一种提高量子效率的光转换薄膜制造技术

本发明专利技术涉及一种提高量子效率的光转换薄膜，包括衬底，在衬底的其中一个表面设置有表面等离子体激元层和光转换层。为了在入射光强不太高的情况下提高光转换材料的量子效率，本发明专利技术在衬底的其中一个表面设置表面等离子体激元层和光转换层；利用表面等离子体激元的近场耦合效应，将入射光局限于光转换层的表面，同时借助其近场增强的作用，提高入射到光转换层表面的光的强度。利用斯托克斯效应，将光谱中高能量光子转换成更多的低能量光子，经表面等离子体激元层及光转换层后，总光子数得到增加，量子效率得到提升，入射光得到更有效利用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学材料领域，具体涉及一种提高量子效率的光转换薄膜。
技术介绍
光转换材料的量子效率与入射光强有密切关系，光强越强，光转换材料的量子效率越高，而光强越低，量子效率就越低。在很多应用领域，如日光灯、小功率发光二极管和光谱转换太阳能电池等，入射光的光强不太高，导致光转换材料的量子效率较低，经转换后发出的光子数较少，造成能量的损失。现有技术中采用如下结构的光转换薄膜来减少光转换材料的能量损失(I)在衬底的表面设置表面等离子体激元层，由于表面等离子体激元能够利用近场耦合效应，将入射光局限于衬底表面，并起到近场增强的作用，但其仅能对某一窄波带的光谱进行光场增强，这不利于将光场增强扩展到整个光谱，造成能量损失。(2)在衬底的表面设置光转换层,而光转换层能够将某一波段的光转换为另一波段，但转换过程中伴随有能量的损失，不利于对光谱的充分利用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够提高量子效率、增加输出的总光子数、提高材料光转换效率的光转换薄膜。本专利技术的具体技术方案如下—种提高量子效率 的光转换薄膜，包括衬底，在衬底的其中一个表面设置有表面等离子体激元层和光转换层。所述表面等离子体激元层的材质选用金属材料即可，优选的选自金、银、铝、铜、铬、锂等金属材料中的一种。所述光转换层的材质只要是掺有稀土离子的物质，比如掺有一种或者多种稀土离子的氧化物，硫化物，氟化物，硅酸盐等均可，优选的选自钇铝石榴石、硼酸铝钆、氟化钆锂、氟化钇、氟化钇纳、氟化钡、硼酸铝钆镱、硼酸钆、二氧化钛、硫化锌、氟化锌、氯化锌、硅酸盐中的一种。所述光转换层设在衬底和表面等离子体激元层之间。所述表面等离子体激元层和光转换层均为膜，膜厚度为lnm-lmm ;采用此种结构后，能够进一步提闻量子效率。所述光转换层为膜，膜厚度为lnm-lmm ;所述表面等离子体激元层由间隔排列的球体单元组成，球体直径为Ι-lOOnm，球间距为O-1um ;采用此种结构后，能够进一步提高量子效率。所述光转换层由间隔排列的柱体单元组成，柱间距为Ι-lOOOnm，柱体高度为lnm-lmm,柱直径为lnm-lum ;所述表面等离子体激元层由球体单元组成,球体单元设置在柱体单元的顶部，球体直径为1-1OOnm ;采用此种结构后，能够进一步提高量子效率。所述光转换层由间隔排列的柱体单元组成，柱间距为Ι-lOOOnm，柱体高度为lnm-lmm ;所述表面等离子体激元层由球体单元组成，球体直径为Ι-lOOnm,球间距为Ο-lum，球体单元或嵌入柱体单元之间的部分间隙内，或嵌入柱体单元之间的全部间隙内；采用此种结构后，能够进一步提高量子效率。所述柱体单元为斜柱，球体单元还设置在斜柱的顶部。所述光转换层由间隔排列的椎体单元组成，锥间距为Ο-lum，椎体高度为lnm-lmm,锥底直径为lnm-lmm,锥角为0° -179° ;所述表面等离子体激元层由球体单元组成，球体直径为Ι-lOOnm，球间距为0_lum，球体单元设置在椎体单元的锥面上；采用此种结构后，能够进一步提闻量子效率。为了在入射光强不太高的情况下提高光转换材料的量子效率，本专利技术在衬底的其中一个表面设置表面等离子体激元层和光转换层；利用表面等离子体激元的近场耦合效应，将入射光局限于光转换层的表面，同时借助其近场增强的作用，提高入射到光转换层表面的光的强度。利用斯托克斯效应，将光谱中高能量光子转换成更多的低能量光子，经表面等离子体激元层及光转换层后，总光子数得到增加，量子效率得到提升，入射光得到更有效利用。本专利技术提供的光转换薄膜应用广泛，既可以用于硅太阳能电池、薄膜太阳能电池等多种太阳能电池表面，提高电池量子效率，改善电池的光电转换效率；又可用于LED等光器件，提高器件的光强同时，改善光转换的量子效率；与此同时，还可用于农用薄膜等材料上，提高光照强度同时，改变照射于农作物表面光波，更有利于植物的光合作用效率。