杂银纳米颗粒使得薄膜的透光率有所提升，但是随着掺杂的银纳米颗粒的量的增加，透光率的增强逐渐减小。当掺杂3 mg的银纳米颗粒时，叠层薄膜的透光率显著降低。当薄膜的透射率增加时，更多的入射光穿过叠层薄膜到达活性层被吸收，改善了器件的活性层的光吸收并改善了电池的性能。图2（b）为不同量的银纳米颗粒掺杂的ITO/Ag NPs/MoO3/ P3HT:PCBM叠层薄膜的光吸收强度谱图，银纳米颗粒掺杂显著提升叠层薄膜的光吸收，并且光吸收增强的区域为400～550 nm，恰好覆盖了P3HT:PCBM材料的吸收范围。真空蒸镀法退火制备的银纳米颗粒尺寸较大，更倾向于诱导远场散射效应，由于掺杂0.05～2 mg银纳米颗粒的叠层薄膜的光透射率比未掺杂的薄膜的光透射率高，此外，远场散射效应引起的光程长度的增长，这两个因素使得活性层的光吸收得到明显的提升，当3 mg银纳米颗粒掺杂时，叠层薄膜的光透射率相比于未掺杂的薄膜光透射率有显著降低，但由于远场散射效应，光程长度增加引起的光吸收降低抵消了光透射率降低带来的光吸收的损耗，整体光吸收仍呈现出轻微的提升。

ITO/Ag NPs/MoO3叠层薄膜的AFM图像如图3所示。其中图3（a）为未掺杂银纳米颗粒的MoO3薄膜的3D形貌图，图3（b）～图3（e）分别是蒸镀0.05 mg、1 mg、2 mg和3 mg银退火再蒸镀MoO3薄膜的3D形貌图，相应的表面粗糙度均方根（）值汇总如表1所示。由于MoO3薄膜采用真空热蒸发法制备，薄膜表面并不平整，其值为3.42 nm。银纳米颗粒掺杂使得值增大，说明银纳米颗粒的掺杂对MoO3薄膜表面的粗糙度产生一定的影响。掺杂0.05 mg的银纳米颗粒时，由于银纳米颗粒尺寸较小且分布稀疏，MoO3薄膜覆盖在银纳米颗粒上时，对薄膜表面粗糙度的影响较小，值为3.57 nm。掺杂1 mg银纳米颗粒时，银纳米颗粒的尺寸增大，平均高度增大，对于MoO3薄膜的形态影响增大，值达到3.89 nm。当掺杂质量分别为2 mg和3 mg时，虽然银纳米颗粒的尺寸增大，但由于银纳米颗粒分布变得密集，MoO3表面变得平缓，分别降至3.53 nm和3.58 nm。

图3 ITO/Ag NPs/MoO3叠层薄膜AFM图像的3D形貌图

表1 不同质量银纳米颗粒掺杂的叠层薄膜表面粗糙度均方根值

银纳米颗粒掺杂质量/mgRMS/nm 参考值3.42 0.053.57 13.89 23.53 33.58

图4（a）显示了不同量的银纳米颗粒掺杂有机太阳能电池的外量子效率（）谱图，银纳米颗粒掺杂时，器件的明显上升，增强范围为350～630 nm。随着银纳米颗粒掺杂质量的增大，逐渐降低，表明电池的短路电流密度也将逐渐减小，最优的掺杂器件的掺杂质量为0.05 mg。不同量的银纳米颗粒掺杂有机太阳能电池的-特性曲线如图4（b）所示，其相关性能参数汇总如表2所示。未掺杂银纳米颗粒的电池的为2.13%，对应的SC为6.28 mA/cm2，为0.61 V 以及为55.69%。银纳米颗粒掺杂提升器件的SC，但随着掺杂量的增大提升程度降低。此外，银纳米颗粒的掺杂使MoO3与P3HT:PCBM之间的接触电阻增大，导致填充因子降低。因此，银纳米颗粒掺杂提升器件性能，掺杂量为0.05 mg时得到最佳为3.36%，对应的SC为9.64 mA/cm2，OC为 0.62 V，为56.48%。

图4 不同质量银纳米颗粒掺杂有机太阳能电池的EQE图

表2 不同质量银纳米颗粒掺杂的电池性能参数

器件类别VOC/VJSC/（mA/cm2）FF/（%）PCE/（%） 参考值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 结束语

本文采用真空蒸发法蒸镀银并进行热退火制备银纳米颗粒，探究其形貌、尺寸以及光学特性等相关性能。将制备的银纳米颗粒引入有机太阳能电池中，研究掺杂的银纳米颗粒对器件性能的影响，探究银纳米颗粒的掺杂对电池的光学性能、薄膜形貌等产生的影响，对于器件性能的提升及分析原因具有重要作用。结果表明，银纳米颗粒掺杂于有机太阳能电池中作为等离子体散射中心，可以有效增加入射光的光程长度，增加活性层的光吸收，进而提升器件的性能。

［1］XUE J. Perspectives on organic photovoltaics［J］. Polymer Reviews，2010，50（4）：411-419.

［2］NIELSEN T D，CRUICKSHANK C，FOGED S，et al. Business，market and intellectual property analysis of polymer solar cells［J］. Solar Energy Materials and Solar Cells，Elsevier，2010，94（10）：1553-1571.

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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，福州大学物理与信息工程学院微纳器件与太阳能电池研究所硕士研究生，研究方向为微电子材料与器件。

〔编辑：王霞〕