表面等离子体助力太阳能电池提效

为了进一步降低太阳能发电成本，人们试图用有机物光电材料来代替硅基材料。这样既摆脱了昂贵的材料，也免去了电池制作工艺中的高温高压环节，大大节省了制造能耗，降低了成本。有机太阳能电池的另外一个优点就是原料可以溶解，所以可以采用新的卷轴式（RolltoRoll）生产方法来生产此种电池。这种方式，太阳能电池将会以类似轮轴印刷的方式来制造，不同的材料层会被依次印在衬底上，数次之后，电池的结构将会被制作出来，然后进行封装。这种制造工艺的成本会大大降低，且产量会大幅度提高。同时，可以将电池制作在柔性沉底上以减轻重量。所以有机太阳能电池非常适用于屋顶、墙体外侧，甚至遮阳棚等载体上。

简要地说，有机太阳能电池的原理和薄膜硅太阳能电池相同，其出现并且分离负电荷的工作层大约厚200-300纳米。这么一个薄层的有机物光电材料，很难吸收太阳光，因为大部分光能会透过电池，不能被转化为电能。假如新增工作层的厚度，分离的正负电荷又倾向于在移动过程中重新合并，难以到达两侧电极。这个难题常常让研究人员感到束手无策，直到最近一种新的解决方法被提出来：利用表面等离子体来提高电池有关光能的捕捉和吸收。

当一束光照射到金属纳米颗粒上时，与光的波长相比，颗粒的尺寸要小得多，所以金属纳米颗粒的电子将会随着光波的振动而发生位移，造成电子云的往复偏移，这样电子就得到了一部分光能，同时也能够将光线束缚在自身结构周围内。也就是说，金属纳米颗粒以及纳米结构，可以很好地束缚、增强，并且限制光能的传播。

基于这个原理，我们可以在有机太阳能电池的工作层中间做出多种纳米级金属结构，通过光和纳米结构的相互用途，来促进光能的吸收和转化。

我所在的实验室正在进行的研究包括，怎么采用自主装的方式来快速、低价地合成较大尺寸的纳米级金属结构，以捕获光能。经过研究，目前有几种结构已经得到了验证。如a所示，在表层嵌入纳米颗粒，这样光线就会广泛地散射，而不是直接透过电池。所以光线会在电池中往复折返数次，提高了光吸收的比例。在图b中，在中间界面嵌入纳米颗粒，光线入射到这层纳米颗粒中间时，就会被它们束缚住，不再会穿过电池，所以光线就被困在了电池内部，大大提高了吸收效率。另外图c中：在底层制作出纳米尺度的金属光栅结构，这样入射的光线将会被金属光栅结构束缚在表面，光线只能沿着光栅方向传播而不是直接从背面出射，这样新增了光线在电池内部的传播距离，所以提高了吸收和转化为电能的效率。

总体上讲，金属纳米颗粒的使用，使得入射的阳光更广泛地分散，以使更多的光线进入太阳能电池。同时，不同大小和材质的微粒可以捕获更多的波长范围的光能，并且用以出现电能。这样就大大提高了有机太阳能电池的发电效率，进一步将它推向大规模的应用。（作者为比利时鲁汶大学化学系博士生苏亮）