利用蛾眼结构提高有机太阳能电池光吸收效率的理论研究

2015-05-05郭晓阳刘星元

发光学报 2015年5期

关键词：光吸收光场微结构

白昱，郭晓阳，刘星元

(发光学及应用国家重点实验室中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033)

利用蛾眼结构提高有机太阳能电池光吸收效率的理论研究

白昱，郭晓阳*，刘星元*

(发光学及应用国家重点实验室中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033)

为提高有机太阳能电池(OSCs)的能量转换效率，将蛾眼微结构应用于OSCs上。通过理论模拟计算，得出在有机层厚度一定的情况下，带有蛾眼微结构的OSCs相比于普通平板结构的OSCs的光吸收效率有较大的提高。通过对微结构形貌、周期和高度的优化，使蛾眼结构OSCs的光吸收效率比普通平板OSCs提高了11.3%。器件光场分布的模拟计算表明，光吸收效率的提高是由蛾眼结构减反增透的效果和表面等离子体(SPP)增强吸收共同导致的结果。

有机太阳能电池；蛾眼结构；表面等离子体；吸收效率

1 引言

近年来，光伏技术已经成为世界各国能源战略的立足点，有机太阳能电池(OSCs)被认为是非常有潜力实现低成本、大尺寸、低排放的新一代半导体电子器件[1-5]。目前，基于有机聚合物材料的太阳能电池的能量转换效率已经超过10%[6]。然而，这样的能量转换效率同商业化的硅电池相比还具有很大差距。这主要是由于一些共轭聚合物的载流子迁移率低，光生载流子扩散长度小于有源层有效吸收厚度，从而造成电荷收集效率低(厚膜)或光吸收效率低(薄膜)，进而限制了能量转换效率的进一步提高[7]。为了保证有源层有较高的电荷收集效率，需要尽量提高有源层的光吸收效率。其中一种解决办法就是通过在OSCs中引入微纳米结构来增加电池活性层对光的吸收。如通过在聚合物层引入光栅结构，形成对入射光的衍射作用，提高光子的透过率来增加聚合物吸收[8]；或是将 OSCs 制备在具有微结构的衬底上[9]，通过理论设计衬底的形貌，有效地提高OSCs的光吸收效率；或者利用SPP场增强作用来增加电池活性层对光的吸收[10-14]。

大自然在很多生物体上创造出了可以操纵光传播的独特的纳米结构。蛾眼就是由一层六边形排列有序的纳米阵列构成。该结构等效于一个折射率连续变化的介质层，能实现较宽光谱在大视场范围内的减反增透效果[15-20]。如果通过微纳米加工技术，将蛾眼结构引入到OSCs当中，设计适当的微结构形貌，就可以有效地减反增透，并激发表面等离子体(SPP)场，提高OSCs的光吸收效率。目前，已有报道称通过蛾眼结构可以使OSCs的能量转换效率提高9.33%[21]。

为了提高OSCs有源层的光吸收效率，本文对几种蛾眼及其类似微结构影响OSCs光吸收效率的因素进行了研究。借助时域有限差分法(Finite difference time domain，FDTD)，对蛾眼微结构的形貌、周期和高度对OSCs的光吸收效率的影响进行了理论模拟，并且通过对蛾眼微结构OSCs中光场分布的分析，给出了器件光吸收效率提高的解释。

2 理论模拟

首先，我们对蛾眼微结构形貌及其OSCs器件结构进行了设计。图1(a)为器件结构示意图，微结构被放置在了器件的内部，处于ITO和有机层中间。在本文的模拟中，底电极ITO的厚度为120 nm，微结构层厚度为80 nm，有机层厚度为120 nm，顶电极Al的厚度为100 nm。其中各个材料的折射率n和消光系数k值都是通过椭偏仪(ELLITOP，ESS01)测量并经过拟合得到的。在这里，有机层采用的是一种比较常见的有机光伏材料：PBDTTT-C∶PC71BM。在实际制作OSCs时，经常采用PEDOT作为阳极缓冲层，而且它还可以在旋涂之后经过热压成型[21]，因此这里微结构层我们采用的是PEDOT。

图1 蛾眼微结构OSCs的纵向和横向结构示意图。(a)器件结构示意图；(b)微结构单元矩形排布示意图；(c)微结构单元六边形排布示意图。

Fig.1 Schematic structure of the moth-eye OSCs from longitudinal and transverse. (a) Schematic structure of the moth-eye OSCs. (b) Schematic structure of the rectangle microstructure units. (c) Schematic structure of the hexagon microstructure units.

