Estudio comparativo de electrodos metálicos nanoestructurados con nanohuecos y nanopilares para celdas solares orgánicas mejoradas

Resumen

Los electrodos metálicos nanoestructurados (PME) son una estrategia probada para aumentar la captación de luz en celdas solares orgánicas de película fina (OSC). Dos geometrías PME dominantes —arreglos de nanohuecos y nanopilares— han sido probadas experimentalmente, pero sus méritos relativos permanecen inciertos. En este trabajo, realizamos una comparación teórica exhaustiva de estas dos arquitecturas en una capa activa PSBTBT:PC₇₁BM. Optimizando la altura, período y ratio de llenado de cada PME, hallamos que ambos diseños producen una eficiencia de absorción integrada idéntica del 82,4 % en el rango 350-850 nm —una mejora del 9,9 % sobre referencia planar. A pesar del rendimiento espectral similar, los mecanismos de captura de luz subyacentes difieren: los PME de nanohuecos dependen de resonancias plasmonicas localizadas (LPR) tipo dipolo y plasmones de superficie polaritones (SPP) localizados en crestas, mientras que los PME de nanopilares activan modos análogos en cimas de pilares mientras también excitan SPP adicionales en la base. La configuración de nanopilares ofrece ratio de llenado moderado (≈30 %) y ventana de fabricación más tolerante, haciéndola opción práctica para OSC de alta eficiencia.

Introducción

Las nanoestructuras metálicas sub-longitud de onda pueden alterar drásticamente la respuesta óptica de OSC, permitiendo modos híbridos plasmonico-fotónicos que mejoran absorción en capas activas ultrafinas. Existen dos familias principales de PME:

• PME de nanohuecos —huecos aislados en película metálica continua; el metal circundante puede depositarse tras imprimir la capa activa, produciendo contactos nanopilares en la superficie orgánica.
• PME de nanopilares —pilares metálicos aislados sobre película continua, logrados imprimiendo la capa activa con pilares y luego evaporando metal para cubrirlos.

Ambos enfoques mejoran propiedades ópticas, eléctricas y morfológicas, pero su rendimiento comparativo y parámetros de diseño óptimos no se han explorado sistemáticamente. Este estudio llena ese vacío.

Métodos

La pila OSC considerada es ITO / PEDOT:PSS / PSBTBT:PC₇₁BM / Ag. La capa activa (85 nm) usa PSBTBT:PC₇₁BM por su absorción amplia (350-900 nm). Se construyeron dos modelos de dispositivo:

• Dispositivo A —PME nanohueco (período = p_A, ancho = D_A, altura = h_A).
• Dispositivo B —PME nanopilar (período = p_B, ancho = D_B, altura = h_B).

Simulaciones de Diferencias Finitas en Dominio Temporal (FDTD) se realizaron con fronteras periódicas en x e y, capas perfectamente acopladas en tope y base, e iluminación TM/TE desde lado ITO. Constantes ópticas de materiales se tomaron de literatura. La eficiencia de absorción (η) y eficiencia de absorción integrada (η_I) sobre 350-850 nm (ponderada AM1.5G) se extrajeron para cada geometría.

Resultados y Discusión

Geometrías óptimas

• Dispositivo A (nanohueco) —h_A = 45 nm, f_A = 0,10 (D_A = 35 nm, p = 350 nm).
• Dispositivo B (nanopilar) —h_B = 65 nm, f_B = 0,30 (D_B = 105 nm, p = 350 nm).

Ambas configuraciones alcanzan η_I = 82,4 % (≈ 9,9 % mayor que control planar, 75,0 %). El ratio de llenado moderado del Dispositivo B ofrece mayor tolerancia de diseño y nanoimpresión más fácil comparado a la estructura somera y densamente empaquetada del Dispositivo A.

Análisis espectral

• Dispositivo B supera consistentemente la referencia planar en todo el espectro.
• Dispositivo A muestra caída alrededor de 650 nm pero compensa con absorción más fuerte bajo 550 nm, resultando en η_I idéntica.
• Ambos dispositivos exhiben cinco picos mayores de mejora (λ_1-5) donde el cambio relativo de absorción Δη alcanza 219-222 % en borde de banda (~830 nm).

Insights de distribución de campo

• En λ₁ y λ₂, LPR tipo dipolo coexisten con SPP atrapados en tope de protrusiones metálicas, hibridando para concentrar luz dentro de la capa activa.
• Picos de onda corta (λ < 600 nm) surgen de múltiples modos SPP excitados en base de PME, produciendo bulto de mejora ancho con varios picos subsidiarios.
• Variación del período muestra que 350 nm acopla óptimamente resonancias localizadas con modos de superficie curvados, maximizando η_I mientras mantiene rendimiento insensible al ángulo para polarizaciones TM y TE.

Conclusiones

Esta comparación sistemática demuestra que tanto electrodos metálicos nanoestructurados con nanohuecos como nanopilares pueden aumentar absorción OSC en casi 10 % mientras preservan transporte de portadores. La eficiencia de absorción integrada del 82,4 % se logra con mismo espesor de capa activa que control planar, indicando penalización material mínima. Se recomienda Dispositivo B (nanopilar) para implementación práctica por su fabricación más fácil y tolerancia de diseño robusta. El estudio destaca el papel crítico de resonancias híbridas plasmonico-fotónicas en captura de luz y provee guías de diseño para OSC de alta eficiencia de próxima generación.