一種應(yīng)用金屬納米粒子的光伏電池結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開(kāi)了一種應(yīng)用金屬納米粒子的光伏電池結(jié)構(gòu)，屬于太陽(yáng)能電池領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]21世紀(jì)，化石能源的不斷衰竭和造成的全球性污染問(wèn)題迫使人類(lèi)不斷尋找和開(kāi)發(fā)新能源和可再生清潔能源。在眾多新型能源中，太陽(yáng)能清潔、能量無(wú)限大、受地域影響相對(duì)較小等優(yōu)勢(shì)非常明顯。光電轉(zhuǎn)換是太陽(yáng)能利用的主要方式，主要表現(xiàn)形式為太陽(yáng)電池。
[0003]衡量有機(jī)太陽(yáng)能電池性能優(yōu)劣的最主要因素就是光電轉(zhuǎn)換效率?，F(xiàn)有的一些改進(jìn)手段如設(shè)計(jì)寬吸收窄帶隙給體材料、優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)、電極界面修飾等方法固然有效，但由于窄帶隙材料吸收系數(shù)低、給受體能級(jí)不匹配造成的激子解離難、多膜層制備困難等一系列問(wèn)題制約了有機(jī)太陽(yáng)能電池效率提升的空間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出一種新型的太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池能夠大幅度提升太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
一種應(yīng)用金屬納米粒子的光伏電池結(jié)構(gòu)，包括從下到上依次布置的陽(yáng)極層、空穴提取層、活性層、電子提取層及陰極層，還包括金屬納米粒子，所述金屬納米粒子位于所述陽(yáng)極與空穴提取層之間的界面處、空穴提取層內(nèi)、空穴提取層與活性層之間的界面處、活性層內(nèi)或活性層與電子提取層之間的界面處。
[0006]所述金屬納米粒子的形狀為球形、棒形、立方體形、八面體、四面體或三角盤(pán)形中任意一種。
[0007]所述陽(yáng)極層與空穴提取層之間的界面處、空穴提取層內(nèi)、空穴提取層與活性層之間的界面處、活性層內(nèi)或活性層與電子提取層之間的界面處設(shè)中的任意一處設(shè)有一種或多種上述形狀的金屬納米粒子。
[0008]所述空穴提取層與活性層之間界面處、活性層內(nèi)或活性層與電子提取層之間界面處中任意一處的金屬納米粒子包裹有電介質(zhì)殼層。
[0009]所述電介質(zhì)層為無(wú)機(jī)材料層或有機(jī)材料層。
[0010]所述陽(yáng)極層采用表面鍍有ITO的玻璃基底層。
[0011]所述陰極層為不透明金屬電極層。
[0012]本發(fā)明的有益效果是:
1、本發(fā)明一種應(yīng)用金屬納米粒子的光伏電池結(jié)構(gòu)，將具有等離子體效應(yīng)的各種形貌納米粒子弓I入光伏電池，有效提尚對(duì)太陽(yáng)光的利用率，實(shí)現(xiàn)光伏電池性能的大幅度提尚。
[0013]2、本發(fā)明通過(guò)計(jì)算各種形貌金、銀納米顆粒的散射與吸收，以及引入納米顆粒對(duì)于光伏電池內(nèi)部局域場(chǎng)增強(qiáng)的幅度，確定了納米棒對(duì)寬光譜范圍的局域場(chǎng)均有較大的增強(qiáng)、跨越波段最寬、且增強(qiáng)幅度顯著；立方狀納米粒子的共振波段位于活性層主要吸收區(qū)域、局域場(chǎng)增強(qiáng)幅度最顯著。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為有機(jī)太陽(yáng)電池(OPV)結(jié)構(gòu)示意圖；
其中，1、玻璃基底;2、氧化銦錫陽(yáng)極層(IT0);3、空穴提取層;4、活性層;5、電子提取層；
6、陰極層；
圖2為各種形狀的Au或Ag納米粒子的吸收；
圖3為各種形狀的Au或Ag納米粒子的散射；
圖4為波長(zhǎng)700nm處各種形狀的Au或Ag納米粒子產(chǎn)生的局域場(chǎng)分布；
圖5為波長(zhǎng)600nm處各種形狀的Au或Ag納米粒子產(chǎn)生的局域場(chǎng)分布；
圖6為波長(zhǎng)500nm處各種形狀的Au或Ag納米粒子產(chǎn)生的局域場(chǎng)分布；
圖7為波長(zhǎng)400nm處各種形狀的Au或Ag納米粒子產(chǎn)生的局域場(chǎng)分布；
圖8為三角盤(pán)形結(jié)構(gòu)的Ag納米粒子(邊長(zhǎng)30 nm，厚度1nm)在其共振波長(zhǎng)400nm處垂直膜層方向上產(chǎn)生的最強(qiáng)局域場(chǎng)；
圖9為立方體形結(jié)構(gòu)的Au納米粒子(邊長(zhǎng)28 nm)在其共振波長(zhǎng)600nm處垂直膜層方向上產(chǎn)生的最強(qiáng)局域場(chǎng)；
圖10為球形結(jié)構(gòu)的Au納米粒子(直徑36 nm)在其共振波長(zhǎng)563nm處垂直膜層方向上產(chǎn)生的最強(qiáng)局域場(chǎng)；