微结构的形貌包括微结构的形状和排布两个方面，图1(b)和(c)分别为单独微结构单元的两种不同排布方式的示意图，图1(b)为矩形排布，图1(c)为六边形排布。模拟时，在阳极ITO一侧放置光源及探测器。光由衬底一侧入射，经由透明的阳极ITO入射到器件内部，再经阴极反射，最后从ITO衬底出射。由于阴极采用的是高反低透的Al膜，所以器件的透射光谱可以忽略，其吸收光谱可由100%减去反射光谱得到。本文对正弦形、抛物线形和圆锥形3种微结构单元按照形貌、周期和高度等3种不同条件分别进行了模拟研究。

3 结果与讨论

3.1 微结构形貌对OSCs活性层吸收的影响

在微结构的形貌、周期和高度这3种不同条件中，微结构的形貌对器件吸收效率的影响最大。因此，我们首先假定微结构的高度为80 nm、周期为350 nm来研究微结构形貌对器件吸收效率的影响。图2为不同形貌的微结构的吸收曲线，图2(a)为TM模式的吸收曲线，图2(b)为TE模式的吸收曲线。从图中可以看出，在其他条件都相同的情况下，当微结构的形貌不同时，微结构OSCs的吸收曲线有很大的不同。由于在模拟中给定了同样的光源，光源的能流强度是一样的，因此，对于不同形貌微结构所得到的吸收曲线，它们的吸收强度是可以通过吸收曲线所包围面积的大小来比较的，也就是说，吸收曲线所包围的面积的大小，就标志着器件光吸收效率的高低。表1给出了不同形貌微结构的吸收曲线所包围的面积。

图2 不同形貌350 nm周期微结构的OSCs的吸收曲线。(a)TM模式；(b)TE模式。

Fig.2 Absorption curves of OSCs with different microstructure morphologies and the same period of 350 nm. (a) TM mode. (b) TE mode.

表1 不同形貌的350 nm周期微结构器件的吸收曲线所包围的面积

Table 1 Absorption areas of different microstructures

可以看出，微结构单元为抛物线形、排布方式为六边形的OSCs的吸收曲线所包围的面积最大，即该器件的光吸收效率最大。

3.2 微结构周期对OSCs活性层吸收的影响

对于同样形貌的微结构而言，不同周期对器件吸收效率的影响也不相同。基于前面模拟所得出的结果，我们又对不同形貌微结构的周期对OSCs的吸收效率的影响进行了模拟。图3为不同形貌微结构吸收曲线所包围的面积随着微结构周期变化的曲线。可以看出，无论是何种形貌的微结构，它们的吸收曲线所包围的面积，随着微结构周期的减小都有一个先增大后降低的趋势。在这里，当微结构周期为250 nm、形貌为抛物线形六边形排布时，吸收曲线有着最大的包围面积。也就是说，在这个条件下，微结构OSCs的吸收效率最高。

图3 不同形貌微结构吸收曲线所包围的面积随微结构周期变化曲线

Fig.3 Relationship between the absorption area of different microstructures and the microstructure periods

3.3 微结构高度对OSCs活性层吸收的影响

如前所述，当微结构形貌为抛物线形六边形排布、周期为250 nm时，OSCs的吸收效率最高。下面我们讨论该微结构的高度对OSCs光吸收效率的影响。图4是吸收曲线所包围的面积随着微结构高度变化而得到的曲线。可以看到，随着微结构高度从0增加到80 nm，其吸收曲线所围成的面积越来越大，也就是说器件的吸收效率越来越高。这里有个特殊的地方，就是当微结构的高度为0的时候，微结构器件就变成了普通平板器件。从曲线的趋势可以推论，在理论上，当微结构越高的时候，器件的吸收效率越高。当微结构高度为80 nm时，微结构器件的吸收效率比普通平板器件的吸收效率提高了11.3%。然而，在实际的器件制备过程中，当器件内部的微结构高度达到一定程度之后，器件的内部电场会形成极大的扭曲，从而导致器件实际的效率下降。另外，较高的微结构也会导致器件的漏电增加，甚至会导致器件短路。因此，尽管在理论上，微结构越高则器件的吸收效率就越大，但是在实际的器件制备中，需要根据实际情况而定，既要提高光的吸收效率又要不影响器件的其他性能。

