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CN207834358U - 一种基于叠层一维光子晶体的半透明有机太阳能电池 - Google Patents

一种基于叠层一维光子晶体的半透明有机太阳能电池 Download PDF

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CN207834358U CN201721834818.9U CN201721834818U CN207834358U CN 207834358 U CN207834358 U CN 207834358U CN 201721834818 U CN201721834818 U CN 201721834818U CN 207834358 U CN207834358 U CN 207834358U
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钟锦耀
梁文跃
邓海东
徐海涛
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Abstract

本实用新型公开了一种基于叠层一维光子晶体的半透明太阳能电池，包括基底以及依次位于所述基底上的第一电极、第一传输层、光活性层、第二传输层和第二电极。所述的第二电极上设有叠层一维光子晶体，所述的叠层一维光子晶体由顶一维光子晶体和底一维光子晶体叠加而成，所述的顶一维光子晶体位于所述的第二电极和所述的底一维光子晶体之间。通过设置两个一维光子晶体的结构参数，可以调节电池器件的透过率光谱和透视颜色，获得透视颜色为红色、蓝色、绿色等不同颜色的半透明有机太阳能电池。

Description

一种基于叠层一维光子晶体的半透明有机太阳能电池
技术领域
本实用新型属于有机太阳能电池技术领域，更具体地，涉及一种基于叠层一维光子晶体的半透明有机太阳能电池。
背景技术
半透明有机太阳能电池可被集成到玻璃上，制备既具有光伏发电功能又在特定可见光波段透明的光伏玻璃。这种玻璃在光伏半透明彩色窗户、光伏建筑一体化和光伏汽车玻璃等领域具有广泛的应用前景，半透明有机太阳能电池也因此成为光伏领域中一个新的研究热点。制备半透明有机太阳能电池的基本方法是将有机半导体活性层置于两透明电极之中。自2006年R.F.Bailey-Salzman等人首次报导了半透明有机太阳能电池以来，科研工作者投入了巨大的精力来优化半透明有机太阳能电池的光电转换效率、透明度以及色度学性能(如：透视颜色、显色指数等)。
为了获得不同透视颜色的半透明有机太阳能电池，目前通常采用两种方法，第一，采用具有不同吸收光谱的有机物做活性层；第二，采用单层一维光子晶体、减反层等光学结构调节半透明有机透过率光谱，进而获得不同透视颜色的半透明有机太阳能电池。然而，这些方法对半透明有机太阳能电池透过率光谱和透视颜色的调节能力有限。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了克服现有技术的缺陷，提供一种基于叠层一维光子晶体的半透明有机太阳能电池。通过在有机太阳能电池的第二电极上设有叠层一维光子晶体，叠层一维光子晶体由两个具有不同禁带中心波长的顶一维光子晶体和底一维光子晶体构成，通过分别调控顶一维光子晶体和底一维光子晶体的结构参数，可以控制顶一维光子晶体和底一维光子的禁带中心波长，进而调控叠层一维光子晶体的透过率光谱，即可实现对器件透过率光谱和透视颜色的调控。
本实用新型上述目的通过以下技术方案予以实现：
一种基于叠层一维光子晶体的半透明有机太阳能电池，包括基底以及依次位于所述基底上的第一电极、第一传输层、光活性层、第二传输层和第二电极，所述的第二电极上设有叠层一维光子晶体，所述的叠层一维光子晶体由顶一维光子晶体和底一维光子晶体叠加而成，所述的顶一维光子晶体位于所述的第二电极和所述的底一维光子晶体之间。
进一步地，所述的第一传输层为电子传输层或空穴传输层，
更进一步地，所述的第一传输层为电子传输层时，所述的第二传输层为空穴传输层。
更进一步地，所述的第一传输层为空穴传输层时，所述的第二传输层为电子传输层。
优先地，所述的顶一维光子晶体和底一维光子晶体由薄膜介质周期性排列而成。
优选地，所述的薄膜介质为TiO2和SiO2。
优选地，所述的周期性排列为1～10个周期，所述周期包括一层TiO2薄膜和一层SiO2薄膜，所述周期的厚度为80nm～300nm。
优选地，所述的一层TiO2薄膜的厚度为40nm～150nm，所述的一层SiO2薄膜的厚度为40nm～150nm。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
1.本实用新型在半透明有机太阳能电池第二电极上设有叠层一维光子晶体，叠层一维光子晶体由顶一维光子晶体和底一维光子晶体叠加而成，顶一维光子晶体和底一维光子晶体具有不同的结构参数，通过设置顶一维光子晶体和底一维光子晶体中两层薄膜介质的厚度，顶一维光子晶体和底一维光子晶体具有不同的禁带位置，分别将不同波段的光反射回电池器件，被活性层吸收后转换成电能，提高电池器件的光电转换效率；同时，可以分别调节顶一维光子晶体和底一维光子晶体的禁带位置来控制叠层一维光子晶体的透过率光谱，最终调控器件的透过率光谱的光谱范围和透视颜色，即可获得具有不同透过率光谱和透视颜色的电池器件。
2.本实用新型可以通过设计叠层一维光子晶体中两个一维光子晶体的禁带，在应用过程中可对器件的透视颜色和透过率光谱实现较大范围的调控，获得红色、绿色、蓝色等不同颜色的半透明有机太阳能电池。
附图说明
图1为本实用新型的有机太阳能电池结构示意图。
图2为本实用新型的有机太阳能电池中的叠层一维光子晶体的结构图。
图3为本实用新型的有机太阳能电池的透过率光谱图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本实用新型的内容，但不应理解为对本实用新型的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
图1是本实用新型的有机太阳能电池结构示意图。如图1所示，本实用新型的有机太阳能电池包括：基底1，第一电极2，第一传输层3，光活性层4，第二传输层5，第二电极6；所述第二电极6上设有叠层一维光子晶体7，所述叠层一维光子晶体7由顶一维光子晶体71和底一维光子晶体72叠加而成，所述顶一维光子晶体71介于所述第二电极6和所述底一维光子晶体72之间。
其中，实施方式一中，该太阳能电池为倒置式太阳能电池，此时第一传输层3为电子传输层，而第二传输层5则为空穴传输层。
在实施方式二中，该太阳能电池也可以为正置式太阳能电池，此时第一传输层3为空穴传输层，而第二传输层5则为电子传输层。
所述叠层一维光子晶体7包括顶一维光子晶体71和底一维光子晶体72，在实施方式中，所述顶一维光子晶体71为TiO2和SiO2周期性排列而成，所述底一维光子晶体72由TiO2和SiO2周期性排列而成，如图2所示。顶一维光子晶体71和底一维光子晶体72的周期可以是1～10个周期，周期的厚度为80nm～300nm，所述的每个周期包括一层TiO2薄膜和一层SiO2薄膜，所述一层TiO2薄膜的厚度为40nm～150nm，所述一层SiO2薄膜的厚度为40nm～150nm。两个一维光子晶体具有不同的禁带中心波长，主要通过使用不同厚度的TiO2层和SiO2层实现。通过改变顶一维光子晶体71和底一维光子晶体72的禁带中心波长的位置，即可控制叠层一维光子晶体7的透过光谱，进而实现对器件透过率光谱和透视颜色的调控。上述叠层一维光子晶体可以采用热蒸发、磁控溅射或者电子束蒸发等方法制备。
上述太阳能电池可由如下具体制备过程实现：
1.在基底上制作第一电极层；
2.在第一电极层上制作第一载流子传输层，所述第一载流子传输层以旋涂或者热蒸发的工艺制备；
3.在上述第一载流子传输层上依次制作光活性层、第二载流子传输层和第二电极；
4.在第二电极6上制作叠层一维光子晶体7，首先用磁控溅射的方法制作顶一维光子晶体71，再在顶一维光子晶体71之上采用磁控溅射制作底一维光子晶体72。
在实施方式一中，太阳能电池的具体制备过程如下：
(1)将玻璃作为基底1，用去离子水、酒精、丙酮等溶液多次清洗，然后用氧的等离子体处理，制作ITO第一电极2。
(2)将聚[9,9-二(3'-(N,N-二甲胺基)丙基)-2,7-芴]-交-2,7-(9,9-二辛基芴)](PFN)界面材料溶解在小量的乙酸中，浓度可为2mg/mL，然后将PFN的乙酸溶液旋涂到ITO电极，PFN为第一载流子传输层3(或者称为界面修饰层)。
