[发明专利]一种等离激元结构衬底及其制备和应用

说明书

本发明公开了一种等离激元结构衬底及其制备和应用。所述等离激元结构衬底包括基底、反射层、绝缘层、金属纳米结构阵列和正负电极，首次利用等离激元场增强原理制备钙钛矿器件增强衬底，通过物理方法使钙钛矿材料实现了在红外光波段的吸收限扩展和在整个吸收区间的增强吸收，避免了由化学掺杂钙钛矿层所带来的负面影响。

技术领域

本发明涉及用于钙钛矿基光电器件的衬底，具体一种用于钙钛矿光电探测器和钙钛矿太阳能电池的增强吸收限衬底，可以增强钙钛矿材料整体的吸收效率以及拓展其在近红外范围的吸收区域。

背景技术

钙钛矿(perovskite)材料是指具有与CaTiO₃相同晶体结构的一类有机-无机杂化材料，属于半导体。其化学通式为AMX₃，其中A一般为有机阳离子CH₃NH₃⁺及HN＝CH(NH₃)⁺等，M为二价金属离子Pb²⁺或Sn²⁺等，X为Cl、Br或I等卤素离子。近些年来，钙钛矿材料以其高电子迁移率，高载流子密度，宽波段吸收，稳定的结构和低成本温和条件制备等优异的性质在太阳能电池、光电探测器等领域具有广泛的研究价值。以CH₃NH₃PbI₃为例，由其作为吸收层的太阳能电池效率可达到22.1％。然而，大多数钙钛矿材料只有在可见光波段有广泛的吸收，在红外波段的吸收基本为零，要充分利用太阳光来提高其光电转化率就必须增强其在红外光波段的吸收。

表面等离激元起源于金属(或高掺杂半导体)纳米结构中类自由电子在外电磁场激发下，电子运动与电磁场互相激励产生的共谐振荡。表面等离激元携带有相应的准动量和能量。在金属薄膜和介质的界面处，表面等离激元可以沿着界面传播，传播的距离决定于材料本身由于电子共谐振荡而产生的欧姆损耗。这类表面等离激元被称为传导表面等离激元(SPP)。对于金属纳米结构，电子的共谐振荡受制于纳米结构几何形状所产生的边界条件，电子谐振在特定的波长处与激发其的电磁场产生共振，这样的共振称为局域表面等离激元共振(LSP)。这种共振的一个重要性质就是能够显著的增强金属纳米结构附近的局域电磁近场，能够在纳米尺度上对附近的电磁信号进行调制，利用这种等离激元共振局限在一个很小区域的电场增强效应，可以使得许多光学过程的效率得到显著的提高，具有很多潜在的应用。例如等离激元传感器、表面增强光谱、表面等离激元激光、表面等离激元光回路，等等。利用这种近场增强可以大幅提高光与物质相互作用效率，可以有效提高钙钛矿材料的光电转化效率。同时，由于金属纳米颗粒的尺寸都在纳米量级，因而可以实现纳米尺度的电光调制器件。

通过化学方法掺杂纳米金属颗粒到钙钛矿材料中来增强吸收是太阳能电池领域的一个研究热点，然后这种方法会直接改变材料的结构，从而影响整体器件的稳定性。因此，本发明着眼于通过物理方法，通过制备一种等离激元增强衬底，将钙钛矿材料旋涂在衬底上，通过衬底产生的局域场增强来拓展钙钛矿材料本身的吸收限，具有高效，稳定以及可重复利用等优点。

发明内容

本发明的目的在于设计并制备出一种应用于钙钛矿光电探测器和钙钛矿太阳能电池的新型多层等离激元结构衬底，使钙钛矿材料实现在红外光波段的吸收限扩展和在整个吸收区间的增强吸收。

本发明的技术方案如下：

一种等离激元结构衬底，包括基底、反射层、绝缘层、金属纳米结构阵列和正负电极，其中：反射层位于基底之上，绝缘层位于反射层上，金属纳米结构阵列和正负电极位于绝缘层上；正负电极分别位于金属纳米结构阵列区域的两侧，且与金属纳米结构阵列区域有一段间距。