簡要地說，有機(jī)太陽能電池的原理和薄膜硅太陽能電池一樣，其產(chǎn)生并且分離負(fù)電荷的工作層大約厚200-300納米。這么一個(gè)薄層的有機(jī)物光電材料，很難吸收太陽光，因?yàn)榇蟛糠止饽軙?huì)透過電池，不能被轉(zhuǎn)化為電能。如果增加工作層的厚度，分離的正負(fù)電荷又傾向于在移動(dòng)過程中重新合并，難以到達(dá)兩側(cè)電極。這個(gè)難題常常讓研究人員感到束手無策，直到最近一種新的解決方法被提出來：利用表面等離子體來提高電池對(duì)于光能的捕捉和吸收。
當(dāng)一束光照射到金屬納米顆粒上時(shí)，與光的波長相比，顆粒的尺寸要小得多，所以金屬納米顆粒的電子將會(huì)隨著光波的振動(dòng)而發(fā)生位移，造成電子云的往復(fù)偏移，這樣電子就得到了一部分光能，同時(shí)也能夠?qū)⒐饩€束縛在自身結(jié)構(gòu)周圍內(nèi)。也就是說，金屬納米顆粒以及納米結(jié)構(gòu)，可以很好地束縛、增強(qiáng)，并且限制光能的傳播。
基于這個(gè)原理，我們可以在有機(jī)太陽能電池的工作層中間做出多種納米級(jí)金屬結(jié)構(gòu)，通過光和納米結(jié)構(gòu)的相互作用，來促進(jìn)光能的吸收和轉(zhuǎn)化。
我所在的實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行的研究包括，怎么采用自主裝的方式來快速、低價(jià)地合成較大尺寸的納米級(jí)金屬結(jié)構(gòu)，以捕獲光能。經(jīng)過研究，目前有幾種結(jié)構(gòu)已經(jīng)得到了驗(yàn)證。如a所示，在表層嵌入納米顆粒，這樣光線就會(huì)廣泛地散射，而不是直接透過電池。所以光線會(huì)在電池中往復(fù)折返數(shù)次，提高了光吸收的比例。在圖b中，在中間界面嵌入納米顆粒，光線入射到這層納米顆粒中間時(shí)，就會(huì)被它們束縛住，不再會(huì)穿過電池，所以光線就被困在了電池內(nèi)部，大大提高了吸收效率。另外圖c中：在底層制作出納米尺度的金屬光柵結(jié)構(gòu)，這樣入射的光線將會(huì)被金屬光柵結(jié)構(gòu)束縛在表面，光線只能沿著光柵方向傳播而不是直接從背面出射，這樣增加了光線在電池內(nèi)部的傳播距離，所以提高了吸收和轉(zhuǎn)化為電能的效率。
總體上講，金屬納米顆粒的使用，使得入射的陽光更廣泛地分散，以使更多的光線進(jìn)入太陽能電池。同時(shí)，不同大小和材質(zhì)的微?？梢圆东@更多的波長范圍的光能，并且用以產(chǎn)生電能。這樣就大大提高了有機(jī)太陽能電池的發(fā)電效率，進(jìn)一步將它推向大規(guī)模的應(yīng)用。（作者為比利時(shí)魯汶大學(xué)化學(xué)系博士生 蘇亮）