圖11為棒形結(jié)構(gòu)的Au納米粒子(長(zhǎng)/短軸39/23 nm)在其共振波長(zhǎng)600nm處垂直膜層方向上產(chǎn)生的最強(qiáng)局域場(chǎng)；
圖12為八面體形的Au納米粒子(對(duì)角線36 nm)在其共振波長(zhǎng)600nm處垂直膜層方向上產(chǎn)生的最強(qiáng)局域場(chǎng)；
圖13為折角的八面體形Au納米粒子(對(duì)角線36 nm)在其共振波長(zhǎng)600nm處垂直膜層方向上產(chǎn)生的最強(qiáng)局域場(chǎng)；
圖14為四面體形的Au納米粒子(邊長(zhǎng)36 nm)在其共振波長(zhǎng)654nm處垂直膜層方向上產(chǎn)生的最強(qiáng)局域場(chǎng)。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面，為了更加清楚的理解本發(fā)明的技術(shù)方案，結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0016]實(shí)施例1
一種應(yīng)用金屬納米粒子的光伏電池結(jié)構(gòu)，光伏電池結(jié)構(gòu)包括從下到上依次布置的陽(yáng)極層、空穴提取層、活性層、電子提取層及陰極層，還包括金屬納米粒子，所述金屬納米粒子位于所述陽(yáng)極與空穴提取層之間的界面處、空穴提取層內(nèi)、空穴提取層與活性層之間的界面處、活性層內(nèi)或活性層與電子提取層之間的界面處。
[0017]作為優(yōu)選的，所述金屬納米粒子的形狀為球形、棒形、立方體形、八面體、四面體或三角盤(pán)形中任意一種。
[0018]作為優(yōu)選的，位于所述陽(yáng)極與空穴提取層之間界面處的金屬納米粒子、位于空穴提取層與活性層之間界面處的金屬納米粒子、位于活性層內(nèi)的金屬納米粒子或位于活性層與電子提取層之間界面處的金屬納米粒子包裹有電介質(zhì)殼層。
[0019]作為優(yōu)選的，所述電介質(zhì)層為無(wú)機(jī)材料層或有機(jī)材料層。
[0020]作為優(yōu)選的，所述陽(yáng)極層采用表面鍍有ITO的玻璃基底層。
[0021]作為優(yōu)選的，所述陰極層為不透明金屬電極層。
[0022]為了研究不同形狀納米顆粒對(duì)光伏電池吸收的提升，本發(fā)明以典型的PC71BM: PTB7有機(jī)太陽(yáng)電池為例，將各種形貌金屬納米粒子置于PC71BM:PTB7的鄰層——PED0T:PSS空穴提取層中，進(jìn)行了一系列表面等離子體OPV中電磁場(chǎng)分布的仿真工作，一方面計(jì)算了各種形貌金屬納米粒子對(duì)有機(jī)活性層散射與吸收的影響，同時(shí)也計(jì)算了金屬納米粒子引入對(duì)于器件內(nèi)部局域場(chǎng)的增強(qiáng)情況。
[0023]參考附圖2各種形狀的Au或Ag納米粒子的吸收和圖3各種形狀的Au或Ag納米粒子的散射以及圖8各種形貌的金屬納米粒子在各自共振波長(zhǎng)處垂直膜層方向上產(chǎn)生的最強(qiáng)局域場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)不同形狀的金屬納米粒子均引起了不同程度的局域場(chǎng)變化，其共振波段也有所差異。其中，立方體結(jié)構(gòu)的金屬納米粒子在600-700nm波段對(duì)于局域場(chǎng)的增強(qiáng)最顯著；棒狀結(jié)構(gòu)的金屬納米粒子在寬光譜范圍(500nm-700nm，可調(diào)節(jié)長(zhǎng)徑比進(jìn)一步拓展共振范圍至近紅外區(qū))均有較大的增強(qiáng)，跨越波段最寬;球狀結(jié)構(gòu)的金屬納米粒子和折角Au八面體金屬納米粒子在500nm有較顯著的局域場(chǎng)增強(qiáng);而盤(pán)狀結(jié)構(gòu)的Ag納米粒子在400nm的近紫外波段有較明顯的局域場(chǎng)增強(qiáng)。上述幾種代表性納米粒子結(jié)構(gòu)中，以棒狀結(jié)構(gòu)的金屬納米粒子和立方體結(jié)構(gòu)的金屬納米粒子增強(qiáng)幅度最顯著。
[0024]圖4-7中金屬納米粒子的形狀與尺寸如下:三角盤(pán)形結(jié)構(gòu)的Ag納米粒子(Agnanoprism，邊長(zhǎng)30 nm，厚度10nm)、立方體形結(jié)構(gòu)的Au納米粒子(Au cube，邊長(zhǎng)28 nm)、棒形結(jié)構(gòu)的Au納米粒子(Au nanorod，長(zhǎng)/短軸39/23 nm)、八面體形的Au納米粒子(Auoctahedra，對(duì)角線36 nm)、八面體形的折角Au納米粒子(truncated Au octahedral，對(duì)角線36 nm)、四面體形的Au納米粒子(Au tetrahedra，邊長(zhǎng)36 nm)、球形的Au納米粒子(Aunanosphere,36 nm)。
