CN111929755A - 一种光子晶体复合结构及半透明有机太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光子晶体复合结构及半透明有机太阳能电池。该光子晶体复合结构包括：第一光子晶体、第二光子晶体和微腔结构；第二光子晶体的下表面设置在第一光子晶体的上表面，微腔结构的下表面设置在第二光子晶体的上表面；第一光子晶体的材料与第二光子晶体的材料相同，第一光子晶体的材料的厚度与第二光子晶体的材料的厚度不同，第一光子晶体的中心波长与第二光子晶体的中心波长互补；第一光子晶体和第二光子晶体均用于反射光子；微腔结构的材料与第一光子晶体的材料不同，微腔结构的材料具有复折射率；微腔结构用于实现光的相长干涉。采用本发明的装置，能够增强电池器件的光吸收，以及电池器件透射光的色纯度，实现透射光色彩的多样性。

Description

一种光子晶体复合结构及半透明有机太阳能电池
技术领域
本发明涉及光子晶体技术领域，特别是涉及一种光子晶体复合结构及半透明有机太阳能电池。
背景技术
光子晶体为由不同折射率的材料通过周期性排列形成的一种具有有序结构的天然或人工晶体材料。光子晶体最大的特点是具有光子禁带，光子禁带对特定波长的光子具有禁阻作用，该波长的光子无法透过光子晶体。凭借这一特点，光子晶体被广泛地应用于半透明有机太阳能电池器件的结构优化中。
半透明有机太阳能电池(Semitransparent Organic Solar Cell，STOSC)因为具有透光性的特点，在集成光伏产业中的应用日益广泛。但是，透光性也使器件的光电转换效率、短路电流等性能参数大大降低，明显低于同类不透光的电池。光子晶体的加入能有效改善这一缺点。光子晶体能阻止特定波长的光子透射出晶体，将其反射回电池器件以增强器件的性能，但单层光子晶体的光子禁带范围一般过于狭窄，优化结果不明显，通常采用叠层光子晶体来拓展光子禁带的范围。
由于光子晶体只能阻止特定波长的光子，对其余波长的光子几乎没有影响，故而器件的全波长透射光谱呈现“凹”型，使得器件的透射光视觉色纯度不高，反映在CIE坐标中色坐标分布不广泛，色彩多样性不够。在器件中同时采用多种光子禁带不同的光子晶体理论上可以解决这个问题，但这增加了器件的制备难度，同时光子在多层光子晶体中容易发生意想不到的扰动，实际应用效果不佳。
发明内容
本发明的目的是提供一种光子晶体复合结构及半透明有机太阳能电池，能够增强STOSC器件的光吸收，并且能够增强STOSC器件的透射光的色纯度，实现STOSC器件透射光色彩的多样性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种光子晶体复合结构，包括：
第一光子晶体、第二光子晶体和微腔结构；
所述第二光子晶体的下表面设置在所述第一光子晶体的上表面上，所述微腔结构的下表面设置在所述第二光子晶体的上表面上；
所述第一光子晶体的材料与所述第二光子晶体的材料相同，所述第一光子晶体的材料的厚度与所述第二光子晶体的材料的厚度不同，所述第一光子晶体的中心波长与所述第二光子晶体的中心波长互补；所述第一光子晶体和所述第二光子晶体均用于反射光子；
所述微腔结构的材料与所述第一光子晶体的材料不同，所述微腔结构的材料具有复折射率；所述微腔结构用于实现光的相长干涉。
可选的，所述第一光子晶体和所述第二光子晶体均为一维光子晶体。
可选的，所述第一光子晶体，具体包括：
多个第一薄膜层和多个第二薄膜层；所述第一薄膜层和所述第二薄膜层的个数相同；
所述第一薄膜层与所述第二薄膜层交替堆叠设置，所述第一光子晶体的底层为所述第一薄膜层，所述第二光子晶体的顶层为所述第二薄膜层；
所述第一薄膜层与所述第二薄膜层的厚度相同；
所述第一薄膜层与所述第二薄膜层的材料不同。
可选的，所述第二光子晶体，具体包括：
多个第三薄膜层和多个第四薄膜层；所述第三薄膜层和所述第四薄膜层的个数相同；
所述第三薄膜层和所述第四薄膜层交替堆叠设置，所述第二光子晶体的底层为所述第三薄膜层，所述第二光子晶体的顶层为所述第四薄膜层；
所述第三薄膜层和所述第四薄膜层的厚度相同，所述第三薄膜层与所述第一薄膜层的厚度不同；
所述第三薄膜层和所述第四薄膜层的材料不同，所述第三薄膜层的材料与所述第一薄膜层的材料相同，所述第四薄膜层的材料和所述第二薄膜层的材料相同。
可选的，
所述第一薄膜层的材料为二氧化硅或氟化锂；
