Comparación de electrodos metálicos estampados tipo nanoagujero y tipo nanopilar incorporados en células solares orgánicas

Antecedentes

La manipulación de la luz por nanoestructuras metálicas de sublongitud de onda [1] es una forma eficaz de recolectar energía solar en células solares orgánicas (OSC) con capas activas delgadas [2, 3, 4, 5]. Además de dopar nanopartículas metálicas sintetizadas químicamente en OSC [3, 5], también es muy popular modelar directamente el electrodo metálico con algunos patrones de sublongitud de onda, es decir, para formar un electrodo metálico modelado (PME) [6]. Se ha informado que las PME no solo pueden mejorar la absorción óptica en capas activas basándose en la excitación de la hibridación de los modos plasmónico y fotónico [7,8,9,10], sino que también pueden producir efectos eléctricos y morfológicos positivos [11, 12,13,14,15], lo que resulta en un rendimiento general significativamente mejorado de los dispositivos fotovoltaicos de película delgada.

Los PME con patrones dispuestos unidimensionalmente [8, 9, 14,15,16,17,18,19] (es decir, PME 2D) pueden fabricarse fácilmente basándose en la técnica de interferencia de dos haces [20]; sin embargo, la mejora de la absorción en las OSC es sensible a la polarización, ya que los modos plasmónicos no pueden excitarse en la incidencia polarizada eléctrica transversal (TE) [10]. Los PME con patrones dispuestos en dos dimensiones (2D) (es decir, PME 3D), que pueden aumentar la polarización de la eficiencia de captación de luz de manera insensible, se han investigado ampliamente en los últimos años [14, 21,22,23,24,25,26, 27,28,29,30,31]. La mayoría de los PME 3D que funcionan como contacto trasero son opacos. Si los PME funcionan como contacto frontal, debe ser semitransparente, realizado con películas delgadas onduladas [14, 21] o una película con orificios pasantes [22, 25]. Excepto algunos electrodos con geometrías complicadas, por ejemplo, el PME nanopilar-nanopozo integrado [31], los PME 3D opacos se clasifican en dos tipos. El primer tipo consiste en revestir la superficie del electrodo metálico con unos nanoagujeros aislados [26, 27], que se rellenan con materiales orgánicos en las OSC reales. En otras palabras, los materiales orgánicos que entran en contacto con la PME se encuentran en forma de nanopilares. Este tipo de PME se puede obtener fácilmente imprimiendo primero la capa activa con algunos nanopilares y luego evaporando térmicamente la película de contacto. Mediante la técnica de nanoimpresión, Li et al. han demostrado que un PME 3D de tipo nanoagujero puede incrementar la eficiencia de conversión de energía (PCE) en un 24,6% con respecto al electrodo plano, muy superior al PME 2D [26]. El tipo de nanoagujero de PME también se puede fabricar a partir de una plantilla de nanoesferas de poliestireno (PS) basada en una técnica de autoensamblaje coloidal [27]. El otro tipo de PME 3D opacos consiste en decorar unos nanopilares metálicos aislados sobre una película metálica continua [23, 24, 28,29,30], que es exactamente la estructura inversa de la nanoagujero. Teóricamente, Le predicó que existe un gran potencial de una rejilla metálica con una matriz 2D de nanopilares de Ag para mejorar la absorción en una fina capa activa [24]. También hemos analizado teóricamente la influencia del contacto posterior grabado en relieve con nanocilindros metálicos empaquetados en una matriz hexagonal sobre la absorción de un dispositivo OSC delgado [28]. Si los moldes de impresión se seleccionan correctamente, la capa activa se puede dejar con algunos nanoagujeros, entonces la siguiente evaporación haría que el contacto del metal sobresalga hacia la capa activa (es decir, formando los nanopilares metálicos) [29, 30]. Zhou y col. demostró que el PME nanopilar puede aumentar el PCE de OSC en un 9,33%, así como mejorar el rendimiento de los diodos emisores de luz orgánicos. También se observaron aplicaciones exitosas del tipo nanopilar de PME en células solares basadas en puntos cuánticos [30]. Se sabe que los nanoagujeros en una superficie metálica excitan resonancias plasmónicas distintas de las de los nanopilares metálicos cargados en una película metálica continua. Aunque ambos tipos de PME opacos se aplicaron con frecuencia en los OSC, no hay suficientes estudios que aborden sus méritos y deméritos desde un punto de vista de comparación. Por lo tanto, es de gran importancia explorar cómo estas dos estrategias de PME funcionan de manera diferente entre sí en las OSC y cuál funciona mejor para atrapar la luz en la capa activa en teoría.

