專利名稱：一種提高量子效率的光轉換薄膜的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光學材料領域，具體涉及一種提高量子效率的光轉換薄膜。
背景技術：
光轉換材料的量子效率與入射光強有密切關系，光強越強，光轉換材料的量子效率越高，而光強越低，量子效率就越低。在很多應用領域，如日光燈、小功率發(fā)光二極管和光譜轉換太陽能電池等，入射光的光強不太高，導致光轉換材料的量子效率較低，經轉換后發(fā)出的光子數(shù)較少，造成能量的損失?，F(xiàn)有技術中采用如下結構的光轉換薄膜來減少光轉換材料的能量損失(I)在襯底的表面設置表面等離子體激元層，由于表面等離子體激元能夠利用近場耦合效應，將入射光局限于襯底表面，并起到近場增強的作用，但其僅能對某一窄波帶的光譜進行光場增強，這不利于將光場增強擴展到整個光譜，造成能量損失。(2)在襯底的表面設置光轉換層,而光轉換層能夠將某一波段的光轉換為另一波段，但轉換過程中伴隨有能量的損失，不利于對光譜的充分利用。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠提高量子效率、增加輸出的總光子數(shù)、提高材料光轉換效率的光轉換薄膜。本發(fā)明的具體技術方案如下—種提高量子效率 的光轉換薄膜，包括襯底，在襯底的其中一個表面設置有表面等離子體激元層和光轉換層。所述表面等離子體激元層的材質選用金屬材料即可，優(yōu)選的選自金、銀、鋁、銅、鉻、鋰等金屬材料中的一種。所述光轉換層的材質只要是摻有稀土離子的物質，比如摻有一種或者多種稀土離子的氧化物，硫化物，氟化物，硅酸鹽等均可，優(yōu)選的選自釔鋁石榴石、硼酸鋁釓、氟化釓鋰、氟化釔、氟化釔納、氟化鋇、硼酸鋁釓鐿、硼酸釓、二氧化鈦、硫化鋅、氟化鋅、氯化鋅、硅酸鹽中的一種。所述光轉換層設在襯底和表面等離子體激元層之間。所述表面等離子體激元層和光轉換層均為膜，膜厚度為lnm-lmm ;采用此種結構后，能夠進一步提聞量子效率。所述光轉換層為膜，膜厚度為lnm-lmm ;所述表面等離子體激元層由間隔排列的球體單元組成，球體直徑為Ι-lOOnm，球間距為O-1um ;采用此種結構后，能夠進一步提高量
子效率。所述光轉換層由間隔排列的柱體單元組成，柱間距為Ι-lOOOnm，柱體高度為lnm-lmm,柱直徑為lnm-lum ;所述表面等離子體激元層由球體單元組成,球體單元設置在柱體單元的頂部，球體直徑為1-1OOnm ;采用此種結構后，能夠進一步提高量子效率。
所述光轉換層由間隔排列的柱體單元組成，柱間距為Ι-lOOOnm，柱體高度為lnm-lmm ;所述表面等離子體激元層由球體單元組成，球體直徑為Ι-lOOnm,球間距為Ο-lum，球體單元或嵌入柱體單元之間的部分間隙內，或嵌入柱體單元之間的全部間隙內；采用此種結構后，能夠進一步提高量子效率。所述柱體單元為斜柱，球體單元還設置在斜柱的頂部。所述光轉換層由間隔排列的椎體單元組成，錐間距為Ο-lum，椎體高度為lnm-lmm,錐底直徑為lnm-lmm,錐角為0° -179° ;所述表面等離子體激元層由球體單元組成，球體直徑為Ι-lOOnm，球間距為0_lum，球體單元設置在椎體單元的錐面上；采用此種結
構后，能夠進一步提聞量子效率。為了在入射光強不太高的情況下提高光轉換材料的量子效率，本發(fā)明在襯底的其中一個表面設置表面等離子體激元層和光轉換層；利用表面等離子體激元的近場耦合效應，將入射光局限于光轉換層的表面，同時借助其近場增強的作用，提高入射到光轉換層表面的光的強度。利用斯托克斯效應，將光譜中高能量光子轉換成更多的低能量光子，經表面等離子體激元層及光轉換層后，總光子數(shù)得到增加，量子效率得到提升，入射光得到更有效利用。本發(fā)明提供的光轉換薄膜應用廣泛，既可以用于硅太陽能電池、薄膜太陽能電池等多種太陽能電池表面，提高電池量子效率，改善電池的光電轉換效率；又可用于LED等光器件，提高器件的光強同時，改善光轉換的量子效率；與此同時，還可用于農用薄膜等材料上，提高光照強度同時，改變照射于農作物表面光波，更有利于植物的光合作用效率。


圖1為本發(fā)明實施例1的結構示意