[0025]圖4-7中均以金屬納米粒子的中心為零坐標(biāo)，_20nm至+20nm為PEDOT: PSS空穴提取層，金屬納米粒子位于空穴提取層中，+20nm至120nm為PC7iBM:PTB7活性層，> 120nm為電子提取層和陰極，_200nm至-20nm為ITO陽(yáng)極，< _200nm為玻璃。光從玻璃一邊入射。其中，限于圖面清晰等問(wèn)題，玻璃、ITO均未在圖4-7中展示出來(lái)。
[0026]參考附圖4，5，6，7幾個(gè)代表性的波長(zhǎng)處各種形狀的金屬納米粒子產(chǎn)生的局域場(chǎng)分布，仿真中假設(shè)金屬納米粒子中心位置為0nm，+20nm至120nm為PC7iBM:PTB7活性層區(qū)域，從圖中可以看出，不斷遠(yuǎn)離金屬納米粒子將導(dǎo)致局域場(chǎng)強(qiáng)的急劇下降。其中，立方體結(jié)構(gòu)的金屬納米粒子的局域場(chǎng)強(qiáng)隨著距離的增大，降幅最大;棒狀結(jié)構(gòu)的金屬納米粒子的局域場(chǎng)隨距離衰減最慢。
[0027]以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，不能以其限定本發(fā)明實(shí)施的范圍，即大凡不脫離本發(fā)明構(gòu)思的替代和修正，仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種應(yīng)用金屬納米粒子的光伏電池結(jié)構(gòu)，包括從下到上依次布置的陽(yáng)極層、空穴提取層、活性層、電子提取層及陰極層，其特征在于，還包括金屬納米粒子，所述金屬納米粒子位于所述陽(yáng)極與空穴提取層之間的界面處、空穴提取層內(nèi)、空穴提取層與活性層之間的界面處、活性層內(nèi)或活性層與電子提取層之間的界面處。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用金屬納米粒子的光伏電池結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金屬納米粒子的形狀為球形、棒形、立方體形、八面體、四面體或三角盤(pán)形中任意一種。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的應(yīng)用金屬納米粒子的光伏電池結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述陽(yáng)極層與空穴提取層之間的界面處、空穴提取層內(nèi)、空穴提取層與活性層之間的界面處、活性層內(nèi)或活性層與電子提取層之間的界面處設(shè)中的任意一處設(shè)有一種或多種上述形狀的金屬納米粒子。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用金屬納米粒子的光伏電池結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述空穴提取層與活性層之間界面處、活性層內(nèi)或活性層與電子提取層之間界面處中任意一處的金屬納米粒子包裹有電介質(zhì)殼層。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的應(yīng)用金屬納米粒子的光伏電池結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述電介質(zhì)層為無(wú)機(jī)材料層或有機(jī)材料層。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用金屬納米粒子的光伏電池結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述陽(yáng)極層采用表面鍍有ITO的玻璃基底層。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用金屬納米粒子的光伏電池結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述陰極層為不透明金屬電極層。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種應(yīng)用金屬納米粒子的光伏電池結(jié)構(gòu)，包括從下到上依次布置的陽(yáng)極層、空穴提取層、活性層、電子提取層及陰極層，還包括金屬納米粒子，所述金屬納米粒子位于所述陽(yáng)極與空穴提取層之間的界面處、空穴提取層內(nèi)、空穴提取層與活性層之間的界面處、活性層內(nèi)或活性層與電子提取層之間的界面處。本發(fā)明將不同形狀的金屬納米粒子引入光伏電池，利用表面等離子體共振促進(jìn)活性層吸收，有效提高了對(duì)太陽(yáng)光的利用率，實(shí)現(xiàn)光伏電池性能的大幅度提升。
【IPC分類(lèi)】B82Y30/00, H01L31/042, H01L31/055
【公開(kāi)號(hào)】CN105514195
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610069860
【發(fā)明人】陳淑芬, 胡文靜, 張然, 黃維, 吳青蕾, 于書(shū)洋
【申請(qǐng)人】南京郵電大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年4月20日
【申請(qǐng)日】2016年1月31日