專利名稱：一種能夠提高光吸收效率的有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種有機(jī)太陽(yáng)能電池，特別涉及一種能夠提高光吸收效率的有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，人類環(huán)境問(wèn)題日益加劇，為太陽(yáng)能在未來(lái)的發(fā)展提供了廣闊的空間，作為能將光能轉(zhuǎn)換成電能的器件，太陽(yáng)能電池自然成為其中最受關(guān)注的焦點(diǎn)。自1%4年貝爾實(shí)驗(yàn)室首次發(fā)明太陽(yáng)能電池以來(lái)，至今已經(jīng)歷了晶體硅太陽(yáng)能電池、薄膜太陽(yáng)能電池以及新型太陽(yáng)能電池三個(gè)發(fā)展階段，根本的目標(biāo)就是不斷降低制造成本，最大程度的提高光電轉(zhuǎn)換效率。作為新型太陽(yáng)電池的代表之一，有機(jī)太陽(yáng)能電池以其簡(jiǎn)單的工藝、低能耗、可使用柔性襯底及實(shí)現(xiàn)大面積制造等優(yōu)勢(shì)在近幾年越來(lái)越受到各國(guó)家研究者的關(guān)注。如今，基于聚合物有機(jī)材料太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)能夠超過(guò)6%。然而，相對(duì)于傳統(tǒng)晶體硅太陽(yáng)電池而言，這個(gè)效率還十分低，造成這一現(xiàn)象的主要原因是有機(jī)材料的載流子遷移率低，導(dǎo)致擴(kuò)散長(zhǎng)度只有幾十納米，所以要想激發(fā)出的載流子有效輸運(yùn)避免復(fù)合，光活性層的厚度就要很薄(幾十納米)，但很薄的光活性層不能充分的吸收入射光，導(dǎo)致光吸收效率大幅降低從而影響電池性能。所以，如何增強(qiáng)有機(jī)光伏電池的光吸收效率，成為了該領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，微納技術(shù)獲得了迅速發(fā)展，這一領(lǐng)域旨在研究微米納米尺度下相關(guān)的科學(xué)與應(yīng)用技術(shù)等問(wèn)題。隨著微納加工、控制、檢測(cè)技術(shù)手段的不斷進(jìn)步，亞波長(zhǎng)金屬結(jié)構(gòu)的奇異光學(xué)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)，并隨之迅速發(fā)展出了表面等離子體光學(xué)(Surface Plasmon Optics)。表面等離子體光學(xué)的本質(zhì)特征是束縛在金屬表面?zhèn)鬏數(shù)淖杂呻娮用芏炔ㄅc電磁場(chǎng)之間的相互作用，其研究對(duì)象是亞波長(zhǎng)尺度下的金屬結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)具有特殊的光場(chǎng)調(diào)制特性，在諸多技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用研究也已經(jīng)廣泛開(kāi)展。于是，一種可行的提高太陽(yáng)電池光吸收的辦法出現(xiàn)，即利用金屬表面激發(fā)的局域表面等離子體(localized surface plasmons)，其產(chǎn)生原因是由于亞波長(zhǎng)尺寸的金屬顆粒表面自由電子同入射電磁波在滿足一定條件下發(fā)生耦合共振，產(chǎn)生了局域在金屬表面的電磁波，其中的一部分電磁波能量能夠通過(guò)散射的形式傳播出去，這部分散射出去的電磁波可以用來(lái)增加太陽(yáng)能電池接收到的電磁波能量，從而增加電池的光吸收。這種方法已經(jīng)在晶硅太陽(yáng)能電池和非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池中得到了很好的運(yùn)用， 但是還沒(méi)有系統(tǒng)的運(yùn)用在有機(jī)太陽(yáng)能電池中，特別是超薄光活性層的有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池中。由于金屬顆粒的局域表面等離子體共振特性主要決定于納米金屬顆粒的尺寸、周期及形狀，同時(shí)共振條件又受到周圍電介質(zhì)環(huán)境等因素的影響，另外，電池自身結(jié)構(gòu)和材料特性也都會(huì)影響其性能。目前為止針對(duì)這些機(jī)制還未提出一套系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)方法，也未設(shè)計(jì)出最完善的金屬顆粒結(jié)構(gòu)應(yīng)用于超薄有機(jī)太陽(yáng)能電池中。

發(fā)明內(nèi)容
基于上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)階段有機(jī)太陽(yáng)能電池光吸收效率低的問(wèn)題，即為了滿足有機(jī)光活性層材料的擴(kuò)散長(zhǎng)度要求而降低了其厚度以后，所引起的有機(jī)太陽(yáng)能電池嚴(yán)重的光吸收不足、性能下降等技術(shù)問(wèn)題。本發(fā)明的技術(shù)方案為提供了一種能夠提高光吸收效率的有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)是在有機(jī)太陽(yáng)能電池的空穴傳輸層中設(shè)計(jì)一層納米金屬結(jié)構(gòu)，利用金屬結(jié)構(gòu)，通過(guò)入射電磁波激發(fā)的局域表面等離子共振來(lái)增強(qiáng)有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池的光吸收。具體內(nèi)容如下技術(shù)方案1、如

