聚合物太阳能电池因其质轻、柔性、成本低廉以及适用于卷对卷方式生产等优点引起国内外学术和产业界的极大关注。然而,与硅基太阳能电池相比,聚合物太阳能电池较低光吸收能力导致的较低光电转换效率制约了其进一步发展。聚合物太阳能电池的活性层一般由共轭聚合物给体和富勒烯衍生物受体构成,其相对较低载流子迁移率与短激子扩散距离极大地限制了活性层的厚度(<~200 nm),不利于器件的光吸收。表面等离子体光学提出在纳米尺度上操纵和束缚光子,为在不改变活性层厚度的情况下提高电池的光吸收水平提供了一条新的有效途径。在金属纳米粒子增强聚合物太阳能电池的相关研究工作中,一般采用将金属纳米粒子混入电池缓冲层或活性层溶液中再进行旋涂制膜的添加方式。该方法需要经过粒子合成、提纯、再分散、旋涂等多个步骤,过程繁琐且极易引起金属纳米粒子的团聚,这不但减弱了其表面等离子共振效应,还可能破坏电池活性层的微观形貌,有损电池性能。因此,解决金属纳米粒子在电池中的团聚是充分利用其表面等离子体共振效应提升电池光吸收和光电转换效率的一个关键问题。此外,等离子金属纳米结构在电池中的添加位置也对其增强活性层的光吸收效果具有显著影响。将金属纳米粒子置于在电池缓冲层以及电极界面上虽可避免与活性层的直接接触导致的激子内复合,但表面局域等离子共振效应集中在其表面近场范围,不利于被活性层利用提升电池的光吸收。基于上述分析,本论文针对金属纳米粒子在电池中的团聚问题以及添加位置,提出了三种金属纳米粒子优化聚合物太阳能电池的方案:(1)基于超声法,在二维氧化钛表面实现粒径可控、多形貌金纳米颗粒的制备极大地简化了金纳米粒子的制备及其在电池中的添加工艺,解决了金属纳米粒子在电池中的团聚问题,拓宽了表面等离子体共振吸收峰,将基于P3HT和PTB7聚合物活性层的电池平均光电转换效率大幅提升了20%和14%。(2)基于组装和反应离子刻蚀技术,横向上避免了团聚,纵向上构筑了Au/Ti O2柱状阵列,成功地将金属纳米粒子伸入活性层,电池光电转换效率获得了一定程度上的提升,后期仍可以通过优化粒子分布密度、柱状结构高度等参数,获得进一步优化空间。(3)基于真空热蒸发镀膜和热处理工艺,在Ti O2阴极缓冲层界面构筑了分散均匀、粒径可控的金球阵列,彻底避免了粒子团聚,结合反应离子刻蚀技术,发展了一种更简易的Au/Ti O2柱状阵列结构构筑方法。此外,我们还采用该工艺成功制备了银纳米球和金/银合金纳米球,这为综合利用不同种类金属等离子体纳米结构优化聚合物电池性能的研究提供了可能。综上,本论文开发了三种简易的金等离子体纳米结构制备方法,解决了纳米粒子的团聚问题,研究了金属纳米粒子在电池中对其增强电池活性层光吸收水平的影响,大幅提升了电池的光电转换效率,揭示了金纳米粒子阵列对聚合物太阳能电池性能提升的机理。此外,鉴于贵金属-氧化钛复合结构独特的光电响应特性,本论文开发的方案在其他光伏器件,以及光解水、光催化氧化还原等多种光电器件中也具有潜在的应用价值。