【摘 要】
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透明底电极是有机太阳能电池(OPVs)的重要组成部分,负责电荷的收集以及太阳光的接收。目前,传统的透明导电电极氧化铟锡(ITO)因其高昂的价格、铟的稀缺性较高的脆性等缺点严重影响了 OPVs商业化发展。近年来,科研人员开发出了多种新型透明电极来代替传统ITO电极,但大部分的新型电极因为电导率与透光率的相互制约而无法应用于高效器件的制备。而在众多的新型透明电极中,等离子金属电极因其能通过激发产生SP
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透明底电极是有机太阳能电池(OPVs)的重要组成部分,负责电荷的收集以及太阳光的接收。目前,传统的透明导电电极氧化铟锡(ITO)因其高昂的价格、铟的稀缺性较高的脆性等缺点严重影响了 OPVs商业化发展。近年来,科研人员开发出了多种新型透明电极来代替传统ITO电极,但大部分的新型电极因为电导率与透光率的相互制约而无法应用于高效器件的制备。而在众多的新型透明电极中,等离子金属电极因其能通过激发产生SPPs增强透光率,成为代替ITO电极的热门。然而,等离子金属电极存在着由于SPPs传播引起的非辐射能量损耗问题,限制了器件对入射光的吸收和光电流的产生。因此,亟需开发新的能量回收策略来回收因SPPs非辐射阻尼损耗的能量,进而制备高效有机太阳能电池。为了制备高导高透的等离子金属电极,本文首先利用气液界面自组装的方法成功制备了周期性紧密排列的单层聚苯乙烯微球阵列薄膜,并利用提拉法将其转移至玻璃基底,通过反应离子刻蚀技术缩微球尺寸作为掩模版,最后蒸镀金属银去除微球,获得等离子银网格电极(A-PMEs)。由于A-PMEs能有效激发产生SPPs,因此电极的透射率相比与平面银膜得到了极大程度的提升。通过对电极周期、占空比以及银的厚度的调整,优化出SPPs能量损耗最少的电极,获得了超过70%的透光率以及低于40 Ω sq-1的方阻。为了减少A-PMEs中SPPs能量损耗,实现能量回收,我们受到热电子注入机制的启发,提出热电子发射的能量回收策略,采用“光-SPPs-热电子-光”的路径回收能量。通过筛选,选用与器件其他功能材料能级相匹配的荧光材料2,8-二叔丁基-5,11-双(4-叔丁基苯基)-6,12-二苯基并四苯(TBRb)为能量回收层,将其蒸镀于A-PMEs表面,构成热电子发射体系,制成能量可回收的等离子银网格电极(A-PMEs/TBRb)。TBRb的引入使得A-PMEs中因SPPs非辐射阻尼损耗的能量在损耗之前有效转化为金属中自由电子的能量,使其成为热电子。高能量热电子跨越界面势垒注入至TBRb的最低占据分子轨道(LUMO)能级,进而跃迁至最高占据分子轨道(HUMO)能级转化成光子,使电极在保持方阻基本不变的情况下,透光率在全光谱范围内得以进一步的提升,获得平均超过80%的透光率。最后,结合A-PMEs/TBRb,制备了以三元有机材料PM6:N3:PC71BM为活性层的正置器件。与相同厚度的平面银膜作为电极的参比器件以及未引入TBRb层的器件相比,引入TBRb层的器件EQE曲线在全光谱波长范围内呈现出了增长,器件的光电性能得到明显提升,获得了最高为16.1%的光电转换效率(PCE),接近于使用ITO电极的器件效率。此外,改用窄光谱吸收的二元有机材料(P3HT:PC71BM)作为活性层,基于A-PMEs/TBRb的器件在活性层有效吸收光谱之外出现了额外的EQE增强信号峰,有效证明了热电子发射过程的存在以及这一能量回收策略的有效性。
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