一種利用銅納米顆粒增強薄膜光子吸收的方法與流程

本發明涉及一種增強薄膜光子吸收的方法，具體涉及金屬納米顆粒共振增強薄膜光子吸收的方法。

背景技術：

由于金屬納米顆粒尺度在納米范圍，因此具有突出的光學、電學和催化性能。近年來，其在薄膜太陽電池、光催化材料、發光材料、微電子、醫藥學以及生物學等領域的應用引起了廣泛關注。上述這些潛在領域的應用都是基于金屬納米顆粒集體自由電子共振的金屬局域表面等離子激元機制，因為利用這種特殊的性能可以在納米尺度上對光進行操縱，并且決定了金屬納米顆粒的近場和遠場特征。在光場的作用下，金屬納米顆粒中的自由電子由于受到核的庫倫吸引力會引起電子的集體振蕩，即形成金屬局域表面等離子激元共振，進而引起強烈的光學吸收和散射。

貴金屬銀、金納米顆粒是研究的最多的具有表面等離子激元共振的金屬納米顆粒。利用金或銀納米顆粒的表面等離子激元共振可以增強太陽能吸收的特點，在單晶硅PN或非晶硅P-I-N表面沉積金或銀的納米顆粒提高太陽能電池的短路電流和光電轉換效率；利用金或銀納米顆粒的表面等離子激元共振增強光催化的性能，在TiO₂，ZrO₂，ZnO，SnO₂，CeO₂，Fe₂O₃，KNbO₃等常見的具有催化性能的半導體納米材料中引入金或銀納米顆粒提高紫外和可見光波段的光催化性能；利用金或銀納米顆粒的表面等離子激元共振增強提高激發光的吸收效率或熒光發射的強度，在稀土摻雜ZnO：Re、YVO₄：Re、NaYF₄：Re等常見的發光納米材料中引入金或銀納米顆粒提高上轉換和下轉換的發光強度。另外，在這些應用中，光電轉換效率、光催化以及發光性能的提高程度都和金、銀等金屬納米顆粒的成分、尺寸、形狀以及顆粒所處的介電環境等有密切關系。

考慮到金、銀等貴金屬納米顆粒制作的成本因素，限制了金、銀等貴金屬納米在表面等離子激元共振應用中的發展。因此，急需尋找金、銀等貴金屬納米顆粒的替代品。由于銅納米材料具有良好的延展性、優異的導熱導電性，優異的表面等離子激元特性，而且抗電遷移能力強等性能。因此，為了降低金、銀等貴金屬納米顆粒的成本以及相應器件的成本，提出采用資源更豐富、成本更廉價且高導電性的銅納米顆粒代替金、銀等貴金屬納米顆粒。

技術實現要素：

鑒于前面所述背景技術，本發明的目的在于提供一種利用銅納米顆粒的表面等離子激元共振增強薄膜光子吸收的方法，其克服了金或銀等貴金屬成本昂貴的缺點。該方法適用于不同類型材料包覆的銅納米顆粒：高分子包覆的銅納米顆粒包括不同分子量的聚吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙烯酸鈉、聚丙烯酸等；無機物包覆的銅納米顆粒包括二氧化硅、碳、二氧化錫、氧化銅、銀等；表面活性劑包覆的銅納米顆粒包括十二烷基硫酸鈉、十六烷基三甲基溴化銨、油酸、油胺、辛基酚聚氧乙烯醚等。

本發明所采用的方法是將具有表面等離子激元共振性質的銅納米顆粒和功能性薄膜相結合，提高薄膜的光子吸收強度。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種利用銅納米顆粒的表面等離子激元共振增強薄膜光子吸收的方法。具體包括：

(1)、選擇不同尺寸的球形銅納米顆粒，銅納米顆粒的直徑為10nm-1um，優選10nm-700nm；銅納米顆粒可以為不同類型材料包覆的銅納米顆粒。

(2)、將步驟(1)中選擇好尺寸的球形銅納米顆粒用不同的方法涂覆在具有不同功能特性的薄膜表面或分散在薄膜內部。涂覆的方法包括旋涂法、刮刀法或浸漬法。不同功能的薄膜包括染料敏化太陽能電池或鈣鈦礦太陽能電池中的吸收層、半導體光催化薄膜、稀土納米顆粒、稀土配合物納米顆粒或染料雜化發光薄膜。

本發明提供的方法中，利用銅納米顆粒的表面等離子激元共振增強提高薄膜的光子吸收，通過調節銅納米顆粒的尺寸控制近場和遠場，即控制吸收和散射占比，通過這種方式提高薄膜的光子吸收。

本發明提供的方法中，利用銅納米顆粒的吸收增強提高薄膜的光子吸收，銅納米顆粒的直徑優選10nm-160nm。光子主要局限在銅納米顆粒的表面，即銅納米顆粒和介質環境的界面。

