《Organic Electronics》：Reduced Angular Dependence of Organic Solar Cell Efficiency on Incident Light Using Polystyrene:Poly(methyl methacrylate) Microstructure
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王浩然|何帆|王云龙|刘秉彦|赵玲|纪洪珠|李淑红|王文军|史强|刘云龙|黄迪中国山东省光学通信科学技术重点实验室，聊城大学物理科学与信息技术学院，聊城252059摘要有机太阳能电池（OSCs）由于其环保性、轻质性和灵活性而成为下一代光伏技术的热门研究对象。然而，OSCs的性能对
王浩然|何帆|王云龙|刘秉彦|赵玲|纪洪珠|李淑红|王文军|史强|刘云龙|黄迪
中国山东省光学通信科学技术重点实验室，聊城大学物理科学与信息技术学院，聊城252059
摘要
有机太阳能电池（OSCs）由于其环保性、轻质性和灵活性而成为下一代光伏技术的热门研究对象。然而，OSCs的性能对入射光角度的变化非常敏感，这在一定程度上限制了它们在实际照明条件下的应用。本文通过在器件背面采用简单的旋涂工艺制备由聚苯乙烯（PS）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）组成的微结构薄膜，来减少OSCs效率对入射光的依赖性。在3:7的最佳混合比例下，形成了类似沟槽的微结构，增强了内部光反射并延长了光路径长度。结果，短路电流密度从25.54 mA/cm2增加到26.47 mA/cm2，功率转换效率从14.08%提高到14.77%。更重要的是，该器件在45°的倾斜入射角度下仍保持了94.1%的初始效率，显示出优异的角度独立性。这项研究为减少OSCs性能对入射光的依赖性提供了一种有前景的方法，有望促进其在实际工业应用中的更广泛采用。
引言
有机太阳能电池（OSCs）因其环保、重量轻、制造成本低和机械柔韧性等优势而受到广泛关注[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。得益于材料合成、形态控制、界面工程等方面的进步，OSCs的性能在过去十年中得到了显著提升。目前，单结OSCs的功率转换效率（PCE）已超过20%[8]、[9]、[10]，为其工业应用奠定了坚实基础。然而，这一数值仍低于无机太阳能电池。
传统的OSCs存在固有的光学限制。其中一个限制是光传播距离不足导致吸收效率低下。有机半导体中的激子扩散长度通常约为10-20纳米，这使得最佳活性层厚度限制在100-300纳米范围内。然而，在这个厚度范围内，由于光路径长度有限，阳光吸收仍然不足[11]、[12]、[13]。提高光捕获效率的关键策略是将光子结构集成到器件结构中，通过促进内部散射或延长光路径长度来增强光吸收[14]。Song等人用分布式布拉格反射器（DBRs）替换了部分金属电极，以实现所需的反射相位。通过有效匹配反反射共振与活性层的高吸收光谱范围，器件的整体吸收率提高了31%[15]。Hao等人证明，在透明OSC设计中引入光子晶体后，活性层内的总吸收率提高了51.5%，相对于没有这种结构的透明OSC提高了1.78%，并达到了不透明器件的76%的吸收水平。这种提升主要归因于光子晶体引起的布拉格禁戒反射效应[16]。Feng等人提出了二维双周期波纹结构，以实现OSCs中的宽带光捕获。这些波纹由两组不同周期的光栅组成，通过调整微结构周期，在阴极/有机界面处有效激发表面等离子体极化子共振，覆盖了宽波长范围。理论结果证实，与传统的平面器件相比，宽带光吸收得到了31%的提升[17]。Mayer等人提出了一种自支撑的非吸收性光管理薄膜，其表面无规则，可以独立附着在薄膜光伏的基底上。这种薄膜包含嵌入聚合物基体中的高折射率纳米结构周期性阵列，设计用于抵抗环境暴露和污染。通过非对称设计的层，大部分入射光被引导到第一衍射级并在器件内部被捕获。这种方法使得在常温空气条件下制造的有机印刷太阳能电池的PCE提高了11%[18]。类似地，李的团队开发了一种简单且经济的光管理策略，使用两步软纳米压印工艺在有机太阳能电池中引入双周期光栅设计。优化的光栅配置使光电流生成提高了11.6%，基于PTB7:PC71BM混合物的器件PCE达到了9.92%[19]。虽然上述设计可以提升器件性能，但许多此类光管理方法依赖于复杂的制造步骤，与纳米级有机层的兼容性较差，或在大规模精确图案化方面遇到困难。这些因素共同限制了它们的广泛应用。因此，开发简单且对材料友好的方法来构建有效的光捕获特性对于实现高性能有机太阳能电池至关重要。
