聚合物太阳能电池中纳米核壳结构（Cu@Ni）增强光电流收集与性能提升研究

本综述系统探讨了铜镍纳米核壳结构（Cu@Ni NCSs）在聚合物太阳能电池（TFOSC）功能层中的应用，通过调控表面等离子体共振（SPR）效应显著提升器件的光吸收与电荷传输效率。研究证实，0.2 wt%掺杂浓度下电池的功率转换效率（PCE）最高提升58%，为低成本、高性能有机光伏技术提供了新策略。

　　

引言

薄膜有机太阳能电池（TFOSC）因其低成本、柔性和溶液加工性成为光伏领域的研究热点。然而，聚合物介质中较低的电荷迁移率和激子扩散长度限制了其性能提升。体异质结（BHJ）设计通过增加给体（D）/受体（A）界面面积促进了激子解离，但光子收集与电荷收集效率仍不匹配。表面等离子体共振（SPR）效应为改善光吸收和电荷传输提供了新途径。

实验方法

本研究通过湿化学法合成了铜核镍壳纳米结构（Cu@Ni NCSs），并将其以0.1%-0.5%重量比掺杂于空穴传输材料聚(3,4-乙撑二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)（PEDOT:PSS）中。以聚(3-己基噻吩)（P3HT）为给体，[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯（PCBM）为受体，构建了结构为Glass/ITO/PEDOT:PSS:Cu@Ni/P3HT:PCBM/LiF/Al的BHJ太阳能电池。

结果与讨论

形貌与结构表征

扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）显示Cu@Ni NCSs呈花状团聚结构，尺寸范围为30-40 nm，与PEDOT:PSS层厚度（≈60 nm）匹配。高分辨率TEM图像证实其晶格间距为0.251 nm，表明结晶性良好。能量色散X射线（EDX）分析显示铜和镍元素分布均匀。

光学性能

紫外-可见（UV-Vis）光谱显示Cu@Ni NCSs在350-450 nm有显著吸收峰。掺杂后的器件在400-450 nm、700 nm和800-850 nm出现新的吸收峰，分别归因于NCSs的带间跃迁和光散射效应。通过Tauc图计算得出NCSs粉末的带隙为1.99 eV，而器件的带隙变化表明NCSs与吸收层之间存在相互作用。0.2%掺杂样品能量损失最低（1.19 eV），说明电荷复合减少。

器件性能

电流密度-电压（J-V）测试表明，掺杂Cu@Ni NCSs显著提升了器件性能。参考电池的功率转换效率（PCE）为3.54%，短路电流密度（J_sc）为10.04 mA/cm²。0.2%掺杂样品PCE达到6.04%，J_sc提升至15.49 mA/cm²，填充因子（FF）高达66.07%。性能提升归因于局部表面等离子体共振（LSPR）诱导的近场增强和光散射效应，促进了激子解离和电荷收集。过高浓度（0.5%）会导致颗粒团聚和缺陷增加，使串联电阻（R_s）升高而并联电阻（R_sh）降低。

器件模拟

采用SCAPS软件模拟了器件性能，结果与实验数据高度吻合。模拟显示0.2%掺杂样品的J_sc为15.50 mA/cm²，PCE为6.02%，进一步验证了NCSs对电荷收集的积极作用。

电荷传输特性

空间电荷限制电流（SCLC）测试表明，掺杂NCSs提高了空穴迁移率。0.2%掺杂样品的零场迁移率（μ₀）为2.23×10^?3 cm²/V·s，比参考样品（6.67×10^?4 cm²/V·s）高一个数量级。场激活因子（γ）的降低表明内置电场对电荷解离的促进作用增强。

结论

Cu@Ni NCSs通过LSPR效应有效增强了PEDOT:PSS空穴传输层的性能，显著提高了P3HT:PCBM基太阳能电池的PCE。最佳掺杂浓度为0.2%，此时器件效率提升58%。该研究为等离子体增强有机光伏技术提供了实验和理论依据。