圖2為本發(fā)明實施例2的結構示意圖；圖3為本發(fā)明實施例3的結構示意圖；圖4為圖3的俯視圖；圖5為本發(fā)明實施例4的結構示意圖；圖6為圖5的俯視圖；圖7為本發(fā)明實施例5的結構示意圖；圖8為圖7的俯視圖；圖9為本發(fā)明實施例6的結構示意圖；圖10為圖9的俯視圖。其中1為表面等離子體激元層，2為光轉換層，3為襯底。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。本發(fā)明采用現(xiàn)有的電子束蒸發(fā)鍍膜、真空蒸發(fā)鍍膜、磁控濺射鍍膜或化學氣相沉積的方法在襯底3的其中一個表面設置表面等離子體激元層I及光轉換層2，利用表面等離子體激元的近場耦合效應，將入射光局限于光轉換材料的表面，同時借助其近場增強的作用，提高入射到光轉換材料表面的光的強度。利用斯托克斯效應，將光譜中高能量光子轉換成更多的低能量光子，經表面等離子體激元層及光轉換層后，總光子數(shù)得到增加，量子效率得到提升，入射光得到更有效利用。實施例1光轉換薄膜的具體制備工藝如下1.采用電子束蒸發(fā)鍍膜法，將材料釔鋁石榴石制備于襯底的其中一個表面，形成光轉換膜，其形貌為均勻平面，厚度為150nm;2.采用真空蒸發(fā)鍍膜法，將材料金制備于光轉換膜表面，形成表面等離子體激元膜，形貌為均勻平面，厚度為10nm。由該方法制備得到的光轉換薄膜的具體結構參見圖1 ;其中光轉換膜和表面等離子體激元膜的厚度可以在lnm-lmm之間。將釔鋁石榴石光轉換材料和本實施例制備得到的光轉換薄膜分別放在IPCE/QE測試系統(tǒng)中進行測試，其中釔鋁石榴石光轉換材料的量子效率為52. 37%，光轉換薄膜的量子效率為61. 9%，量子效率增幅為18. 2%。實施例2光轉換薄膜的具體制備工藝如下1.采用電子束蒸發(fā)鍍膜法，將材料硼酸鋁釓制備于襯底的其中一個表面，形成光轉換膜，其形貌為均勻平面，厚度為200nm ；2.采用真空蒸發(fā)鍍膜法，將材料鉻制備于光轉換膜表面，形貌為間隔排列的球體單元，球體直徑在8nm，球 間距為lum。該方法制備得到的光轉換薄膜的具體結構參見圖2 ;其中光轉換膜的厚度可以在lnm-lmm之間；球體直徑可以在1-1OOnm之間，球間距可以在O-1um之間。將硼酸鋁釓光轉換材料和本實施例制備得到的光轉換薄膜分別放在IPCE/QE測試系統(tǒng)中進行測試，其中硼酸鋁釓光轉換材料的量子效率為52. 36%，光轉換薄膜的量子效率為65. 78%，量子效率增幅為25. 63%。實施例3光轉換薄膜的具體制備工藝如下1.采用真空蒸發(fā)鍍膜法，將材料氟化釓鋰制備于襯底的其中一個表面，形貌為間隔排列的直柱體，直柱體的高度為120nm，柱間距為50nm ；2.采用真空蒸發(fā)鍍膜法，將材料鋁制備于直柱體的頂部，形貌為球體，球體直徑為20nmo該方法制備得到的光轉換薄膜的具體結構參見圖3和圖4 ;其中直柱體的高度范圍在lnm-lmm之間，柱間距在1-1OOOnm之間；球體直徑可以在1-1OOnm之間。將氟化釓鋰光轉換材料和本實施例制備得到的光轉換薄膜分別放在IPCE/QE測試系統(tǒng)中進行測試，其中氟化釓鋰光轉換材料的量子效率為52. 37%，光轉換薄膜的量子效率為70. 15%，量子效率增幅為33. 95%。實施例4光轉換薄膜的具體制備工藝如下1.采用磁控濺射鍍膜法，將材料氟化釔制備于襯底的其中一個表面，形貌為間隔排列的直柱體，直柱體的高度為lOOnm，柱間距為IOOnm;
2.采用真空蒸發(fā)鍍膜法，將材料銅制備于間隔排列的直柱體與直柱體之間的間隙內，形貌為球體，球體直徑為15nm ;球體單元或嵌入柱體單元之間的部分間隙內，或嵌入柱體單元之間的全部間隙內。該方法制備得到的光轉換薄膜的具體結構參見圖5和圖6 ;其中直柱體的高度在lnm-lmm之間，柱間距在1-1OOOnm之間；球體直徑可以在1-1OOnm之間。將氟化釔光轉換材料和本實施例制備得到的光轉換薄膜分別放在IPCE/QE測試系統(tǒng)中進行測試，其中氟化釔光轉換材料的量子效率為52. 38%，光轉換薄膜的量子效率為75. 57%，量子效率增幅為44. 27%。實施例5光轉換薄膜的具體制備工藝如下1.采用化學氣相沉積法，將材料硫化鋅制備于襯底的其中一個表面，形貌為間隔排列的斜柱體，柱體高度為250nm，柱間距為60nm ；2.采用真空蒸發(fā)鍍膜法，將材料金制備于間隔排列的斜柱體的頂部以及斜柱體與斜柱體之間的間隙內，形貌為球體，球體直徑為10nm。