本發明提供的方法中，利用銅納米顆粒的散射增強提高薄膜的光子吸收，銅納米顆粒的直徑優選160nm-700nm。銅納米顆粒尺寸越大，遠場成分占比越大，光子受到銅納米顆粒的散射越強，增長了光子在薄膜中的運動長度，即提高了薄膜的光子吸收。

本發明的利用銅納米顆粒的表面等離子激元共振增強薄膜光子吸收的方法，只需將金或銀等貴金屬納米顆粒用銅納米顆粒替代，無需其他的步驟，與現有的太陽能工藝、光催化薄膜工藝以及發光薄膜工藝等有著良好的兼容性，克服了背景技術所存在的不足，具有如下效果：成本低、易實現。

附圖說明

圖1為聚吡咯烷酮包覆的不同尺寸的銅納米顆粒的掃描電鏡照片。

圖2利用銅納米顆粒的表面等離子激元共振增強提高薄膜的光子吸收的原型器件結構。(a)、吸收增強型；(b)散射增強型。

圖3是利用不同直徑的銅納米顆粒的吸收增強提高薄膜的光子吸收方案中銅納米顆粒的散射、吸收、消光光譜。(a)、10nm；(b)、20nm；(c)、40nm；(d)、80nm。

圖4是利用不同直徑的銅納米顆粒的散射增強提高薄膜的光子吸收方案中銅納米顆粒的散射、吸收、消光光譜。(a)、120nm；(b)、160nm；(c)、320nm；(d)、640nm。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。

圖1為合成的聚吡咯烷酮包覆的不同尺寸的銅納米顆粒的掃描電鏡照片。對于不同的尺寸有不同的處理方法。

實施例1：利用銅納米顆粒的吸收增強提高薄膜的光子吸收的方法，包括：

步驟1，選擇涂覆功能性薄膜的基板；本實施例中，該基板可以為ITO玻璃、FTO玻璃、載波片。

步驟2，將銅納米顆粒和組成薄膜的材料均勻混合；本實施例中，銅納米顆粒的尺寸位于10nm-80nm。

步驟3，將步驟2得到的材料涂覆在基板表面。

其原型器件的結構如圖2(a)所示。本實施例之中，該步驟2中混合的方法例如由高分子有機溶液和銅納米顆粒超聲混合方法，或者硅烷偶聯劑和銅納米顆粒水解混合方法，但并不以此為限，根據需要可采用其他方法。

步驟3中的涂覆的方法例如由旋涂法，浸漬法或者刮刀法，但并不以此為限，根據需要可采用其他方法。

實施例1中的利用銅納米顆粒的吸收增強提高薄膜的光子吸收的方法中，直徑分別為10nm、20nm、40nm、80nm的銅納米顆粒的吸收、散射、消光光譜圖如圖3所示。從圖3中的光譜圖結果可以看出銅納米顆粒的散射相比吸收來講要弱很多，主要是銅納米顆粒的共振吸收。所以為了利用銅納米顆粒的吸收增強提高薄膜中光子的吸收，采用實例1中的原型器件結構。

實施例2：利用銅納米顆粒的散射增強提高薄膜的光子吸收的方法，包括：

步驟1，選擇涂覆功能性薄膜的基板；本實施例中，該基板可以為ITO玻璃、FTO玻璃、載波片。

步驟2，將銅納米顆粒涂覆在功能薄膜的表面或者功能性薄膜和基板的界面之中。

其原型器件的結構如圖2(b)所示。本實施例之中，該步驟2中涂覆的方法例如由旋涂法，浸漬法或者刮刀法，但并不以此為限，根據需要可采用其他方法。涂覆溶液的配置例如由銅納米顆粒的乙醇等有機溶劑分散液產生。

步驟2中銅納米顆粒層的位置處于涂覆在功能性薄膜和基板的界面，然后在銅納米顆粒薄膜表面通過不同的方法形成薄膜；銅納米顆粒層的位置處于薄膜的表面，則在基板表面先通過不同的方法形成薄膜，然后在薄膜的表面涂覆銅納米顆粒。

實施例2中，對光源的照射方向有一定的要求，見圖2(b)所示。

實施例2中的利用銅納米顆粒的散射增強提高薄膜的光子吸收的方法中，直徑分別為120nm、160nm、320nm、640nm的銅納米顆粒的吸收、散射、消光光譜圖如圖4所示。從圖4中的光譜圖結果可以看出銅納米顆粒的直徑增加到120nm，散射的貢獻和吸收的貢獻可以相比擬，銅納米顆粒直徑在160nm以后，散射相比吸收來講要強很多，主要是銅納米顆粒的共振散射。所以為了利用銅納米顆粒的散射增強來提高薄膜中光子的吸收，采用實例2中的原型器件結構。

以上所述，僅為本發明的實施例而已，依據本發明專利范圍及說明書內容所做的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋的范圍內。