本發(fā)明涉及有機(jī)光伏技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型透明有機(jī)光伏電池。

背景技術(shù)：

在過去的三十年中，有機(jī)光伏技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于不適合采用硅技術(shù)的發(fā)電裝置中。例如，為了將光伏面板集成到建筑物、摩天大樓和汽車的窗玻璃上，同時(shí)能增強(qiáng)其表面的透光功能，那么就必須要采用有機(jī)光伏技術(shù)。

現(xiàn)有技術(shù)中，有兩種方法已被應(yīng)用在有機(jī)光伏電池的制造中：第一種方法是減少吸收層的帶隙以在可見光區(qū)域獲得較低的吸收，它的帶隙已經(jīng)成功地從近紫外或可見向近紅外區(qū)域推進(jìn)。第二種方法是捕獲近紅外區(qū)域中的近紫外和近紅外光，最后將有源層包圍在由兩個(gè)金屬半透明電極形成的法布里-珀羅型腔中，以獲得高轉(zhuǎn)換效率。

但現(xiàn)有技術(shù)還需要進(jìn)一步完善。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種新型透明有機(jī)光伏電池，可以同時(shí)增強(qiáng)可見光區(qū)域中的透射率以及近紅外區(qū)域中的吸收率。

本發(fā)明通過以下技術(shù)手段解決上述問題：

一種新型透明有機(jī)光伏電池，包括三層結(jié)構(gòu)，第一層是抗反射涂層，第二層是吸收層,第三層是近紅外布拉格反射器，所述吸收層的上下表面各設(shè)置有一層透明導(dǎo)電氧化物層。

優(yōu)選的，所述抗反射涂層由MgF₂層和MgO層組成，所述吸收層由ClAlPc層和C₆₀層組成，位于吸收層上的透明導(dǎo)電氧化物層為第一ITO層，位于吸收層下的透明導(dǎo)電氧化物層為第二ITO層，所述近紅外布拉格反射器由三個(gè)雙層組成，每個(gè)雙層由SiO₂層和TiO₂層組成。

優(yōu)選的，ClAlPc層的厚度為15nm，C₆₀層的厚度為30nm。

優(yōu)選的，MgF₂層、MgO層以及第一ITO層的厚度分別表示為d1、d2、d3，則d＝(d1，d2，d3)為d＝(128.142nm,77.074nm,20nm)；第二ITO層、三個(gè)雙層的厚度分別表示為D1、D2、D3...D7，則D＝(D1，D2...D7)為D＝(20nm,311.598nm,79.488nm,124.265nm,73.268nm,122.684nm,81.981nm)。

優(yōu)選的，MgF₂層、MgO層、第一ITO層、第二ITO層、三個(gè)雙層的厚度采用遺傳算法計(jì)算得出。

本發(fā)明通過結(jié)合具有抗反射涂層和近紅外布拉格反射器的吸收層可以顯著改善透明有機(jī)光伏電池的性能，這使得整個(gè)結(jié)構(gòu)在太陽光垂直入射時(shí)，在650-850nm內(nèi)的平均吸收率從16.6％增加到36.3％，在400-580nm區(qū)域內(nèi)同時(shí)具有72％的高透射率。同時(shí)，在0°-30°的入射角范圍內(nèi)，平均吸收率隨著入射角的增大而增加，之后緩慢減小，但保持在30％以上。平均透射率將同時(shí)保持在60％以上。此外，本發(fā)明采用遺傳算法計(jì)算各層的厚度，采用很少的膜層就可以達(dá)到可見光區(qū)域中的高透射率以及近紅外區(qū)域中的高吸收率，節(jié)省了成本。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明新型透明有機(jī)光伏的三層結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明吸收層和整個(gè)結(jié)構(gòu)在垂直入射時(shí)的透射率與波長的關(guān)系圖；

圖3是本發(fā)明吸收層和整個(gè)結(jié)構(gòu)的平均透射率隨著入射角在400-580nm波長范圍內(nèi)的變化圖；

圖4是本發(fā)明單吸收層和整個(gè)結(jié)構(gòu)在垂直入射的吸收率與波長的關(guān)系圖；

圖5是本發(fā)明單吸收層和整個(gè)結(jié)構(gòu)的平均吸收率隨著入射角在650-850nm內(nèi)變化圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面將結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。需要指出的是，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例，基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

實(shí)施例

如圖1所示，本發(fā)明提供一種新型透明有機(jī)光伏電池，包括三層結(jié)構(gòu)，第一層是抗反射涂層，第二層是吸收層,第三層是近紅外布拉格反射器，其中，吸收層的上下表面各設(shè)置有一層透明導(dǎo)電氧化物層。

陽光通過抗反射涂層的表面，抗反射涂層可以增強(qiáng)陽光中可見光和近紅外光的透射，近紅外布拉格反射器僅反射近紅外光，以增強(qiáng)吸收層對近紅外光的吸收。

為了減少光能的損失，本發(fā)明采用具有接近零消光系數(shù)的介電材料。詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，抗反射涂層由MgF₂層和MgO層組成，每層的厚度分別表示為d1和d2。

