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表面等离激元增强的染料敏化太阳能电池中的电磁近场增强与表面能量转移

贵金属纳米颗粒的表面等离激元共振增强效应已被广泛地用于生物传感芯片和亚波长量级的光电子器件。当把这些纳米颗粒用于改进太阳能电池和LED等光电子器件的光电转换效率时,一般需要在颗粒表面包覆一层介电层用于避免能量淬灭。由于表面等离激元近场分布具有很强的空间局域性,一般认为表面包覆的介电层越薄越好。然而,在金属纳米颗粒和器件光吸收层间存在一个无辐射跃迁的表面能量转移(surface energy transfer)过程,使得在介电层厚度很小的时候等离激元共振增强效应会被显著弱化。


近日,香港理工大学应用物理学系雷党愿课题组黄海涛课题组合作,首次在染料敏化太阳能电池体系中研究了表面能量转移等离激元共振增强两种效应的相互竞争机制。他们发现,随着纳米金属颗粒表面包覆的介电层厚度逐步减少,表面等离激元共振产生的局域电场会引起太阳能电池的光电流随之增加。然而,表面能量转移又会湮灭光生电子-空穴对,从而引起光电流随之减小。因此,在表面等离激元共振增强的染料敏化太阳能电池中,存在一个最佳的包覆纳米金属颗粒的介电层厚度。当包覆的SiO2介电层厚度约为7纳米时,太阳能电池可获得最大的光电流,该实验结果与计算结果十分吻合。


表面等离激元共振增强和表面能量转移这两种相互竞争的效应不仅存在于染料敏化太阳能电池中,也普遍存在于其它利用金属纳米颗粒表面等离激元增强效应的各种光电子器件中。该研究成果发表于《纳米能源》(Nano Energy),博士后Yip Cho Tung(现为哈工大深圳研究生院教授)和博士生刘晓霖(现为上海电力学院讲师)为共同第一作者


该研究工作得到了香港研究资助局的大力支持。


http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285516301392


原文:Strong competition between electromagnetic enhancement and surface-energy-transfer induced quenching in plasmonic dye-sensitized solar cells: A generic yet controllable effect

Nano Energy, 2016, 26, 297-304, DOI: 10.1016/j.nanoen.2016.05.016


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