CN109088005B - 一种级联式金属光栅结构的有机太阳能电池 - Google Patents

一种级联式金属光栅结构的有机太阳能电池 Download PDF

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Abstract

本发明属于太阳能电池技术领域，提出了一种级联式金属光栅结构的有机太阳能电池，包括上至下的导电薄膜层、空穴传输层、均匀吸收层、光栅层与背部阴极，所述光栅层为多个结构相同的级联光栅横向设置形成的一维周期性结构，每个所述级联光栅包括依次设置的周期相等的第一光栅、第二光栅、第三光栅和第四光栅，所述第一光栅、第二光栅、第三光栅和第四光栅的光栅脊宽度W1、W2、W3、W4依次增加，且所述第一光栅、第二光栅、第三光栅和第四光栅的光栅脊高度相等。本发明提高了太阳能电池的吸收效率，实现了宽谱吸收。

Description

一种级联式金属光栅结构的有机太阳能电池
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种级联金属光栅结构的有机太阳能电池。
背景技术
在当前的光伏应用市场中，晶体硅太阳能电池占主要地位，但电池的制作成本、效率、寿命和具体的应用市场等多重因素均会影响未来的市场前景。与传统晶体硅太阳能电池相比，有机太阳能电池具有与大面积柔性衬底制作相兼容、能够在较低温度下进行卷对卷生产以实现低成本大规模制作等优点，已成为近年来的研究热点。
在硅太阳能电池中，常采用微米尺度或亚微米尺度的陷光结构以降低活性层厚度同时提升器件吸光能力。而有机太阳能电池活性层一般在100nm左右，故需另辟蹊径设计和制作纳米级或数十纳米尺度的陷光结构。
目前，在众多可实现光约束和光捕获的陷光结构中，金属光栅是制造高效率的太阳能电池最普遍的方法之一。然而，金属光栅对电池的增强吸收发生在特定的共振增强带宽，而带宽范围取决于光栅周期、光栅凹槽、凸起的的尺寸、形状以及局域介电环境。
由此可见，等离子体有机太阳能电池拓宽光子吸收带，实现宽谱吸收增强是走出实验室进入实用面临的主要难题。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种级联式金属光栅结构的太阳能电池，能够使PTB7:PC70BM有机太阳能电池在整个工作波段（350nm~900nm）均有很高吸收效率，从而实现电池的宽带吸收增强。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种级联式金属光栅结构的有机太阳能电池，其特征在于，包括上至下的导电薄膜层、空穴传输层、均匀吸收层、光栅层与背部阴极，所述光栅层为多个结构相同的级联光栅横向设置形成的一维周期性结构，每个所述级联光栅包括依次设置的周期相等的第一光栅、第二光栅、第三光栅和第四光栅，所述第一光栅、第二光栅、第三光栅和第四光栅的光栅脊宽度W1、W2、W3、W4依次增加，且所述第一光栅、第二光栅、第三光栅和第四光栅的光栅脊高度相等。
所述级联光栅的周期P为400~480纳米，高度H为35~45纳米，所述第一光栅的光栅脊宽度大于等于10纳米，所述第四光栅的光栅脊宽度小于等于60纳米。
所述第一光栅、第二光栅、第三光栅和第四光栅中，相邻两个光栅的光栅脊宽度差不小于10纳米。
所述均匀吸收层的厚度为10~20纳米。
所述导电薄膜层的材料为氧化铟锡，所述空穴传输层的材料为高分子聚合物PEDOT:PSS，所述均匀吸收层的材料为以1:1.5比例混合的PTB7:PC70BM，所述光栅层中，光栅脊的材料为金属银，光栅槽的材料为PTB7:PC70BM，所述背部阴极的材料为银。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
（1）本发明通过在PTB7:PC70BM有机太阳能电池底部阴极背反射器和吸收层之间设置光栅，可改变入射光子的传播方向以延长光子在光吸收层中的有效传播途径，从而有效降低活性层的厚度。
