涂有ZnO致密层或ZnO纳米颗粒的等离子体银纳米线作为有机光伏发电的透明电极

《Progress in Photovoltaics: Research and Applications》：Plasmonic Ag Nanowire Coated With ZnO Dense Layers or ZnO Nanoparticles as Transparent Electrode for Organic Photovoltaics

基于有限差分时域法（FDTD）模拟和实验研究，ZnO致密层与纳米粒子涂层在Ag纳米线（AgNW）电极中表现出不同的光管理和电场增强特性。致密层通过优化电场局域化提升光吸收效率，而纳米粒子层凭借散射效应促进更多光子进入活性层，实验验证显示两者在可见光范围内的吸收光谱与理论模型高度吻合，其中ZnO纳米粒子单层结构在PM6:Y6活性层中实现最高短路电流密度17.46 mA/cm2。

　　在现代的光电和光伏技术中，透明导电电极（TEs）扮演着至关重要的角色。它们不仅需要具备高光学透明度，还必须保持较低的电阻，从而在不影响光传输的情况下实现良好的电导性能。传统的透明导电氧化物（TCO）材料，如氧化铟锡（ITO），虽然性能优异，但存在成本高、机械稳定性差、制备工艺复杂等缺点，限制了其在柔性电子和大规模生产中的应用。因此，近年来研究者们致力于寻找性能更优、成本更低、工艺更简便的替代材料，其中金属氧化物-金属-金属氧化物（OMO）结构因其在光电性能方面的独特优势而受到广泛关注。

ZnO/Ag/ZnO（ZAZ）结构是一种具有潜力的新型透明导电电极材料。该结构由银纳米线（AgNW）夹在两个氧化锌层之间组成，其中银纳米线具有优异的导电性和光响应能力，而氧化锌则能够提供良好的光学透明度和稳定性。在本研究中，通过有限差分时域（FDTD）方法对ZAZ结构的光学特性进行了系统建模和分析，探讨了不同氧化锌涂层结构（如致密层和纳米颗粒层）对AgNW的等离子体共振行为及整体电极性能的影响。研究还进一步评估了这些结构在有机光伏（OPV）应用中的表现，以期实现更高的光吸收效率和更低的电阻。

ZnO具有多个优势，使其成为一种理想的材料。首先，它成本低廉，易于大规模制备，且具有良好的环境友好性。其次，ZnO的电子迁移率较高，有助于提高电极的导电性能。此外，ZnO在可见光范围内具有较高的透光率，使得其在透明电极的应用中表现出色。然而，ZnO在某些应用中也存在局限性，例如其在可见光波段的吸收特性可能对光的利用产生不利影响。因此，研究者们尝试通过引入纳米结构，如ZnO纳米颗粒（NP）或致密层（DL），来优化其性能。

本研究中提出两种ZAZ电极配置：一种是5至15纳米厚的ZnO致密层，另一种是围绕AgNW的ZnO纳米颗粒单层、双层和三层结构。通过FDTD模拟，研究团队发现，ZnO致密层能够显著增强电场的局域化效应，从而提高光在电极附近的捕获能力。相比之下，ZnO纳米颗粒层则表现出更优异的光散射特性，能够将更多的光引导至活性层，提高光子的吸收效率。这些特性使得ZAZ电极在OPV中的应用更加高效，尤其是在光吸收和能量传输方面。

在实际应用中，ZAZ电极被用于OPV系统，其活性层采用PM6:Y6材料。通过将ZAZ电极与PM6:Y6活性层结合，研究团队发现，ZnO纳米颗粒层能够有效提升光的利用率，同时减少光在电极上的散射损失。而ZnO致密层则主要通过优化电场分布，提升光在活性层中的捕获效率。此外，实验测量显示，ZAZ电极的透光率可达92%，平均为87%±5%，与理论模拟结果高度吻合，进一步验证了模型的准确性。

研究还关注了ZAZ电极在不同环境下的性能表现。例如，在空气中，ZnO致密层的等离子体共振波长从339纳米（未涂层AgNW）向406纳米偏移，表明随着ZnO层厚度的增加，其对光的捕获能力增强。而在ZnO纳米颗粒层的情况下，共振波长从345纳米（单层）逐渐向362纳米（三层）偏移，说明纳米颗粒的层数对光散射和电场增强有重要影响。ZnO致密层能够提供稳定的介电边界，增强电场的局域化效应，而ZnO纳米颗粒层则能够通过其多层结构实现更广泛的光散射，提高光在活性层中的吸收效率。

研究还分析了ZAZ电极在不同厚度下的性能变化。ZnO致密层的厚度从5纳米到15纳米，随着厚度的增加，光的吸收能力逐渐增强，但同时也会导致一定的光损失。相比之下，ZnO纳米颗粒层的光吸收能力虽然略低，但其散射特性显著提升，能够更有效地将光引导至活性层，从而提高光伏器件的性能。此外，实验结果显示，ZAZ电极的电阻平均为17±5 Ω/sq，与理论模拟结果一致，表明该结构在实际应用中具有较高的稳定性。

研究还考虑了ZAZ电极在不同环境下的温度效应。由于等离子体共振会产生较高的能量密度，导致局部温度升高，研究团队通过FDTD模拟计算了ZAZ电极在PM6:Y6活性层中的温度分布。结果表明，在强等离子体激发下，某些区域的温度可达到40°C。虽然这一温度在目前的实验条件下并未对PM6:Y6材料的性能产生明显影响，但当温度超过65°C至100°C时，可能会导致Y6材料的结晶化和相分离，从而影响光伏器件的长期性能和稳定性。因此，未来的研究需要进一步评估温度变化对活性层的影响，并探索如何在保持光吸收能力的同时，避免温度升高对器件性能的负面影响。

在实验方面，研究团队通过旋涂法在玻璃基底上制备了ZAZ电极，并测量了其透光率和电阻。结果表明，ZAZ电极的透光率和电阻与理论模拟结果高度一致，进一步验证了模型的可靠性。此外，实验还发现，ZnO纳米颗粒层的单层结构在与AgNW结合时表现出最佳的光吸收和电场增强效果，而ZnO致密层则在提供稳定介电环境方面具有优势。

综上所述，ZAZ电极在有机光伏器件中的应用具有广阔的前景。通过结合ZnO致密层和纳米颗粒层，可以实现对光吸收和电场增强的优化，从而提高光伏器件的效率。ZnO致密层在增强电场局域化方面表现突出，而ZnO纳米颗粒层则在提高光散射能力方面具有显著优势。这些发现不仅为未来光伏器件的设计提供了理论依据，也为实现高效、低成本、可扩展的透明导电电极材料提供了新的思路。