所述第二薄膜层的材料为二氧化钛或氧化钨。
可选的，所述微腔结构，具体包括：
两个第五薄膜层和一个第六薄膜层；
所述第六薄膜层设置在两个所述第五薄膜层之间；
所述第五薄膜层与所述第六薄膜层的厚度相同；
所述第五薄膜层的材料与所述第六薄膜层的材料不同；
所述五薄膜层的材料与所述第六薄膜层的材料至少有一种具有复折射率。
可选的，
所述第五薄膜层的材料为银或铝或金；
所述第六薄膜层的材料为氧化铟锡或氧化锡或氧化锌。
本发明还提供一种半透明有机太阳能电池，应用上述的光子晶体复合结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出了一种光子晶体复合结构及半透明有机太阳能电池，光子晶体复合结构包括第一光子晶体、第二光子晶体和微腔结构；第二光子晶体的下表面设置在第一光子晶体的上表面上，微腔结构的下表面设置在第二光子晶体的上表面上；第一光子晶体的材料与第二光子晶体的材料相同，第一光子晶体的材料的厚度与第二光子晶体的材料的厚度不同，第一光子晶体的中心波长与第二光子晶体的中心波长互补；第一光子晶体和第二光子晶体均用于反射光子；微腔结构的材料与第一光子晶体的材料不同，微腔结构的材料具有复折射率；微腔结构用于实现光的相长干涉，能够增强STOSC器件的光吸收，并且能够增强STOSC器件的透射光的色纯度，实现STOSC器件透射光色彩的多样性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中光子晶体复合结构图；
图2为本发明实施例中叠层一维光子晶体结构图；
图3为本发明实施例中微腔结构图；
图4为本发明实施例中半透明有机太阳能电池结构图；
其中，1为第一光子晶体，2为第二光子晶体，3为微腔结构，1-1为第一薄膜层，1-2为第二薄膜层，2-1为第三薄膜层，2-2为第四薄膜层，3-1为第五薄膜层，3-2为第六薄膜层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做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。
本发明的目的是提供一种光子晶体复合结构及半透明有机太阳能电池，能够增强STOSC器件的光吸收，并且能够增强STOSC器件的透射光的色纯度，实现STOSC器件透射光色彩的多样性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例
图1为本发明实施例中光子晶体复合结构图，图2为本发明实施例中叠层一维光子晶体结构图，图3为本发明实施例中微腔结构图。如图1-3所示，一种光子晶体复合结构，包括：叠层一维光子晶体(Tandem One-dimensional Photonic Crystals，T-1DPCs)和微腔结构3(Microcavity Structure，MC)。其中，叠层一维光子晶体包括第一光子晶体1和第二光子晶体2。图2中底部光子晶体为第一光子晶体，顶部光子晶体为第二光子晶体。
第二光子晶体的下表面设置在第一光子晶体的上表面上，微腔结构的下表面设置在第二光子晶体的上表面上；第一光子晶体的材料与第二光子晶体的材料相同，第一光子晶体的材料的厚度与第二光子晶体的材料的厚度不同，第一光子晶体的中心波长与第二光子晶体的中心波长互补；第一光子晶体和第二光子晶体均用于反射光子；微腔结构的材料与第一光子晶体的材料不同，微腔结构的材料具有复折射率；微腔结构用于实现光的相长干涉。第一光子晶体和第二光子晶体均为一维光子晶体。
如图1-2所示，第一光子晶体，具体包括：多个第一薄膜层1-1和多个第二薄膜层1-2。第一薄膜层和第二薄膜层的个数相同；第一薄膜层与第二薄膜层交替堆叠设置，第一光子晶体的底层为第一薄膜层，第二光子晶体的顶层为第二薄膜层；第一薄膜层与第二薄膜层的厚度相同；第一薄膜层与第二薄膜层的材料不同。图1和图2中的A表示第一薄膜层的材料，B表示第二薄膜层的材料。第一薄膜层的材料为二氧化硅或氟化锂；第二薄膜层的材料为二氧化钛或氧化钨。