圖1所示為光吸收增強(qiáng)型有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)，由圖中所示，一種能夠提高光吸收效率的有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池，所述電池的結(jié)構(gòu)自上而下分別為透明襯底1 ；透明電極2，是一層透明導(dǎo)電層，沉積于玻璃襯底上，其作為所述電池結(jié)構(gòu)的陽(yáng)極， 材料為氧化銦錫(ITO)；空穴傳輸層3，旋涂于透明電極2上；納米金屬結(jié)構(gòu)4，其制備于空穴傳輸層3內(nèi)部，能夠?qū)崿F(xiàn)光吸收增強(qiáng)；光活性層5，其為有機(jī)半導(dǎo)體高分子材料，旋涂于空穴傳輸層3表面；金屬背電極6，用于降低陰極功函數(shù)，有利于電子傳輸；其中，所述納米金屬結(jié)構(gòu)4為周期性Ag金屬納米顆粒，所述周期性Ag金屬納米顆粒能夠增強(qiáng)有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池的光吸收效率，根據(jù)Mie理論獲得當(dāng)入射電磁波同金屬顆粒自身結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足下述條件時(shí)，能夠同金屬顆粒表面的自由電子發(fā)生耦合共振
權(quán)利要求
1.一種能夠提高光吸收效率的有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池，其特征在于所述電池的結(jié)構(gòu)自上而下分別為透明襯底(1)；透明電極O)，是一層透明導(dǎo)電層，沉積于玻璃襯底上，其作為所述電池結(jié)構(gòu)的陽(yáng)極，材料為氧化銦錫(ITO)；空穴傳輸層(3)，旋涂于透明電極(2)上；納米金屬結(jié)構(gòu)G)，其制備于空穴傳輸層(3)內(nèi)部，能夠?qū)崿F(xiàn)光吸收增強(qiáng)； 光活性層(5)，其為有機(jī)半導(dǎo)體高分子材料，旋涂于空穴傳輸層( 表面； 金屬背電極(6)，用于降低陰極功函數(shù)，有利于電子傳輸；其中，所述納米金屬結(jié)構(gòu)(4)為周期性^Vg金屬納米顆粒，所述周期性^Vg金屬納米顆粒能夠提高有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池的光吸收效率，根據(jù)Mie理論獲得當(dāng)入射電磁波同金屬顆粒自身結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足下述條件時(shí)，能夠同金屬顆粒表面的自由電子發(fā)生耦合共振^ = 一 -- ( 1 ) BjL ■ U式中，ε m為金屬的介電常數(shù)實(shí)部； εD為金屬顆粒周圍環(huán)境的介電常數(shù)實(shí)部； L為整數(shù)，表示發(fā)生共振的階數(shù)；于是耦合共振形成了局域在金屬顆粒表面的強(qiáng)電磁場(chǎng)，也被稱為局域表面等離子共振，共振時(shí)電磁場(chǎng)能量分為兩部分，一部分被金屬顆粒自身吸收，另一部分會(huì)通過(guò)散射傳播出去，即所謂的共振吸收與共振散射；基于公式(1)，設(shè)計(jì)金屬顆粒于太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)中， 利用共振散射效應(yīng)讓共振產(chǎn)生的電磁波散射進(jìn)入光活性層內(nèi)，增加了單位面積光活性層接收到的光強(qiáng)，從而提高了光吸收效率；所述光活性層( 中的光活性層為35nm超薄厚度，能夠很好得滿足有機(jī)半導(dǎo)體材料載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度要求，使得載流子傳輸效率保持在很高的水平，又通過(guò)所述的納米金屬結(jié)構(gòu) (4)的共振散射增強(qiáng)光吸收作用，使得光活性層( 材料的光吸收效率不但同厚度較大時(shí)相當(dāng)，而且產(chǎn)生的載流子能夠更好的輸運(yùn)避免復(fù)合，從而提高了電池內(nèi)量子效率，提升電池性能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種能夠提高光吸收效率的有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池，其特征在于所述周期性Ag金屬納米顆粒結(jié)構(gòu)中的Ag金屬顆粒為固定直徑IOOnm的球體，這一尺寸能夠使局域表面等離子共振強(qiáng)度達(dá)到最大且此時(shí)的散射強(qiáng)度遠(yuǎn)大于吸收強(qiáng)度占據(jù)主導(dǎo)，于是通過(guò)散射進(jìn)入光活性層的電磁波強(qiáng)度達(dá)到最大，從而最大程度的提高有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池的光吸收效率，這是基于高階模式存在的情況下，金屬顆粒局域表面等離子共振橫截面的散射(Csra)及吸收(Cabs)公式及二者強(qiáng)度與金屬顆粒尺寸的關(guān)系式中，D為金屬顆粒直徑；Csca和Cabs分別為Ag金屬顆粒橫截面總的散射和吸收；Cscal和Cabsl分別為Ag金屬顆粒橫截面偶極共振的散射和吸收；Σ￡ζ Wsi^PSS; Qtt分別為Ag金屬顆粒橫截面高階模式共振的散射和吸收的疊加值；首先，上述(3)、(5)式說(shuō)明隨顆粒尺寸增加，橫截面散射強(qiáng)度的提高更快，會(huì)隨著直徑增大逐漸在共振中占據(jù)主導(dǎo)；而O)、(4)式的計(jì)算結(jié)果表明，隨著直徑繼續(xù)增大，雖然兩式等號(hào)右邊第二項(xiàng)高階共振的累加值會(huì)增加，但是等號(hào)右邊第一項(xiàng)偶極共振強(qiáng)度會(huì)減小，在上述公式( 至(5)中存在一個(gè)最優(yōu)的金屬顆粒直徑使得共振散射達(dá)到最大，得出能夠使共振散射強(qiáng)度達(dá)到峰值的最優(yōu)金屬顆粒直徑為lOOnm，此時(shí)能夠最大限度的增強(qiáng)有機(jī)太陽(yáng)能電池的光吸收，最大限度的提高效率。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種能夠提高光吸收效率的有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池，其特征在于100nm直徑Ag金屬顆粒呈周期性排列，且排列周期為150-500nm的固定范圍，在這一區(qū)間通過(guò)改變其周期大小，調(diào)節(jié)金屬顆粒的局域表面等離子共振條件，從而可以根據(jù)電池光活性層材料的光譜吸收規(guī)律，并結(jié)合太陽(yáng)光譜能量分布，通過(guò)設(shè)計(jì)金屬顆粒的排列周期，將最強(qiáng)的散射共振條件調(diào)整到最有利于光活性層材料吸收的波段范圍，最大程度提高有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池的光譜利用率，這是基于金屬顆粒之間的電共振獲得金屬顆粒周期性排列， 當(dāng)入射電磁波照射時(shí)，金屬顆粒內(nèi)部產(chǎn)生極化電場(chǎng)，極化電場(chǎng)會(huì)造成金屬球之間產(chǎn)生電共振，并增加金屬球間的能量密度，導(dǎo)致金屬顆粒的局域表面等離子共振條件改變，不同的周期產(chǎn)生電共振效果不同，但周期過(guò)小造成嚴(yán)重的擋光，過(guò)大則沒(méi)有調(diào)制效果，據(jù)此可設(shè)計(jì)出有效周期范圍并利用金屬顆粒周期調(diào)制共振的方法以滿足不同光活性層有機(jī)材料的吸收規(guī)律。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種能夠提高光吸收效率的有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池，其特征在于所述有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池能夠在可見(jiàn)光波段提高電池光吸收性能20%以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種能夠提高光吸收效率的有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池，其特征在于所述透明襯底(1)為玻璃襯底(11)；所述透明電極⑵為厚度為150nm的透明ITO電極Ql)；所述空穴傳輸層(3)為厚度IOOnm的空穴傳輸層(31)，其材料為高分子材料聚(3， 4-乙烯基二氧噻吩)聚(苯乙烯磺酸鹽)(PED0T:PSS)；所述納米金屬結(jié)構(gòu)(4)為Ag顆粒周期列陣；所述光活性層( 為膜厚度35nm的光活性層(51)，其光活性層材料選用聚(3-己基噻吩)(P3HT)和1-(3-甲氧基羰基)丙基-1-苯基[6，6] C61 (PCBM)的共混薄膜(P3HT:PCBM)；所述金屬背電極(6)為Al電極(61)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種能夠提高光吸收效率的有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池，該有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)包括透明襯底(1)；透明電極(2)，沉積于玻璃襯底上；空穴傳輸層(3)，旋涂于透明電極(2)上；納米金屬結(jié)構(gòu)(4)，其制備于空穴傳輸層(3)內(nèi)部，能夠?qū)崿F(xiàn)光吸收增強(qiáng)；光活性層(5)，其為有機(jī)半導(dǎo)體高分子材料，旋涂于空穴傳輸層(3)表面；金屬背電極(6)。本發(fā)明通過(guò)對(duì)納米金屬結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)，將太陽(yáng)光中最有利于光活性層有機(jī)材料吸收的電磁波波段耦合進(jìn)入其薄膜內(nèi)部，最大程度實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池的光吸收效率，從根本上提高了有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換性能。
文檔編號(hào)H01L51/44GK102368538SQ20111027670
公開(kāi)日2012年3月7日 申請(qǐng)日期2011年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月19日
發(fā)明者孫晨, 張?jiān)＠? 杜春雷, 董小春, 鄧啟凌, 高洪濤 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所