一种能够提高光吸收效率的有机薄膜太阳能电池

摘要

本发明提供了一种能够提高光吸收效率的有机薄膜太阳能电池，该有机薄膜太阳能电池的结构包括：透明衬底(1)；透明电极(2)，沉积于玻璃衬底上；空穴传输层(3)，旋涂于透明电极(2)上；纳米金属结构(4)，其制备于空穴传输层(3)内部，能够实现光吸收增强；光活性层(5)，其为有机半导体高分子材料，旋涂于空穴传输层(3)表面；金属背电极(6)。本发明通过对纳米金属结构参数的设计，将太阳光中最有利于光活性层有机材料吸收的电磁波波段耦合进入其薄膜内部，最大程度实现了增强有机薄膜太阳能电池的光吸收效率，从根本上提高了有机薄膜太阳能电池的光电转换性能。

主权项

1.一种能够提高光吸收效率的有机薄膜太阳能电池结构设计方法，特点是在有机太阳能电池的空穴传输层中设计一层纳米金属结构，利用金属结构，通过入射电磁波激发的局域表面等离子共振来增强有机薄膜太阳能电池的光吸收，具体内容如下：所设计的能够提高光吸收效率的有机薄膜太阳能电池，其所述电池的结构自上而下分别为：透明衬底（1）；透明电极（2），是一层透明导电层，沉积于透明衬底（1）上，其作为所述电池结构的阳极，材料为氧化铟锡（ITO）；空穴传输层（3），旋涂于透明电极（2）上；纳米金属结构（4），其制备于空穴传输层（3）内部，能够实现光吸收增强；光活性层（5），其为有机半导体高分子材料，旋涂于空穴传输层（3）表面；金属背电极（6），用于降低阴极功函数，有利于电子传输；所述的设计方法具体过程如下：所述纳米金属结构（4）为周期性Ag金属纳米颗粒，所述周期性Ag金属纳米颗粒能够提高有机薄膜太阳能电池的光吸收效率，根据Mie理论获得：当入射电磁波同金属颗粒自身结构参数满足下述条件时，能够同金属颗粒表面的自由电子发生耦合共振：${ϵ}_m=-\frac{L+1}{L}{ϵ}_D---\left(1\right)$式中，ε_m为金属的介电常数实部；ε_D为金属颗粒周围环境的介电常数实部；L为整数，表示发生共振的阶数；于是耦合共振形成了局域在金属颗粒表面的强电磁场，也被称为局域表面等离子共振，共振时电磁场能量分为两部分，一部分被金属颗粒自身吸收，另一部分会通过散射传播出去，即所谓的共振吸收与共振散射；基于公式（1），设计金属颗粒于太阳能电池结构中，利用共振散射效应让共振产生的电磁波散射进入光活性层内，增加了单位面积光活性层接收到的光强，从而提高了光吸收效率；所述光活性层（5）中的光活性层为35nm超薄厚度，能够很好得满足有机半导体材料载流子扩散长度要求，使得载流子传输效率保持在很高的水平，又通过所述的纳米金属结构（4）的共振散射增强光吸收作用，使得光活性层（5）材料的光吸收效率不但同厚度较大时相当，而且产生的载流子能够更好的输运避免复合，从而提高了电池内量子效率，提升电池性能；所述周期性Ag金属纳米颗粒结构中的Ag金属颗粒为固定直径100nm的球体，这一尺寸能够使局域表面等离子共振强度达到最大且此时的散射强度远大于吸收强度，散射强度占据主导，于是通过散射进入光活性层的电磁波强度达到最大，从而最大程度的提高有机薄膜太阳能电池的光吸收效率，这是基于高阶模式存在的情况下，金属颗粒局域表面等离子共振横截面的散射(C_sca)及吸收(C_abs)公式及二者强度与金属颗粒尺寸的关系：$C_{\mathrm{sca}}=C_{\mathrm{sca}1}+{\Sigma }_{i=2}^{\infty }{C}_{\mathrm{scai}}---\left(2\right)$$C_{\mathrm{scat}}\propto {\left(\frac{D}{2}\right)}^6---\left(3\right)$$C_{\mathrm{abs}}=C_{\mathrm{abs}1}+{\Sigma }_{i=2}^{\infty }{C}_{\mathrm{absi}}---\left(4\right)$$C_{\mathrm{abs}}\propto {\left(\frac{D}{2}\right)}^3---\left(5\right)$式中，D为金属颗粒直径；C_scs和C_abs分别为Ag金属颗粒横截面总的散射和吸收；C_sca1和C_abs1分别为Ag金属颗粒横截面偶极共振的散射和吸收；和分别为Ag金属颗粒横截面高阶模式共振的散射和吸收的叠加值；首先，上述（3）、（5）式说明随颗粒尺寸增加，横截面散射强度的提高更快，会随着直径增大逐渐在共振中占据主导；而（2）、（4）式的计算结果表明，随着直径继续增大，虽然两式等号右边第二项高阶共振的累加值会增加，但是等号右边第一项偶极共振强度会减小，在上述公式（2）至（5）中存在一个最优的金属颗粒直径使得共振散射达到最大，得出能够使共振散射强度达到峰值的最优金属颗粒直径为100nm，此时能够最大限度的增强有机太阳能电池的光吸收，最大限度的提高效率；100nm直径Ag金属颗粒呈周期性排列，且排列周期为150-500nm的固定范围，在这一区间通过改变其周期大小，调节金属颗粒的局域表面等离子共振条件，从而可以根据电池光活性层材料的光谱吸收规律，并结合太阳光谱能量分布，通过设计金属颗粒的排列周期，将最强的散射共振条件调整到最有利于光活性层材料吸收的波段范围，最大程度提高有机薄膜太阳能电池的光谱利用率，这是基于金属颗粒之间的电共振获得：金属颗粒周期性排列，当入射电磁波照射时，金属颗粒内部产生极化电场，极化电场会造成金属球之间产生电共振，并增加金属球间的能量密度，导致金属颗粒的局域表面等离子共振条件改变，不同的周期产生电共振效果不同，但周期过小造成严重的挡光，过大则没有调制效果，据此可设计出有效周期范围并利用金属颗粒周期调制共振的方法以满足不同光活性层有机材料的吸收规律；所述有机薄膜太阳能电池能够在可见光波段提高电池光吸收性能20%以上。