如图1-2所示，第二光子晶体，具体包括：多个第三薄膜层2-1和多个第四薄膜层2-2；第三薄膜层和第四薄膜层的个数相同。第三薄膜层和第四薄膜层交替堆叠设置，第二光子晶体的底层为第三薄膜层，第二光子晶体的顶层为第四薄膜层；第三薄膜层和第四薄膜层的厚度相同，第三薄膜层与第一薄膜层的厚度不同；第三薄膜层和第四薄膜层的材料不同。由于第三薄膜层的材料与第一薄膜层的材料相同，第四薄膜层的材料和第二薄膜层的材料相同，因此，图1和图2中的A还表示第三薄膜层的材料，B还表示第四薄膜层的材料。第三薄膜层的材料为二氧化硅或氟化锂；第四薄膜层的材料为二氧化钛或氧化钨。
如图3所示，微腔结构，具体包括：两个第五薄膜层3-1和一个第六薄膜层3-2。第六薄膜层设置在两个第五薄膜层之间；第五薄膜层与第六薄膜层的厚度相同；第五薄膜层的材料与第六薄膜层的材料不同；五薄膜层的材料与第六薄膜层的材料至少有一种具有复折射率。第五薄膜层的材料为银或铝或金；第六薄膜层的材料为氧化铟锡或氧化锡或氧化锌。
本发明提供的光子晶体复合结构，T-1DPCs在器件中作为反射器，用来反射光子增加器件活性层的光吸收。T-1DPCs包括顶部光子晶体和底部光子晶体两部分。顶部光子晶体和底部光子晶体均有由折射率不同的材料A、B交替呈周期性排列形成。图2中的虚线即代表这两种光子晶体交替堆叠的周期性结构。在T-1DPCs中，底部光子晶体和顶部光子晶体所用的材料和结构相同，但所选取的材料厚度不同，周期数也不一定相同，且两种光子晶体的中心波长互补。材料A通常可以选取为二氧化硅SiO2、氟化锂LiF；材料B通常可以选取为二氧化钛TiO2、氧化钨WO3等。T-1DPCs的功能相当于反射器，用来反射光子增加STOSC器件活性层的光吸收。
底部光子晶体使用的A、B材料的厚度dAb、dBb的确定方法为：
nAdAb＝nBdBb＝λ0/4
其中，nA、nB为材料A和B的折射率，λ0为中心波长，取STOSC活性层吸收峰的波长。周期数可以取2、4、6和8，视情况而定。
同理，顶部光子晶体使用的A、B材料的厚度dAt、dBt的确定方法为：
nAdAt＝nBdBt＝(1160-λ0)/4
周期数可以取2、4、6和8，视情况而定，也不一定与底部光子晶体的周期数相同。
MC包括C、D两种材料，且两种材料中至少有一种具有复折射率。通过MC中间层的厚度优化实现光的相长干涉，进而达到优化透射光波长，提高透射光的色纯度，同时可以拓展色坐标范围，实现STOSC器件透射光色彩的多样性。MC的结构为顶层/中间层/底层——单组三层结构。MC由C、D两种材料组成，材料C作为顶层和底层，材料D作为中间层。MC的底层C直接在T-1DPCs中的顶部光子晶体的最顶部的材料B上制备。C、D两种材料中至少有一种具有复折射率。故材料C通常可以选择金属薄膜，如银、铝、金等；材料D通常可以选择氧化铟锡ITO、氧化锡镀膜FTO和氧化锌基薄膜AZO等。通过MC中间层D的厚度优化实现光的相长干涉，进而达到优化透射光波长，提高透射光的色纯度与色坐标范围。
光在MC中能实现相长干涉的条件为：
φ+2π(2dDnD/λM)＝2π
其中，Φ为光在MC中反射形成的相位差，dD为中间层D的厚度，nD为中间层D的折射率，λM为光的波长。
图4为本发明实施例中半透明有机太阳能电池结构图，如图4所示，本发明提供的半透明有机太阳能电池应用上述的光子晶体复合结构。根据功能要求，微腔叠层一维光子晶体复合结构将被制备于半透明有机太阳能电池STOSC的顶部，即STOSC非入射光电极的上部。将光子晶体复合结构制备于STOSC的非入射电极上部，底部光子晶体与该电极相接。入射光hv从STOSC的入射电极处射入，从光子晶体复合结构的微腔结构的顶层C处射出，以完成半透明透射的效果。图4中的光子箭头仅代表射入与射出的示意，不表示射入与射出的方向与关系。
本发明提出一种可以提供高色纯度和色彩多样性的透射光以及增强有机太阳能电池光吸收的微腔叠层一维光子晶体复合结构。将微腔叠层一维光子晶体复合结构制备于STOSC中，能够增强STOSC活性层的光吸收，进而提高STOSC的性能参数，如光电转换效率、短路电流密度等，同时微腔叠层一维光子晶体复合结构还可以增强STOSC器件的透射光的色纯度，同时扩展透射光所能达到的色坐标范围，实现STOSC器件透射光色彩的多样性。