附图说明图1为本专利技术实施例1的结构示意 图2为本专利技术实施例2的结构示意图；图3为本专利技术实施例3的结构示意图；图4为图3的俯视图；图5为本专利技术实施例4的结构示意图；图6为图5的俯视图；图7为本专利技术实施例5的结构示意图；图8为图7的俯视图；图9为本专利技术实施例6的结构示意图；图10为图9的俯视图。其中1为表面等离子体激元层，2为光转换层，3为衬底。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明。本专利技术采用现有的电子束蒸发镀膜、真空蒸发镀膜、磁控溅射镀膜或化学气相沉积的方法在衬底3的其中一个表面设置表面等离子体激元层I及光转换层2，利用表面等离子体激元的近场耦合效应，将入射光局限于光转换材料的表面，同时借助其近场增强的作用，提高入射到光转换材料表面的光的强度。利用斯托克斯效应，将光谱中高能量光子转换成更多的低能量光子，经表面等离子体激元层及光转换层后，总光子数得到增加，量子效率得到提升，入射光得到更有效利用。实施例1光转换薄膜的具体制备工艺如下1.采用电子束蒸发镀膜法，将材料钇铝石榴石制备于衬底的其中一个表面，形成光转换膜，其形貌为均匀平面，厚度为150nm;2.采用真空蒸发镀膜法，将材料金制备于光转换膜表面，形成表面等离子体激元膜，形貌为均匀平面，厚度为10nm。由该方法制备得到的光转换薄膜的具体结构参见图1 ;其中光转换膜和表面等离子体激元膜的厚度可以在lnm-lmm之间。将钇铝石榴石光转换材料和本实施例制备得到的光转换薄膜分别放在IPCE/QE测试系统中进行测试，其中钇铝石榴石光转换材料的量子效率为52. 37%，光转换薄膜的量子效率为61. 9%，量子效率增幅为18. 2%。实施例2光转换薄膜的具体制备工艺如下1.采用电子束蒸发镀膜法，将材料硼酸铝钆制备于衬底的其中一个表面，形成光转换膜，其形貌为均匀平面，厚度为200nm ；2.采用真空蒸发镀膜法，将材料铬制备于光转换膜表面，形貌为间隔排列的球体单元，球体直径在8nm，球 间距为lum。该方法制备得到的光转换薄膜的具体结构参见图2 ;其中光转换膜的厚度可以在lnm-lmm之间；球体直径可以在1-1OOnm之间，球间距可以在O-1um之间。将硼酸铝钆光转换材料和本实施例制备得到的光转换薄膜分别放在IPCE/QE测试系统中进行测试，其中硼酸铝钆光转换材料的量子效率为52. 36%，光转换薄膜的量子效率为65. 78%，量子效率增幅为25. 63%。实施例3光转换薄膜的具体制备工艺如下1.采用真空蒸发镀膜法，将材料氟化钆锂制备于衬底的其中一个表面，形貌为间隔排列的直柱体，直柱体的高度为120nm，柱间距为50nm ；2.采用真空蒸发镀膜法，将材料铝制备于直柱体的顶部，形貌为球体，球体直径为20nmo该方法制备得到的光转换薄膜的具体结构参见图3和图4 ;其中直柱体的高度范围在lnm-lmm之间，柱间距在1-1OOOnm之间；球体直径可以在1-1OOnm之间。将氟化钆锂光转换材料和本实施例制备得到的光转换薄膜分别放在IPCE/QE测试系统中进行测试，其中氟化钆锂光转换材料的量子效率为52. 37%，光转换薄膜的量子效率为70. 15%，量子效率增幅为33. 95%。实施例4光转换薄膜的具体制备工艺如下1.采用磁控溅射镀膜法，将材料氟化钇制备于衬底的其中一个表面，形貌为间隔排本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高量子效率的光转换薄膜，包括衬底，其特征在于在衬底的其中一个表面设置有表面等离子体激元层和光转换层。

【技术特征摘要】
1.一种提高量子效率的光转换薄膜，包括衬底，其特征在于在衬底的其中一个表面设置有表面等离子体激元层和光转换层。2.根据权利要求1所述的光转换薄膜，其特征在于所述表面等离子体激元层的材质选自金、银、招、铜、铬、锂中的一种。3.根据权利要求1所述的光转换薄膜，其特征在于所述光转换层的材质选自钇铝石榴石、硼酸铝钆、氟化钆锂、氟化钇、氟化钇纳、氟化钡、硼酸铝钆镱、硼酸钆、二氧化钛、硫化锌、氟化锌、氯化锌、硅酸盐中的一种。4.根据权利要求1至3任一项所述的光转换薄膜,其特征在于光转换层设在衬底和表面等离子体激元层之间。5.根据权利要求4所述的光转换薄膜，其特征在于所述表面等离子体激元层和光转换层均为膜，膜厚度为lnm-lmm。6.根据权利要求4所述的光转换薄膜，其特征在于所述光转换层为膜，膜厚度为Inm-1mm ;所述表面等离子体激元层由间隔排列的球体单元组成,球体直径为1-1OOnm,球间距为0_lum。7.根据权利要求4所述的光转换薄膜，其特征在于所述光转换层由间...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵国键，娄朝刚，肖东，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：