En este trabajo, construimos modelos para simular los dos PME diferentes aplicados en un poli [(4,4′-bis (2-etilhexil) ditieno [3,2-b:2 ′, 3′-d] silole) -2 , Éster metílico del ácido 6-diil-alt- (2,1,3-benzotiadiazol) -4,7-diil] (PSBTBT) y [6,6] -fenil-C71-butírico (PC ₇₁ BM) basado en OSC. El dispositivo con nanoagujeros en el electrodo metálico se denomina Dispositivo A y el que tiene PME de tipo nanopilar metálico se denomina Dispositivo B. De acuerdo con nuestra optimización sistemática, se encuentra que ambos tipos de PME pueden producir una mejora de la absorción del 9,9% en el capa activa con respecto al electrodo plano, debido a la excitación de la hibridación de los modos plasmónico y fotónico. Sin embargo, los parámetros geométricos óptimos de ellos son completamente diferentes y sus mecanismos de mejora de la absorción también son distintos entre sí. Nuestro trabajo proporciona una guía útil para la aplicación práctica de PME y también contribuye al desarrollo de OSC de alta eficiencia.

Métodos

En la figura 1 se muestran las configuraciones de OSC con diferentes perfiles PME (Dispositivo A y Dispositivo B) y el control con electrodo metálico plano. Los diagramas 3D PME también se incluyen debajo de los dispositivos correspondientes para mayor claridad. Para simplificar, consideramos los nanoagujeros / nanopilares aislados dispuestos en celosía cuadrada. Se define que, en la vista en sección transversal, los PME tienen una región metálica sobresaliente con un ancho de D _A (o D _B ) y una altura h _A (o h _B ) en el Dispositivo A (o Dispositivo B). p _A (o p _B ) es la periodicidad del patrón en matriz en el Dispositivo A (o Dispositivo B) y la proporción de llenado f _A ( f _B ) del metal que sobresale en los planos de sección transversal se define como D _A / p _A (o D _B / p _B ). La arquitectura de los OSC investigados es ITO / PEDOT:PSS / PSBTBT:PC ₇₁ BM / Ag. La capa superior de ITO como ánodo conductor transparente tiene un espesor de 100 nm. El plano adyacente PEDOT:PSS, como capa de transporte de huecos, tiene un espesor de 20 nm. La capa activa está hecha de PSBTBT:PC ₇₁ BM en lugar de P3HT:PCBM o PTB7:PCBM porque puede absorber más energía solar debido a su amplio rango de longitud de onda de absorción (de 350 a 900 nm). Además, los resultados calculados con PSBTBT:PC ₇₁ BM como mezcla activa puede mostrar claramente el potencial de mejora de la absorción inducida por PME en un rango de longitud de onda larga cuando otras mezclas activas soportan el límite de absorción. La capa activa tiene un grosor de t , y su superficie inferior sigue el patrón de la PME. Durante la optimización de PME, t se fija a 85 nm, el dispositivo de control plano del mismo espesor de capa activa produce el primer pico de absorción debido a la resonancia de la cavidad de Fabry-Pérot (FP). El cátodo está hecho de Ag porque puede excitar modos plasmónicos más fuertes en comparación con el aluminio y el cobre. Además, al usar Ag PME, el rango de longitud de onda de los modos plasmónicos excitados es más amplio que el que usa PME hechos de oro. Una capa delgada de extracción de electrones que generalmente se ubica entre la capa activa y la película del cátodo se descuida en la simulación óptica.

Diagramas 2D de los OSC con PME tipo nanoagujero ( a ) y PME de tipo nanopilar ( b ) así como el control ( c ). En la sección transversal, ambos PME tienen una región metálica sobresaliente con un ancho de D , altura de h y periodicidad de p . Los subíndices de A y B representan dispositivos con PME de tipo nanoagujero y de tipo nanopilar, respectivamente. El diagrama 3D del PME de tipo nanoagujero / nanopilar se muestra debajo del dispositivo correspondiente

Los OSC propuestos se investigan teóricamente mediante el método de dominio de tiempo de diferencia finita (FDTD), que se ha verificado repitiendo el trabajo en [32]. Todas las simulaciones se llevan a cabo con condiciones de contorno periódicas aplicadas a lo largo de la x -eje y y -eje y límites de capa perfectamente emparejados (PML) aplicados a las superficies superior e inferior. La luz se ilumina desde el lado superior de ITO en la polarización TM (o TE), que tiene el componente eléctrico a lo largo de la x -eje (o y -eje). Los índices de refracción dependientes de la longitud de onda ( n ) de PSBTBT:PC ₇₁ BM se obtienen de [33]. Y otros índices de refracción de los materiales utilizados en este trabajo se extraen de [18] y [19]. La eficiencia de absorción de la capa activa ( η ) y eficiencia de absorción integrada ( η _Yo ) (sobre el rango de longitud de onda entre 350 y 850 nm ponderado por el espectro AM1.5G).