微腔叠层一维光子晶体复合结构中的T-1DPCs部分的功能相当于反射器，用来增强STOSC活性层的光吸收，进而提高STOSC的性能参数。STOSC由于透明电极的缘故，部分光子会透射出器件，未能及时地被活性层吸收，导致STOSC器件的性能较低。将光子晶体制备于STOSC的顶部，利用光子晶体的光子禁带特征，可以将特定波长的光子反射回器件的活性层，以此增加活性层的光吸收能力。一般，组成光子晶体的两种材料折射率相差越大，其光子禁带的宽度越宽。但目前常用的几种材料组合的折射率相差不大，所制备的光子晶体的光子禁带宽度较小，对活性层的光吸收能力优化不明显。故本发明采用叠层一维光子晶体，且设计计算时将顶光子晶体与底光子晶体的中心波长设置为互补关系，最大程度地减少两个光子晶体的光子禁带之间的重叠区域，以此来增大T-1DPCs的光子禁带宽度。大的光子禁带代表着有相当一部分光子无法透射出T-1DPCs，只能被反射回STOSC器件中去，以此增大活性层的光吸收能力，从而增强器件性能。
微腔叠层一维光子晶体复合结构的MC部分则对从T-1DPCs中透射出的透射光波长进行进一步优化。由于T-1DPCs的光子禁带阻断了特定波长的光子透射，而对其他光子则几乎没有影响，使得器件整体的透射光谱呈现“凹”字形。“凹”字型的透射光谱会降低STOSC器件的显色性，比如器件的透射光的视觉色纯度不高、透射光反映在CIE色坐标的范围过小，STOSC能达到的色彩多样性不够等。MC部分通过中间层D的厚度优化实现入射光的相长干涉。光的相长干涉使器件的透射光谱呈现窄透射峰形态，即只在某一较窄的波长范围内呈现高的透射率，其他的波长内透射率很低。窄透射峰表明了STOSC的透射光的色纯度较高。同时，在确保存在相长干涉的条件下，改变中间层D的厚度可以获得不同颜色的透射光，反映在CIE色度图上为分散的色坐标，这些色坐标处在不同的色域内，实现了STOSC透射光色彩的多样性。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种光子晶体复合结构，其特征在于，包括：
第一光子晶体、第二光子晶体和微腔结构；
所述第二光子晶体的下表面设置在所述第一光子晶体的上表面上，所述微腔结构的下表面设置在所述第二光子晶体的上表面上；
所述第一光子晶体的材料与所述第二光子晶体的材料相同，所述第一光子晶体的材料的厚度与所述第二光子晶体的材料的厚度不同，所述第一光子晶体的中心波长与所述第二光子晶体的中心波长互补；所述第一光子晶体和所述第二光子晶体均用于反射光子；
所述微腔结构的材料与所述第一光子晶体的材料不同，所述微腔结构的材料具有复折射率；所述微腔结构用于实现光的相长干涉。
2.根据权利要求1所述的光子晶体复合结构，其特征在于，所述第一光子晶体和所述第二光子晶体均为一维光子晶体。
3.根据权利要求2所述的光子晶体复合结构，其特征在于，所述第一光子晶体，具体包括：
多个第一薄膜层和多个第二薄膜层；所述第一薄膜层和所述第二薄膜层的个数相同；
所述第一薄膜层与所述第二薄膜层交替堆叠设置，所述第一光子晶体的底层为所述第一薄膜层，所述第二光子晶体的顶层为所述第二薄膜层；
所述第一薄膜层与所述第二薄膜层的厚度相同；
所述第一薄膜层与所述第二薄膜层的材料不同。
4.根据权利要求3所述的光子晶体复合结构，其特征在于，所述第二光子晶体，具体包括：
多个第三薄膜层和多个第四薄膜层；所述第三薄膜层和所述第四薄膜层的个数相同；
所述第三薄膜层和所述第四薄膜层交替堆叠设置，所述第二光子晶体的底层为所述第三薄膜层，所述第二光子晶体的顶层为所述第四薄膜层；
所述第三薄膜层和所述第四薄膜层的厚度相同，所述第三薄膜层与所述第一薄膜层的厚度不同；
所述第三薄膜层和所述第四薄膜层的材料不同，所述第三薄膜层的材料与所述第一薄膜层的材料相同，所述第四薄膜层的材料和所述第二薄膜层的材料相同。
5.根据权利要求3所述的光子晶体复合结构，其特征在于，
所述第一薄膜层的材料为二氧化硅或氟化锂；
所述第二薄膜层的材料为二氧化钛或氧化钨。
6.根据权利要求4所述的光子晶体复合结构，其特征在于，所述微腔结构，具体包括：
两个第五薄膜层和一个第六薄膜层；
所述第六薄膜层设置在两个所述第五薄膜层之间；
所述第五薄膜层与所述第六薄膜层的厚度相同；
所述第五薄膜层的材料与所述第六薄膜层的材料不同；
所述五薄膜层的材料与所述第六薄膜层的材料至少有一种具有复折射率。
7.根据权利要求6所述的光子晶体复合结构，其特征在于，
所述第五薄膜层的材料为银或铝或金；
所述第六薄膜层的材料为氧化铟锡或氧化锡或氧化锌。
8.一种半透明有机太阳能电池，其特征在于，应用权利要求1-7任一项所述的光子晶体复合结构。
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