图4 吸收曲线所包围的面积随微结构高度的变化曲线

Fig.4 Relationship between the absorption area and the microstructure height

3.4 微结构器件的光场分布

从前面的模拟中，可以得出带有微结构的OSCs比普通平板OSCs吸收效率高这样的结论。为了找到吸收效率增强的具体原因，我们又对器件的光场分布进行了模拟。图5(a)所示为微结构周期分别为300，350，400 nm的抛物线-六边形排布的微结构器件的吸收曲线。可以看出，不管微结构周期为多少，其322，458，715 nm处的吸收峰基本不动，说明这是器件的本征吸收峰。而如图中虚线所示，这几个额外的吸收峰随着微结构周期的减小而蓝移，表现出了明显的周期依赖特性。图5(b)和(c)分别是350 nm周期器件在498 nm和591 nm处的额外的吸收峰的光场分布模拟。从图5(b)可以看出，由于498 nm处的光场分布主要集中在有机层和ITO层中，说明这个吸收峰主要是由于蛾眼结构的作用，增加透射同时削弱反射的模式所引起的。对于图5(c)中591 nm处的吸收峰，由于其光场分布主要集中在有机层和Al交界的地方，因此这个吸收峰是由于SPP模式所引起的[22-26]。从图5(b)和(c)可知，微结构器件的增强吸收部分由两种因素构成：一种是来自于蛾眼结构减反增透的效果；另一种是来自于SPP增强吸收的结果。

图5 微结构周期为300，350，400 nm的抛物线-六边形排布的微结构器件的吸收曲线(a)，以及350 nm周期器件在498 nm(b)和591 nm(c)处的额外吸收峰在TM模式下的光场分布。

Fig.5 Absorption curves of the hexagon microstructure units with the period of 300, 350, 400 nm (a)， and distribution of magnetic field intensity in the OSCs with 350 nm period at the wavelength of incident polarized light of 498 nm (b) and 591 nm (c) in TM mode.

4 结论

利用FDTD方法分别对OSCs中蛾眼结构的形貌、周期和高度对OSCs器件吸收效率的影响进行了理论模拟，并对吸收效率的提高给出了理论上的解释。经模拟计算得知，当蛾眼结构的微结构单元为抛物线形、排布方式为六边形排布、周期为250 nm、高度为80 nm时，器件有最大的吸收效率，比普通平板结构提高了11.3%。而由光场分布的模拟结果来看，吸收效率的提高是由蛾眼结构减反增透的效果和SPP增强吸收共同导致的结果。该理论研究为制备高效率微结构有机太阳能电池结构提供了参考依据。

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Theoretical Study on The Improvement of Light Absorption Efficiency of Organic Solar Cells by Moth Eye Structures

BAI Yu, GUO Xiao-yang*, LIU Xing-yuan*

(StateKeyLaboratoryofLuminescenceandApplications,ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China)
*CorrespondingAuthors,E-mail:guoxy@ciomp.ac.cn；liuxy@ciomp.ac.cn

In order to improve the energy conversion efficiency of organic solar cells (OSCs), the moth-eye structure was applied to OSCs. According to the theoretical simulation, in a certain active layer thickness, the moth-eye OSCs has a large enhancement in light absorption efficiency compared with the planar OSCs. Through the optimization of microstructure morphology, period and height, the moth-eye OSCs has an increase of 11.3% in light absorption efficiency than the planar OSCs. The simulation of the distribution of magnetic field intensity in the moth-eye OSCs indicates that the light absorption enhancement can be attributed to both the anti-reflective effect of moth-eye structures and the enhanced absorption effect of the surface plasmon polariton (SPP).

organic solar cells; moth-eye structure; surface plasmon polariton; absorption efficiency