(3)光活性层4采用旋涂的方法将聚噻吩并[3,4-b]噻吩/苯并二噻吩(PTB7)和[6,6]-苯基C71丁酸甲酯(PC71BM)混合溶液旋涂到PFN界面材料上，通过转速控制光活性层的厚度，进而控制半透明电池器件的效率和透明度。
(4)利用真空热发的方法在光活性层的表面上蒸镀MoO3，MoO3为第二载流子传输层5，然后在MoO3的表面上蒸镀15nm厚度的Ag，Ag为第二透明电极6。
(5)在Ag的表面制备叠层一维光子晶体7。具体如下：首先在Ag电极表面制备由TiO2和SiO2两种介质周期性排列的顶一维光子晶体71，一维光子晶体的周期为1～10个周期，通过设计TiO2薄膜和SiO2薄膜的厚度，控制顶一维光子晶体71的禁带位置和通带位置。然后在顶一维光子晶体71的表面制备底一维光子晶体72，底一维光子晶体72由TiO2和SiO2两种介质周期性排列而成，一维光子晶体的周期为1～10个周期。器件制备过程中，通过控制TiO2和SiO2薄膜的厚度来可调节底一维光子晶体72的禁带位置，TiO2薄膜的厚度调节范围为40nm～150nm，SiO2薄膜的厚度调节范围为40nm～150nm。
在器件制备过程中，通过控制顶一维光子晶体71和底一维光子晶体72的禁带位置，即可调控叠层一维光子晶体7的透过率光谱，最终调控器件的透视颜色。表1为具有叠层一维光子晶体的半透明有机太阳能电池的性能参数。其中，表1中dTiO2和dSiO2分别代表TiO2薄膜和SiO2薄膜的厚度。由表1可知，通过在有机太阳能电池的第二电极上设有叠层一维光子晶体，叠层一维光子晶体由顶一维光子晶体和底一维光子晶体叠加而成，改变叠层一维光子晶体中顶一维光子晶体和底一维光子晶体中TiO2和SiO2的厚度，可以调节器件的透视颜色，进而获得透视颜色为红色、绿色、蓝色的电池器件。图3为透视颜色分别为红色、绿色、蓝色的器件所对应的透过率光谱。从图3可知，透视颜色为红色的器件的透过率光谱为600nm～635nm，透视颜色为绿色的器件的透过率光谱为520nm～549nm，透视颜色为蓝色的器件的透过率光谱范围为456nm～485nm，三个器件透光波段的最大透过率均大于40％，这表明通过调节叠层一维光子晶体的结构参数，可以获得透视颜色为红色、绿色和蓝色，同时具有较高透过率的半透明有机太阳能电池。
表1具有叠层一维光子晶体的半透明有机太阳能电池的性能参数
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于叠层一维光子晶体的半透明有机太阳能电池，包括基底以及依次位于所述基底上的第一电极、第一传输层、光活性层、第二传输层和第二电极，其特征在于，所述的第二电极上设有叠层一维光子晶体，所述的叠层一维光子晶体由顶一维光子晶体和底一维光子晶体叠加而成，所述的顶一维光子晶体位于所述的第二电极和所述的底一维光子晶体之间。
2.根据权利要求1所述的基于叠层一维光子晶体的半透明有机太阳能电池，其特征在于，所述的第一传输层为电子传输层或空穴传输层。
3.根据权利要求2所述的基于叠层一维光子晶体的半透明有机太阳能电池，其特征在于，所述的第一传输层为电子传输层时，所述的第二传输层为空穴传输层。
4.根据权利要求2所述的基于叠层一维光子晶体的半透明有机太阳能电池，其特征在于，所述的第一传输层为空穴传输层时，所述的第二传输层为电子传输层。
5.根据权利要求1所述的基于叠层一维光子晶体的半透明有机太阳能电池，其特征在于，所述的顶一维光子晶体和底一维光子晶体均由薄膜介质周期性排列而成。
6.根据权利要求5所述的基于叠层一维光子晶体的半透明有机太阳能电池，其特征在于，所述的薄膜介质为TiO2和SiO2。
7.根据权利要求5所述的基于叠层一维光子晶体的半透明有机太阳能电池，其特征在于，所述的周期性排列为1～10个周期，所述周期包括一层TiO2薄膜和一层SiO2薄膜，所述周期的厚度为80nm～300nm。
8.根据权利要求7所述的基于叠层一维光子晶体的半透明有机太阳能电池，其特征在于，所述的一层TiO2薄膜的厚度为40nm～150nm，所述的一层SiO2薄膜的厚度为40nm～150nm。
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