另一个固有的光学限制是高折射率不匹配和角度依赖的干涉效应。有机材料的折射率通常较高（n ≈ 1.7–2.0），与周围空气（n ≈ 1.0）之间存在显著差异。这种差异在空气/活性层界面产生较大的菲涅尔反射。即使在正常入射下也会发生反射，但在倾斜照明下反射会显著增强。此外，平面薄膜结构本质上形成了一个光学腔体，入射光在顶部和底部电极之间发生相干干涉。入射角度的变化会显著改变腔体的干涉条件，从而在特定波长处增强或抑制吸收，进而导致器件光响应的强烈光谱依赖性[20]。实际户外条件与标准实验室测量条件（通常在0度入射下进行）有很大不同。实际上，随着太阳天顶角的变化，阳光入射角度会连续变化。这种变化不仅使有效辐照度降低了cosθ倍，还改变了薄膜器件结构内的菲涅尔反射和光学干涉模式。例如，Kim等人观察到，当入射角度从0°增加到50°时，基于P3HT:PCBM的OSC的JSC明显下降[21]。同样，Md. Sadman Sakib Rahman报告称，在60°入射下，同一混合物的外部量子效率显著下降，主要是由于光生成剖面与最大内部电场区域不对齐。引入光子表面纹理已被证明可以有效缓解这种角度损失[22]。因此，减少OSCs的光电转换性能对太阳入射角度的依赖性至关重要。Feng Liu的团队通过在活性层内构建纳米到微米级的层次结构来减轻OSCs的角度依赖性。形成的微尺度表面纹理实现了高效的光捕获，在50°的大入射角度下保持了85%的原始PCE，并有效提高了日功率输出[23]。然而，这种策略相当复杂，严格依赖于特定相变固体添加剂（1,4-二碘苯，DIB）的协同效应以及包括热退火和溶剂蒸汽退火在内的复杂多步后处理。因此，迫切需要开发一种简单易操作的策略来减少OSCs效率对入射光的依赖性。
在这里，我们使用了聚苯乙烯（PS）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的相分离混合物来创建微结构。通过改变PS:PMMA的混合比例，可以轻松调节表面形态。这种方法为微结构制备提供了一种简单高效的方法。当应用于OSC的背面时，微结构层将镜面反射转化为漫反射，而不改变器件结构，从而促进光捕获。在最佳的PS:PMMA比例3:7下，类似沟槽的微结构显著增强了器件内的光反射和光路径长度。结果，短路电流密度从25.54 mA/cm2增加到26.47 mA/cm2，功率转换效率从14.08%提高到14.77%。此外，改进后的器件具有宽的太阳接受角度，在45°的倾斜入射下仍保持了94.1%的初始效率。这些改进可能有助于OSCs的潜在商业化应用。
章节片段
结果与讨论
如图1a所示，选择PS和PMMA作为背面纹理材料是因为它们具有不同的物理化学性质。一个关键因素是它们在氯仿中的溶解度不同：PMMA的溶解度明显高于PS。这种溶解度的差异在热退火过程中驱动了聚合物相分离，形成了自组装的微纳米结构[24]。通过调节PS:PMMA的混合比例，可以精细控制
结论
总之，本研究提出了基于PS:PMMA相分离的微结构薄膜，以增强有机太阳能电池中的光捕获效果。通过在玻璃基底背面引入PS:PMMA微结构层，实现了对器件内光传播路径的有效控制。通过调整PS与PMMA的混合比例，可以精确控制微结构的形态。
CRediT作者贡献声明
李淑红：监督、资源获取、资金筹集。纪洪珠：撰写 – 审稿与编辑、验证、资金筹集、正式分析。赵玲：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、资金筹集。刘秉彦：研究、概念化。王云龙：验证、研究。何帆：撰写 – 审稿与编辑、研究。王浩然：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、研究、概念化。黄迪：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（61775089、62504081）、山东省自然科学基金（ZR2022MF240）以及聊城大学项目（318011904、318051650、318012024）的支持。