吸收層由ClAlPc層和C₆₀層組成，ClAlPc層的厚度是15nm，C₆₀層的厚度是30nm。

抗反射涂層和吸收層之間是透明導(dǎo)電氧化物層，其由氧化銦錫(ITO)制成，即第一ITO層，厚度表示為d3。吸收層和近紅外布拉格反射器之間是另一個(gè)透明導(dǎo)電氧化物層，它也由ITO制成，即第二ITO層，厚度表示為D1。

近紅外布拉格反射器的材料為SiO₂和TiO₂，它們是用于在目標(biāo)波長范圍內(nèi)制造反射器的容易獲得的普通材料。近紅外布拉格反射器由三個(gè)雙層組成，每個(gè)雙層由SiO₂層和TiO₂層組成，每層的厚度分別表示為D2，D3...D7。

本發(fā)明的MgF₂層、MgO層、第一ITO層、第二ITO層、三個(gè)雙層的厚度采用遺傳算法計(jì)算得出。遺傳算法基本上模仿自然進(jìn)化的過程，其中個(gè)體的適應(yīng)性通過選擇、交叉和突變的過程逐次迭代而得到。對于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)需要適當(dāng)?shù)剡x擇各種參數(shù)?？諝獗徽J(rèn)為是環(huán)境介質(zhì)。每層的厚度被認(rèn)為是一個(gè)可變參數(shù)，并通過連續(xù)演化進(jìn)行優(yōu)化。層中介電材料的最小厚度和最大厚度的范圍是可變參數(shù)的搜索空間。該層的最大厚度設(shè)定為450nm，最小厚度設(shè)定為20nm。此外，假定層數(shù)和序列的數(shù)量是固定的。其他參數(shù)，如突變率、交叉率、遷移率和種群大小也是固定的，它們的類型在整個(gè)優(yōu)化過程中是默認(rèn)的。突變率、交叉率、每20代的遷移率和種群大小的值分別設(shè)置為1％、80％、20％和200。在優(yōu)化過程開始時(shí)，產(chǎn)生具有固定數(shù)量的層的初始群體，層厚度在[20nm，450nm]的范圍內(nèi)。

在產(chǎn)生初始群體之后，評(píng)估每個(gè)個(gè)體，將具有優(yōu)異性能的個(gè)體進(jìn)行選擇、交叉和突變操作以再現(xiàn)下一代的新群體。然后繼續(xù)迭代過程，直到獲得最優(yōu)個(gè)體。每個(gè)個(gè)體的性能的評(píng)估由合適的品質(zhì)因數(shù)函數(shù)(也稱為“適應(yīng)度函數(shù)”)來執(zhí)行。當(dāng)適應(yīng)度函數(shù)的值隨著迭代時(shí)間的增加而變化不大時(shí)，將獲得最優(yōu)個(gè)體。

每個(gè)層r(r＝1,2，...，m)的光學(xué)性質(zhì)由其復(fù)折射率n_r＝n_r+jk_r描述，其是入射光的波長的函數(shù)。介電材料和ITO層的光學(xué)性質(zhì)可以在折射率數(shù)據(jù)庫中獲得。

層相厚度定義為

其對應(yīng)于隨著波穿過層的相變，這里θ_r是層r中的折射角。

對于p偏振，導(dǎo)納表示為

對于s極化，其表示為

η_r＝(n-jk)cosδ_r (2b)

通過使用接口矩陣和層矩陣，總系統(tǒng)傳遞矩陣可以寫為

對于總層狀結(jié)構(gòu)，所得到的復(fù)反射率R和透射率T可以通過使用公式(3)的總系統(tǒng)轉(zhuǎn)移矩陣的矩陣元素表示為

并且η₀是透明環(huán)境的導(dǎo)納，則吸收率A可以表示為

A＝1-R-T (4c)

這里，抗反射涂層和第一ITO層作為整體；適應(yīng)度函數(shù)可以定義為

這里，T_s(λ_θ,d)是對于給定的一組層厚度(d＝(d1，d2，d3))，波長λ(nm)下的s偏振透射率的值和入射角θ的矩陣法，類似地，T_p(λ_θ,d)是p偏振的值。

抗反射涂層原則上在所關(guān)注的整個(gè)波長范圍和入射角范圍內(nèi)表現(xiàn)出最大透射率。具有最大透射率的最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將具有適應(yīng)度函數(shù)的最小值F₁。最小值可以通過遺傳算法獲得，隨著群體的演變，在第70個(gè)群體中，找到該值，則最優(yōu)個(gè)體d＝(d1，d2，d3)給出為

d＝(128.142nm,77.074nm,20nm)

