【人物与科研】苏州大学唐建新教授课题组AFM：基于闪耀光栅结构化背电极的高效有机太阳能电池

导语

随着合理有效的材料合成、界面工程、器件结构方面的进展，基于宽带隙聚合物给体以及窄带隙非富勒烯受体（NFA）的有机太阳能电池（OSC）的功率转换效率取得了不断的进展，已经达到了19%。OSC中微纳结构的提出，可以有效提高活性层的光俘获能力，增加器件内部的短路电流密度（J_SC），从而提升器件的效率；苏州大学唐建新课题组在此方面取得了一定的进展（Adv. Mater. 2015, 27, 1035; Adv. Mater. 2018, 30, 1706083; ACS Nano 2019, 13, 4686）。然而，基于窄带隙NFA的OSC在蓝光区域内（400 – 500 nm）的光俘获能力较差，导致其外量子效率（EQE）响应很低，只有50%-60%，而为了进一步地提升OSC的效率，就需要增加活性层在蓝光区域内的吸光能力。在前期工作的基础上，本课题组提出一种通过制备闪耀光栅结构化的背电极以及折射率失配的界面层来补偿OSC中低吸收光谱的方法，从而有效地提升器件在蓝光区域中光俘获效率，最终基于新型NFA-M36制备了高效率的OSC，相关成果发表在Adv. Funct. Mater.（DOI: 10.1002/adfm.202109735）。

苏州大学唐建新课题组简介

课题组成立以来一直从事光电材料与器件方面的研究，并在高效有机发光材料合成、微纳结构实现高性能发光和光伏器件以及薄膜界面性质分析等方面取得了诸多进展。课题组已经在学术期刊发表论文200余篇。目前课题组内有副研究员1名，博士5名，硕士19名，科研助理1名。

唐建新教授简介

唐建新，苏州大学功能纳米与软物质研究院教授，博士生导师。2002年获浙江大学学士学位；2006年获香港城市大学博士学位；2005-2006年任日本千叶大学上野实验室访问学者；2006-2007年任香港城市大学超金刚石与先进薄膜研究中心高级研究助理；2007-2008年任日本三菱电机株式会社功率元器件制造所功率芯片设计工程师；2008年加入苏州大学功能纳米与软物质研究院，被聘为教授、博士生导师。发表论文200余篇，论文他引7000余次，授权发明专利13项，撰写英文专著2部（章）。主持和参与973计划、国家科技重大专项、国家自然科学基金、江苏省自然基金重点项目等国家级/省部级项目等10余项。入选国家自然科学基金委“优秀青年科学基金”、科技部中青年科技创新领军人才、江苏省“333高层次人才培养工程”第二层次、江苏省“六大人才高峰”高层次人才培养对象。作为第一完成人获江苏省科学技术奖一等奖、教育部 “高等学校科学研究优秀成果奖”自然科学二等奖、江苏省青年科技奖。

前沿科研成果

基于闪耀光栅结构化背电极的高效有机太阳能电池

该工作首先分析了在平面器件以及普通光栅结构化的器件入射光线轨迹图，发现由于内部反射等问题导致器件对光的利用率不高，使得光的能量有极大的浪费，同时根据闪耀光栅可以将光的能量集中在所需衍射级上的特点，结合折射率失配的Glass/ITO界面，作者提出了一种吸收光谱补偿装置（ASCC），并通过模拟计算确定了该装置的周期和倾斜角。

图1. 入射光线轨迹图

（来源：AFM）

接着，作者通过反应离子刻蚀以及软纳米压印的方法，成功制备了闪耀光栅的模板并将结构复制到功能层上，并在此基础上选用PM6:M36作为活性层制备了具有ASCC的器件。从对器件的电学表征中可以发现，通过将ASCC引入到OSC中，光响应在全光谱范围内得到了一定的加强，尤其是在蓝光区域提升效果较为明显，在405 nm处最大增长比为1.5倍，使用宽带隙聚合物给体PM6与新型非富勒烯受体M36作为活性层，最终获得了接近18%的最大PCE。

图2. 平面器件与ASCC器件的电学性能曲线

（来源：AFM）

在进一步的分析中，作者对平面和结构化的银背电极进行了角分辨反射光谱的光学表征。结果表明，对于平面银薄膜，由于入射光沿着法向反射，因此没有检测到散射反射信号；与之不同的是，结构化的银电极由于其较强的偏光能力导致了反射光的重新分布，而高度的方向性和轮廓的有序性表明，偏光能力来自于闪耀光栅的衍射而非散射。

图3. 角分辨反射光谱

（来源：AFM）

最后，为了验证OSC的工作机制以及表面等离子体激元（SPP）对光俘获的影响，作者分别进行了时间分辨的能量流密度以及电场y分量分布的仿真模拟。结果表明，在结构化银背电极和Glass/ITO界面的协同作用下，偏转的光会因波导模式被困在器件中，从而增强了器件对入射光的光俘获能力，结合激发的SPP，使得活性层在蓝光区域内光吸收和J_SC得到了显著提高，最终成功获得了高效的OSC器件。

图4. 时间分辨的能量流密度仿真结果

（来源：AFM）

总结：

综上，作者通过利用闪耀光栅结构化的背电极以及折射率失配的界面层，构筑了一种新型OSC器件结构，用以补偿OSC中的低吸收光谱，从而制备了高性能的器件，该方法为提升非富勒烯太阳能电池在从紫外到近红外区域中的光俘获能力提供了新思路。该工作以”Absorption Spectrum-Compensating Configuration Reduces the Energy Loss of Nonfullerene Organic Solar Cells”为题发表在Adv. Funct. Mater.（DOI: 10.1002/adfm.202109735）上，第一作者为苏州大学任昊博士生，通讯作者为苏州大学唐建新教授、陈敬德副研究员和中科院福建物构所郑庆东教授。

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