（2）本发明通过在一个光栅周期中包括4个高度相同、宽度不等的光栅，当350nm~900nm波段的TM偏振光垂直入射到级联式光栅时，不同宽度的光栅各自在特定的波长范围产生腔体模式与表面等离子激元效应，同时产生多个共振吸收峰，可实现350 nm-900 nm波长范围内的宽带吸收增强。
附图说明
图1为本发明提出的级联式金属光栅的有机太阳能电池结构示意图。
图2为本发明实施例1与光栅宽度不同的非级联式太阳能电池在350nm~900nm范围内的光谱吸收效果对比图；
图3是本发明实施例2与光栅宽度不同的非级联式太阳能电池在350nm~900nm范围内的光谱吸收效果对比图。
图4是本发明实施例2的结构参数在一定容差范围内吸收性能的敏感度；
图5是本发明实施例3提出的一种级联式金属光栅的吸收效果图。
图中，1代表透明阳极，材料为ITO，2代表空穴传输层，材料为PEDOT:PSS，3为均匀吸收层，4为光栅层，41为光栅槽，42为光栅脊。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，为本实施例提出的一种级联式金属光栅结构的有机太阳能电池的截面示意图，其包括上至下的导电薄膜层1、空穴传输层2、均匀吸收层3、光栅层4与背部阴极5，其中，均匀吸收层3和光栅吸收层即光栅槽41均为活性层；所述光栅层4为多个结构相同的级联光栅横向设置形成的一维周期性结构，每个所述级联光栅包括依次设置的周期相等的第一光栅、第二光栅、第三光栅和第四光栅，所述第一光栅、第二光栅、第三光栅和第四光栅的光栅脊宽度W1、W2、W3、W4依次增加，所述均匀吸收层3的材料为以1:1.5比例混合的PTB7:PC70BM，所述光栅层4中，光栅脊42的材料为金属银，光栅槽41的材料为PTB7:PC70BM，所述背部阴极5的材料为银（Ag）。其中，级联光栅总周期用P表示，各光栅周期用p表示，由于各个光栅周期相等，则有P=4p。此外，第一光栅、第二光栅、第三光栅和第四光栅的光栅脊高度相等。
具体地，本实施例中，均匀吸收层3的厚度T和光栅层4的厚度H分别为10纳米和40纳米，级联式金属光栅结构周期P为440nm，各光栅周期p为110nm。此外，第一光栅、第二光栅、第三光栅和第四光栅的光栅脊宽度W1、W2、W3、W4分别为11纳米、22纳米、33纳米、55纳米。
当太阳光垂直入射到本实施例的太阳能电池上时，TM偏振光对应于电场矢量的振动方向平行于入射面，由于仅仅在 TM 模式下,才能激发表面等离子激元，因此，下面研究入射光以横磁(TM)偏振模式入射时，活性层对光的吸收效率。
如图2所示，为本实施例的级联式金属光栅太阳能电池与4种非级联式金属光栅太阳能电池吸收效率的谱线图。这4种非级联式金属光栅太阳能电池的结构与本实施例基本相同，均包括上至下的导电薄膜层1、空穴传输层2、均匀吸收层3、光栅层4与背部阴极5，不同的是，其光栅层为相同的单金属光栅横向设置形成的一维周期性结构，这4种非级联式金属光栅太阳能电池中，单金属光栅的周期为110纳米，光栅脊宽度分别为11纳米、22纳米、33纳米、55纳米。发现在非级联式金属光栅结构太阳能电池中，整个波段内的吸收带较窄，平均吸收效率依次为31.8%，37.5%，40.1%，38.3%；而在本发明的级联式金属光栅太阳能电池中，由于存在宽度不一的4个金属光栅，可同时产生多个共振吸收带，实现宽带吸收增强。平均吸收效率为48.9%，相较于非级联式金属光栅太阳能电池结构，分别提高53.8%，30.4%，21.9%，27.7%。
此外，本实施例中，由于主要研究光栅脊宽度对电池活性层吸收效率的影响，因此，为减少均匀吸收层3的厚度T对太阳能电池的吸收效率影响，其厚度在10~20nm的范围内取值。
实施例2
本实施例提出的一种级联式金属光栅结构的有机太阳能电池的结构与第一实施例相同，不同点在于，本实施例中，均匀吸收层3的厚度T和光栅层4的厚度H分别为10纳米和40纳米，级联式金属光栅结构周期P为400nm，各光栅周期p为100nm。此外，第一光栅、第二光栅、第三光栅和第四光栅的光栅脊宽度W1、W2、W3、W4分别为10纳米、30纳米、40纳米、50纳米。
