在光伏技术领域，聚合物光伏电池因其轻质、柔性、可大面积印刷等优势而被广泛研究。本文介绍了一项重要的研究进展：使用混合Au纳米颗粒以提升聚合物光伏电池的功率转换效率。混合Au纳米颗粒具有宽吸收光谱范围，能够在400 nm到1000 nm之间吸收光线，使得光伏电池的效率提升了21.2%。
我们需要了解聚合物光伏电池的基本原理。聚合物光伏电池通常由活性层、电极、载流子传输层等部分组成。活性层负责吸收光线并产生激子（即电子-空穴对），而电极则收集电荷并导出电流。在聚合物光伏电池中，一个关键的技术挑战是提高光吸收与激子分离的效率，以及电荷的传输与收集效率。
接下来，我们分析关键词“Au纳米颗粒”所涉及的知识。金（Au）是一种在表面等离子体共振领域中广泛研究的金属材料。金纳米颗粒因其独特的光学特性，如局部表面等离子体共振（LSPR），而成为提升光伏性能的有效材料。当光照射到金属纳米颗粒上时，会引起金属自由电子的集体振荡，形成局部表面等离子体共振，从而增强光的吸收。
本研究中采用的混合Au纳米颗粒由骨状、棒状、立方体形状及少数不规则球形纳米颗粒组成，它们可以产生局部表面等离子体共振峰分别在525 nm、575 nm和775 nm处。这种宽波段的吸收光谱覆盖了太阳光中大部分可利用的光谱范围，有助于提高光伏电池的光吸收效率。
在聚合物光伏电池中，将混合Au纳米颗粒引入到空穴提取层（hole extraction layer）即聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(4-苯乙烯磺酸盐)（PEDOT:PSS）中，目的是提高光伏电池中光到电的转换性能。通过优化Au纳米颗粒的掺杂浓度，可以显著改善电池性能，使得聚合物光伏电池的短路电流密度和功率转换效率分别提高20.54%和21.2%，达到11.15 mA/cm²和4.23%。
对电池的光学、电学和形态学变化进行的详细分析显示，电池性能的改善可以归因于三个协同反应。首先是局部表面等离子体共振和散射引起的活性层吸收增强。其次是Au掺杂引起的空穴传输/提取能力增强。最后是大的界面粗糙度诱导的激子有效分离和空穴收集。
在表面等离子体共振的原理下，金属纳米颗粒可以被设计成不同的形状以达到增强光吸收的特定波长范围。在本研究中，使用了具有不同形状的Au纳米颗粒，使得在可见光范围内产生多个共振峰，有助于优化光吸收的谱带宽度。这种设计使得光伏电池能够在更广泛的波长范围内捕获光线，从而提高整个电池的光电转换效率。
此外，Au纳米颗粒的掺杂还影响了载流子的传输和收集过程。由于Au的引入，空穴的传输速度得到提高，使得从活性层到电极的空穴收集效率增加，降低了电荷复合率，增强了电池的输出性能。
研究中还指出，大的界面粗糙度对提升激子的分离效率至关重要。粗糙的表面有助于增加活性层与电极间的接触面积，从而提高电荷的收集效率。
本研究成功地证明了通过合理设计和优化Au纳米颗粒的掺杂浓度，可以在聚合物光伏电池中实现显著的光电转换效率提升。这项技术的应用为未来的光伏材料发展提供了新的思路和方法，有助于推动光伏技术的进步。
