專利名稱：一種能夠提高光吸收效率的有機薄膜太陽能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種有機太陽能電池，特別涉及一種能夠提高光吸收效率的有機薄膜太陽能電池。
背景技術(shù)：
近年來，人類環(huán)境問題日益加劇，為太陽能在未來的發(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，太陽能電池自然成為其中最受關(guān)注的焦點。自1%4年貝爾實驗室首次發(fā)明太陽能電池以來，至今已經(jīng)歷了晶體硅太陽能電池、薄膜太陽能電池以及新型太陽能電池三個發(fā)展階段，根本的目標就是不斷降低制造成本，最大程度的提高光電轉(zhuǎn)換效率。作為新型太陽電池的代表之一，有機太陽能電池以其簡單的工藝、低能耗、可使用柔性襯底及實現(xiàn)大面積制造等優(yōu)勢在近幾年越來越受到各國家研究者的關(guān)注。如今，基于聚合物有機材料太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)能夠超過6%。然而，相對于傳統(tǒng)晶體硅太陽電池而言，這個效率還十分低，造成這一現(xiàn)象的主要原因是有機材料的載流子遷移率低，導致擴散長度只有幾十納米，所以要想激發(fā)出的載流子有效輸運避免復合，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，導致光吸收效率大幅降低從而影響電池性能。所以，如何增強有機光伏電池的光吸收效率，成為了該領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵。進入21世紀以來，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)的科學與應(yīng)用技術(shù)等問題。隨著微納加工、控制、檢測技術(shù)手段的不斷進步，亞波長金屬結(jié)構(gòu)的奇異光學現(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(Surface Plasmon Optics)。表面等離子體光學的本質(zhì)特征是束縛在金屬表面?zhèn)鬏數(shù)淖杂呻娮用芏炔ㄅc電磁場之間的相互作用，其研究對象是亞波長尺度下的金屬結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)具有特殊的光場調(diào)制特性，在諸多技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用研究也已經(jīng)廣泛開展。于是，一種可行的提高太陽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散射的形式傳播出去，這部分散射出去的電磁波可以用來增加太陽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)在晶硅太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池中得到了很好的運用， 但是還沒有系統(tǒng)的運用在有機太陽能電池中，特別是超薄光活性層的有機薄膜太陽能電池中。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)和材料特性也都會影響其性能。目前為止針對這些機制還未提出一套系統(tǒng)的研究和設(shè)計方法，也未設(shè)計出最完善的金屬顆粒結(jié)構(gòu)應(yīng)用于超薄有機太陽能電池中。

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)問題是克服現(xiàn)階段有機太陽能電池光吸收效率低的問題，即為了滿足有機光活性層材料的擴散長度要求而降低了其厚度以后，所引起的有機太陽能電池嚴重的光吸收不足、性能下降等技術(shù)問題。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薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)，特點是在有機太陽能電池的空穴傳輸層中設(shè)計一層納米金屬結(jié)構(gòu)，利用金屬結(jié)構(gòu)，通過入射電磁波激發(fā)的局域表面等離子共振來增強有機薄膜太陽能電池的光吸收。具體內(nèi)容如下技術(shù)方案1、如

圖1所示為光吸收增強型有機薄膜太陽能電池的結(jié)構(gòu)，由圖中所示，一種能夠提高光吸收效率的有機薄膜太陽能電池，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，是一層透明導電層，沉積于玻璃襯底上，其作為所述電池結(jié)構(gòu)的陽極， 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；光活性層5，其為有機半導體高分子材料，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有機薄膜太陽能電池的光吸收效率，根據(jù)Mie理論獲得當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，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薄膜太陽能電池，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)，是一層透明導電層，沉積于玻璃襯底上，其作為所述電池結(jié)構(gòu)的陽極，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； 光活性層(5)，其為有機半導體高分子材料，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薄膜太陽能電池的光吸收效率，根據(jù)Mie理論獲得當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，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)實部； εD為金屬顆粒周圍環(huán)境的介電常數(shù)實部； 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電磁場，也被稱為局域表面等離子共振，共振時電磁場能量分為兩部分，一部分被金屬顆粒自身吸收，另一部分會通過散射傳播出去，即所謂的共振吸收與共振散射；基于公式(1)，設(shè)計金屬顆粒于太陽能電池結(jié)構(gòu)中， 利用共振散射效應(yīng)讓共振產(chǎn)生的電磁波散射進入光活性層內(nèi)，增加了單位面積光活性層接收到的光強，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半導體材料載流子擴散長度要求，使得載流子傳輸效率保持在很高的水平，又通過所述的納米金屬結(jié)構(gòu) (4)的共振散射增強光吸收作用，使得光活性層( 材料的光吸收效率不但同厚度較大時相當，而且產(chǎn)生的載流子能夠更好的輸運避免復合，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薄膜太陽能電池，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度達到最大且此時的散射強度遠大于吸收強度占據(jù)主導，于是通過散射進入光活性層的電磁波強度達到最大，從而最大程度的提高有機薄膜太陽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)式說明隨顆粒尺寸增加，橫截面散射強度的提高更快，會隨著直徑增大逐漸在共振中占據(jù)主導；而O)、(4)式的計算結(jié)果表明，隨著直徑繼續(xù)增大，雖然兩式等號右邊第二項高階共振的累加值會增加，但是等號右邊第一項偶極共振強度會減小，在上述公式( 至(5)中存在一個最優(yōu)的金屬顆粒直徑使得共振散射達到最大，得出能夠使共振散射強度達到峰值的最優(yōu)金屬顆粒直徑為lOOnm，此時能夠最大限度的增強有機太陽能電池的光吸收，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薄膜太陽能電池，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)合太陽光譜能量分布，通過設(shè)計金屬顆粒的排列周期，將最強的散射共振條件調(diào)整到最有利于光活性層材料吸收的波段范圍，最大程度提高有機薄膜太陽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， 當入射電磁波照射時，金屬顆粒內(nèi)部產(chǎn)生極化電場，極化電場會造成金屬球之間產(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，但周期過小造成嚴重的擋光，過大則沒有調(diào)制效果，據(jù)此可設(shè)計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薄膜太陽能電池，其特征在于所述有機薄膜太陽能電池能夠在可見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薄膜太陽能電池，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薄膜太陽能電池，該有機薄膜太陽能電池的結(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；光活性層(5)，其為有機半導體高分子材料，旋涂于空穴傳輸層(3)表面；金屬背電極(6)。本發(fā)明通過對納米金屬結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計，將太陽光中最有利于光活性層有機材料吸收的電磁波波段耦合進入其薄膜內(nèi)部，最大程度實現(xiàn)了增強有機薄膜太陽能電池的光吸收效率，從根本上提高了有機薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換性能。
文檔編號H01L51/44GK102368538SQ20111027670
公開日2012年3月7日 申請日期2011年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月19日
發(fā)明者孫晨, 張裕坤, 杜春雷, 董小春, 鄧啟凌, 高洪濤 申請人:中國科學院光電技術(shù)研究所