類似地，第二ITO層和近紅外布拉格反射器作為整體，適應(yīng)度函數(shù)定義為

T_s(λ,d)是對于在給定的一組層厚度(D＝(D1，D2...D7))，在波長λ(nm)處的s偏振透射率的計(jì)算值，D是在相同條件下p偏振透射率的值。對于給定的一組層厚度(D＝(D1，D2...D7))，R_s(λ_θ,d)是波長λ(nm)，入射角θ(rad)處的s偏振反射率。兩個(gè)項(xiàng)的權(quán)重相等；可以改善可見光區(qū)的透射率和近紅外區(qū)的吸收率之間的平衡。該設(shè)計(jì)方案可以將650-850nm內(nèi)的近紅外光反射回吸收層，同時(shí)在400-580nm范圍內(nèi)保持可見光的高透過率。近紅外布拉格反射器的最優(yōu)結(jié)構(gòu)將具有適應(yīng)度函數(shù)的最小值，并且通過遺傳算法操作在第123個(gè)群體中找到最優(yōu)個(gè)體D＝(D1，D2...D7)，D＝(20nm,311.598nm,79.488nm,124.265nm,73.268nm,122.684nm,81.981nm)。

為了確認(rèn)設(shè)計(jì)的性能，通過使用Lumerical FDTD解決方案和MATLAB分別進(jìn)行了整個(gè)結(jié)構(gòu)的光學(xué)屬性的詳細(xì)分析。因此，得到了MATLAB的光學(xué)性質(zhì)的理論值和模擬值的Lumerical FDTD解決方案。

在圖2中，點(diǎn)劃線和細(xì)實(shí)線分別表示法線入射時(shí)的整個(gè)結(jié)構(gòu)的透射率的模擬值和理論值。虛線表示法線入射時(shí)單吸收層的透射率值。比較吸收層的透射率與整個(gè)結(jié)構(gòu)在垂直入射時(shí)的透射率，后者在400-580nm的波長范圍內(nèi)具有比前者更高的透射率。整個(gè)結(jié)構(gòu)中的可見光在法向入射下以72％的平均強(qiáng)度透射，而在同一情況下單吸收層為45.9％，這意味著吸收層的平均透射率為1.57倍。與現(xiàn)有技術(shù)相比，在相同條件下平均可見光透射率的值增加了31％。

如圖3所示，在400-580nm范圍內(nèi)，吸收層和整個(gè)結(jié)構(gòu)的平均透射率隨著角度的變化而變化。平均透射率的值通過蒙特卡羅方法獲得。隨著入射角的增大，吸收層的平均透射率的趨勢線低，并且整個(gè)結(jié)構(gòu)的平均透射率的趨勢線緩慢且單調(diào)地減小，但是在入射角增加到50°之前保持在60％以上，這些特征使得通過本發(fā)明的結(jié)構(gòu)可以清楚地看到物體。

在圖4中，點(diǎn)劃線和細(xì)實(shí)線分別表示法線入射時(shí)整個(gè)結(jié)構(gòu)的模擬吸收值和理論吸收值。虛線表示法線入射時(shí)單吸收層的吸收率值。將吸收層的吸收率與法向入射的整個(gè)結(jié)構(gòu)的吸收率進(jìn)行比較，后者在650-850nm的波長范圍內(nèi)具有比前者更高的吸收率。如圖5所示，所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)可以使正常入射時(shí)的平均吸收率從16.6％增加到36.3％。同時(shí)，隨著入射角的增大，整個(gè)結(jié)構(gòu)的平均吸收率在0°-30°的入射角范圍內(nèi)增加，然后緩慢減小，但保持在30％以上，非常適合陽光吸收。

本發(fā)明通過結(jié)合具有抗反射涂層和近紅外布拉格反射器的吸收層可以顯著改善透明有機(jī)光伏電池的性能，這使得整個(gè)結(jié)構(gòu)在太陽光垂直入射時(shí)，在650-850nm內(nèi)的平均吸收率從16.6％增加到36.3％，在400-580nm區(qū)域內(nèi)同時(shí)具有72％的高透射率。同時(shí)，在0°-30°的入射角范圍內(nèi)，平均吸收率隨著入射角的增大而增加，之后緩慢減小，但保持在30％以上。平均透射率將同時(shí)保持在60％以上。這些特征對陽光吸收非常有幫助，并且使得可以通過透明有機(jī)光伏電池清楚地看到物體。此外，本發(fā)明由具有接近零消光系數(shù)的介電材料組成，具有很小的光吸收損耗。本發(fā)明具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和廣泛的應(yīng)用范圍。

本發(fā)明將包含ClAlPc/C₆₀的吸收層與抗反射涂層和近紅外布拉格反射器結(jié)合，可以進(jìn)一步改善可見光透明度和近紅外吸收之間的平衡。這里，使用遺傳算法來設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，并且最終找到特定的非周期性結(jié)構(gòu)。逆積分設(shè)計(jì)用于確定每個(gè)層的厚度以獲得最佳性能。整個(gè)結(jié)構(gòu)可以同時(shí)增強(qiáng)可見光區(qū)域中的透射以及近紅外區(qū)域中的吸收。與現(xiàn)有技術(shù)相比，平均可見光透射率可以增加31％，并且對近紅外吸收具有非常小的影響。這種設(shè)計(jì)更有針對性地提高可見光和近紅外區(qū)域的整體性能，并且節(jié)省了成本。

以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。