基于三光栅结构提升P3HT:PCBM太阳能电池光吸收效率的研究

针对P3HT:PCBM有机太阳能电池光吸收效率低的问题，研究人员提出了一种新型三光栅结构（Ag/ITO/PEDOT:PSS），通过激发表面等离子体激元（SPs）和光陷阱效应，使TM/TE模式下400-500 nm波段吸收效率达90%以上，为高效太阳能电池设计提供了新思路。

　　

在能源危机与环保需求的双重驱动下，有机太阳能电池因其轻质、柔性、低成本等优势成为研究热点。其中，聚3-己基噻吩（P3HT）与苯基-C61-丁酸甲酯（PCBM）共混材料作为典型活性层，虽具有10⁵ cm^-1的高吸收系数，但受限于载流子迁移率低（0.1 cm²/(V·s)），其实际光电转换效率仅12%，远低于理论极限20%。如何突破"光子捕获-激子分离-电荷传输"的瓶颈，成为学界攻坚方向。

传统解决方案如光子晶体、纳米线阵列虽能延长光程，但难以兼顾宽波段吸收与局域场增强。表面等离子体激元（Surface Plasmons, SPs）技术的出现为这一难题提供了突破口——金属纳米结构激发的SPs可产生近场增强效应，但单一结构对TE模式（横电波）的调控能力有限。为此，中国河南省科技计划项目（No. 232102210167）支持的研究团队创新性设计了"三光栅协同"结构，相关成果发表于《Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications》。

关键技术方法
研究采用COMSOL多物理场仿真软件，通过有限元分析优化光栅参数：底部Ag光栅（周期200 nm/高度20 nm）激发SPs；顶部ITO光栅（周期300 nm）与PEDOT:PSS光栅（空穴传输层）形成光陷阱结构。通过计算反射率、透射率及金属损耗，量化400-700 nm波段的光吸收特性。

研究结果

1. 吸收原理
   P3HT:PCBM异质结在光子激发下产生激子，经能级差解离为自由电荷。双Ag光栅通过SPs增强活性层附近的电磁场强度，使激子生成率提升3倍。

2. 结构设计
   独创"三明治"光栅构型：玻璃基底/ITO光栅（300 nm周期）/PEDOT:PSS（40 nm）/P3HT:PCBM（100 nm）/Ag光栅（200 nm周期）/Ag电极（100 nm）。ITO光栅的矩形凹槽（深50 nm）通过电感耦合等离子体刻蚀实现。

3. 仿真分析
   TM模式下，400-500 nm吸收效率>90%，归因于Ag光栅SPs共振；TE模式下450-500 nm效率同步提升，得益于三光栅多次反射的协同效应。对比无光栅结构，峰值吸收率提高47%。

结论与意义
该研究首次将三重光栅结构引入有机太阳能电池：底部Ag光栅通过SPs实现纳米尺度光场调控，顶部ITO/PEDOT:PSS光栅通过全内反射延长光程，二者协同突破传统单结构器件的波段限制。特别在450-500 nm蓝光波段，TE/TM模式均实现>90%吸收，为开发宽角度、宽波段高效太阳能电池奠定基础。未来通过实验验证工艺可行性后，这种"金属-介质复合光栅"策略有望推动有机光伏技术走向商业化应用。