該方法制備得到的光轉換薄膜的具體結構參見圖7和圖8 ;其中斜柱體的柱體高度范圍在lnm-lmm之間，柱間距在1-1OOOnm之間；球體直徑可以在1-1OOnm之間。將硫化鋅光轉換材 料和本實施例制備得到的光轉換薄膜分別放在IPCE/QE測試系統(tǒng)中進行測試，其中硫化鋅光轉換材料的量子效率為52. 37%，光轉換薄膜的量子效率為69. 95%，量子效率增幅為33. 57%。實施例6光轉換薄膜的具體制備工藝如下1.采用化學氣相沉積法，將材料硼酸鋁釓鐿制備于襯底的其中一個表面，形貌為間隔排列的椎體，錐體高度為180nm,錐間距為為Onm ；2.采用真空蒸發(fā)鍍膜法，將材料銀制備于間隔排列的椎體的錐面上，形貌為球體，球體直徑為18nm。該方法制備得到的光轉換薄膜的具體結構參見圖9和圖10 ;其中椎體高度在lnm-lmm之間，錐間距在O-1um之間；球體直徑可以在Ι-lOOnm之間。將硼酸鋁釓鐿光轉換材料和本實施例制備得到的光轉換薄膜分別放在IPCE/QE測試系統(tǒng)中進行測試，其中硼酸鋁釓鐿光轉換材料的量子效率為52. 37%，光轉換薄膜的量子效率為72. 59%，量子效率增幅為38. 61%。
權利要求
1.一種提高量子效率的光轉換薄膜，包括襯底，其特征在于在襯底的其中一個表面設置有表面等離子體激元層和光轉換層。
2.根據權利要求1所述的光轉換薄膜，其特征在于所述表面等離子體激元層的材質選自金、銀、招、銅、鉻、鋰中的一種。
3.根據權利要求1所述的光轉換薄膜，其特征在于所述光轉換層的材質選自釔鋁石榴石、硼酸鋁釓、氟化釓鋰、氟化釔、氟化釔納、氟化鋇、硼酸鋁釓鐿、硼酸釓、二氧化鈦、硫化鋅、氟化鋅、氯化鋅、硅酸鹽中的一種。
4.根據權利要求1至3任一項所述的光轉換薄膜,其特征在于光轉換層設在襯底和表面等離子體激元層之間。
5.根據權利要求4所述的光轉換薄膜，其特征在于所述表面等離子體激元層和光轉換層均為膜，膜厚度為lnm-lmm。
6.根據權利要求4所述的光轉換薄膜，其特征在于所述光轉換層為膜，膜厚度為Inm-1mm ;所述表面等離子體激元層由間隔排列的球體單元組成,球體直徑為1-1OOnm,球間距為0_lum。
7.根據權利要求4所述的光轉換薄膜，其特征在于所述光轉換層由間隔排列的柱體單元組成，柱間距為1-1OOOnm,柱體高度為lnm-lmm,柱體直徑為Inm-1um ;所述表面等離子體激元層由球體單元組成，球體單元設置在柱體單元的頂部，球體直徑為1-1OOnm,球間距為O-1um0
8.根據權利要求4所述的光轉換薄膜，其特征在于所述光轉換層由間隔排列的柱體單元組成，柱間距為1-1OOOnm,柱體高度為lnm-lmm,柱體直徑為Inm-1um ;所述表面等離子體激元層由球體單元組成，球體直徑為1-1OOnm,球間距為O-1um,球體單元嵌入柱體單元之間的間隙內。
9.根據權利要求8所述的光轉換薄膜，其特征在于所述柱體單元為斜柱，球體單元還設置在斜柱的頂部。
10.根據權利要求4所述的光轉換薄膜，其特征在于所述光轉換層由間隔排列的椎體單元組成，錐間距為O-1um,椎體高度為lnm-lmm,錐底直徑為lnm-lmm ;所述表面等離子體激元層由球體單元組成，球體單元設置在椎體單元的錐面上，球體直徑為1-1OOnm,球間距為 0-lum。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提高量子效率的光轉換薄膜，包括襯底，在襯底的其中一個表面設置有表面等離子體激元層和光轉換層。為了在入射光強不太高的情況下提高光轉換材料的量子效率，本發(fā)明在襯底的其中一個表面設置表面等離子體激元層和光轉換層；利用表面等離子體激元的近場耦合效應，將入射光局限于光轉換層的表面，同時借助其近場增強的作用，提高入射到光轉換層表面的光的強度。利用斯托克斯效應，將光譜中高能量光子轉換成更多的低能量光子，經表面等離子體激元層及光轉換層后，總光子數(shù)得到增加，量子效率得到提升，入射光得到更有效利用。
文檔編號H01L33/50GK103066136SQ20121058141
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月27日 優(yōu)先權日2012年12月27日
發(fā)明者邵國鍵, 婁朝剛, 肖東 申請人:東南大學