SiO2壳厚度对金纳米棒@ SiO2核壳结构的等离激元聚合物太阳能电池功率转换效率的影响

在当前科研领域，通过等离激元技术提高聚合物太阳能电池（OPVs）的光电转换效率是研究热点之一。等离激元是一种在金属纳米结构表面激发的电子集体振荡现象，可以增强光与物质的相互作用，从而提高太阳能电池的吸收效率。在此背景下，该研究论文详细探讨了在金纳米棒@SiO2核壳结构中，SiO2壳层厚度对于等离激元聚合物太阳能电池功率转换效率的影响。 该论文的主要研究对象是金纳米棒（AuNRs）被不同厚度的SiO2壳层包裹的核壳结构，这是通过将这些核壳结构嵌入到聚合物太阳能电池的光活性层中或在光活性层/空穴提取层界面中进行的。研究发现，当SiO2壳层厚度为2至3纳米时，可以获得最高的短路电流密度（21.2 mA/cm²）和光电转换效率（PCE，9.55%）。这一结果是由于超薄SiO2涂层的金纳米棒能够产生极强的局域场，以及局域表面等离激元共振（LSPR）的衰减变慢，从而使得局域场的强度在活性层中保持高值，进而显著提高PTB7的吸收。 这项研究为如何精确控制金属纳米颗粒的壳层提供了清晰的设计概念，以此实现高效率的等离激元聚合物太阳能电池。这一设计概念的提出，源于有机太阳能电池在载流子迁移率极低的有机/聚合物材料（一般为10^-4 cm²/V·s）中，其光活性层必须非常薄（100nm或以下）以实现有效的载流子提取。然而，这样的薄光活性层会导致入射阳光的大量损失，进而造成光吸收效率和光电转换效率（PCE）的显著降低。 研究还指出，将核壳金属纳米颗粒定位在光活性层或光活性层/空穴提取层界面，有利于充分利用表面等离激元能量，从而增强等离激元有机光伏器件的PCE。金属表面等离激元（SPs）已被广泛应用于有机光伏器件中，显著提高光活性层中的光捕获能力，从而通过增强局部场来提高短路电流密度（Jsc）和PCEs。 这篇研究论文强调了SiO2壳层厚度的重要性，并通过实验验证了其对等离激元聚合物太阳能电池性能的正面影响。实验结果表明，SiO2壳层厚度的优化可显著增强有机光伏器件的光电性能，证明了采用核壳结构的金属纳米粒子在有机光伏技术中的潜在应用价值。这项工作不仅为我们提供了有关核壳结构等离激元粒子在有机光伏器件中的应用的知识，而且还为有机光伏器件的未来设计与制造提供了指导。