如图3所示，为本实施例的级联式金属光栅太阳能电池与4种非级联式金属光栅太阳能电池吸收效率的谱线图。这4种非级联式金属光栅太阳能电池的结构与本实施例基本相同，均包括上至下的导电薄膜层1、空穴传输层2、均匀吸收层3、光栅层4与背部阴极5，不同的是，其光栅层为相同的单金属光栅横向设置形成的一维周期性结构，这4种非级联式金属光栅太阳能电池中，单金属光栅的周期为100纳米，光栅脊宽度分别为10纳米、30纳米、40纳米、50纳米。从图3可以看出，在非级联式金属光栅结构太阳能电池中，整个波段内的吸收带较窄，平均吸收效率依次为37.6%，47.6%，48%，45.6%；而在本实施例的级联式金属光栅太阳能电池中，由于存在宽度不一的4个金属光栅，可产生多个共振吸收带，实现宽带吸收增强。平均吸收效率为50.1%，相较于非级联式金属光栅太阳能电池结构，分别提高33.2%，5.3%，4.4%，9.9%。
在实际制备中，会出现一些几何参数与优化参数不匹配的问题。如图4所示，示出了当以本实施例的级联式金属光栅太阳能电池的几何参数为中心，级联式光栅中各个光栅脊的宽度W1、W2、W3、W4与光栅高度H五个参数变化时，吸收性能的敏感性。对于参数W2和W3，10nm的容差使得整体吸收效率与中心值相比，增加或降低均不超过0.4%；对于参数W1和W4，10nm的容差使得整体吸收效率与中心值相比，变化率不超过0.8%；对于参数H，4nm的容差使得整体吸收效率与中心值相比，变化率不超过1%；由此可见实施例结构的吸收性能对几何参数变化不敏感，容差性能较好，适用于电池所要求的纳米结构制备。因此，本发明中，光栅高度H可以在35~45nm范围内取值。此外，级联式光栅中各个光栅脊的宽度差值并不局限于10nm或20nm，可以在一定的范围内上下浮动，只要相邻两个光栅的光栅脊宽度差不小于10nm，则可以实现较高的平均吸收效率。
实施例3
本实施例提出的一种级联式金属光栅结构的有机太阳能电池的结构与第一实施例和第二实施例相同，不同点在于，本实施例中，均匀吸收层3的厚度T和光栅层4的厚度H分别为10纳米和40纳米，级联式金属光栅结构周期P为480nm，各光栅周期p为120nm。此外，第一光栅、第二光栅、第三光栅和第四光栅的光栅脊宽度W1、W2、W3、W4分别为12纳米、24纳米、36纳米、60纳米。本实施例中，该结构的太阳能电池的平均吸收效率可以达到47.2%。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种级联式金属光栅结构的有机太阳能电池，其特征在于，包括上至下的导电薄膜层（1）、空穴传输层（2）、均匀吸收层（3）、光栅层（4）与背部阴极（5），所述光栅层（4）为多个结构相同的级联光栅横向设置形成的一维周期性结构，每个所述级联光栅包括依次设置的周期相等的第一光栅、第二光栅、第三光栅和第四光栅，所述第一光栅、第二光栅、第三光栅和第四光栅的光栅脊宽度W1、W2、W3、W4依次增加，且所述第一光栅、第二光栅、第三光栅和第四光栅的光栅脊高度相等。
2.根据权利要求1所述的一种级联式金属光栅结构的有机太阳能电池，其特征在于所述级联光栅的周期P为400~480纳米，高度H为35~45纳米，所述第一光栅的光栅脊宽度大于等于10纳米，所述第四光栅的光栅脊宽度小于等于60纳米。
3.根据权利要求2所述的一种级联式金属光栅结构的有机太阳能电池，其特征在于，所述第一光栅、第二光栅、第三光栅和第四光栅中，相邻两个光栅的光栅脊宽度差不小于10纳米。
4.根据权利要求1所述的一种级联式金属光栅结构的有机太阳能电池，其特征在于，所述均匀吸收层（3）的厚度为10~20纳米。
5.根据权利要求1所述的一种级联式金属光栅结构的有机太阳能电池，其特征在于，所述导电薄膜层（1）的材料为氧化铟锡，所述空穴传输层（2）的材料为高分子聚合物PEDOT:PSS，所述均匀吸收层（3）的材料为以1:1.5比例混合的PTB7:PC70BM，所述光栅层（4）中，光栅脊（42）的材料为金属银，光栅槽（41）的材料为PTB7:PC70BM，所述背部阴极（5）的材料为银。
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