Resultados y discusión

La Figura 2a, b muestra los mapas de η _Yo con altura de rejilla y proporción de llenado variadas en condiciones normales para el dispositivo A y el dispositivo B, respectivamente. Aquí, las periodicidades de los patrones de PME se fijan en 350 nm, que es un valor optimizado como se muestra en la Fig. 5c, d. Se observa que el rendimiento de cualquiera de los dispositivos depende tanto de h y f . Para el Dispositivo A, se prefiere una cresta metálica poco profunda con una pequeña proporción de llenado, mientras que para el Dispositivo B, una cresta metálica alta con una proporción de llenado moderada produce el rendimiento optimizado. En detalle, el η optimizado _Yo se logra a las h _A =45 nm y f _A =0.1 para el Dispositivo A (es decir, el punto A, como se indica en la Fig. 2a) y h _B =65 nm y f _B =0.3 para el dispositivo B (es decir, el punto B, como se indica en la figura 2b). Es interesante encontrar que el η optimizado _Yo para los dos dispositivos diferentes son iguales (ambos iguales al 82,4%), mejorados en un 9,9% con respecto a la del control (75,0%), aunque se utiliza menos material activo en el Dispositivo A (o Dispositivo B). Se observa que la proporción de llenado relativamente baja del Dispositivo A optimizado, correspondiente a una cresta de rejilla con un ancho de 35 nm, da como resultado grandes dificultades de fabricación, mientras que el Dispositivo B optimizado con una proporción de llenado de 0.3 (es decir, D _B =105 nm) se pueden procesar fácilmente mediante las técnicas de nanoimpresión [17, 29]. En la Fig. 2a, b, la línea de contorno de la eficiencia integrada igual a la del control plano (75,0%) también se indica mediante la curva discontinua para comparación. Debajo de la curva punteada, η _Yo es mayor que la del control y viceversa. Aquí, se ve que la región con mejoras η _Yo en la Fig. 2b es bastante más grande que en la Fig. 2a, lo que refleja que el Dispositivo B es menos sensible a los parámetros geométricos que el Dispositivo A, que es otro mérito del PME de tipo nanopilar.

Mapas de la eficiencia de absorción integrada en la capa activa ( η _Yo ) versus el relleno y la altura de los patrones dispuestos en el Dispositivo A ( a ) y el dispositivo B ( b ) cuando p _A (o p _B ) =350 nm. En el punto A denotado (con f _A =0.1 y h _A =45 nm) y el punto B (con f _B =0.3 y h _B =65 nm), el dispositivo A y el dispositivo B, respectivamente, producen el η óptimo _Yo . La curva punteada representa la línea de contorno de la eficiencia de absorción integrada igual a la del control plano

También se observa que la rejilla en el Dispositivo A optimizado es un poco menos profunda que en el Dispositivo B optimizado. Es bien sabido que con el aumento de la altura de la rejilla, los modos plasmónicos podrían volverse más fuertes. Sin embargo, también adelanta la disminución del volumen del material activo. La combinación de estos dos factores da como resultado una altura de rejilla óptima cuando el η _Yo se maximiza. Sin embargo, debido a que el área de la sección transversal del metal sobresale en el xy El plano para el Dispositivo A optimizado es aproximadamente cuatro veces mayor que el del Dispositivo B optimizado, aumentar la altura de la rejilla en la misma medida podría causar una reducción mucho mayor en el volumen del material activo en el Dispositivo A que en el Dispositivo B. Esto podría Esta es la razón por la que la altura óptima para el Dispositivo A es menor que la del Dispositivo B. Nuestro cálculo también muestra que cuando la altura de la rejilla del Dispositivo A optimizado aumenta a 65 nm, la absorción en el rango de longitud de onda corta (<600 nm) decae obviamente (no se muestra) debido a la aparente reducción en el volumen del material activo, mientras que, para el Dispositivo B, la disminución de h _B de 65 a 45 nm produce una degradación insignificante en la absorción en el rango de longitud de onda investigado porque el cambio del volumen del material activo es muy pequeño.

La Figura 3a, b muestra los espectros de absorción del Dispositivo A y el Dispositivo B óptimos, respectivamente. A modo de comparación, el espectro de absorción del dispositivo de control también se representa mediante la línea de puntos. Se ve en la Fig. 3b que la eficiencia de absorción ( η ) del Dispositivo B es mayor que el del control sobre todo el rango de longitud de onda. Pero para el Dispositivo A, como se muestra en la Fig. 3a, hay una disminución en la absorción en el rango de longitud de onda alrededor de 650 nm; la razón de que la eficiencia de absorción integrada sea tan alta como la del Dispositivo B se debe a la absorción relativamente mayor en el rango de longitud de onda menor de 550 nm. Para dilucidar los orígenes físicos de la mejora de la absorción observada, calculamos el cambio de absorción relativo para los dos dispositivos optimizados sobre el del dispositivo de control (∆ η ) ( η / η _control - 1) en el rango de longitud de onda investigado como se muestra en la Fig. 3c, d. Nuevamente, los espectros del factor de mejora de la absorción para los dos dispositivos optimizados muestran similitudes entre sí.

un Espectros de absorción en la capa activa (sólida) para el dispositivo A ( a ) y el dispositivo B ( b ) con respecto a la del control plano (discontinua). Espectros de cambio de absorción relativa para el dispositivo A ( c ) y el dispositivo B ( d ). Cinco picos de mejora están etiquetados en c con λ _1A =830 nm, λ _2A =724 nm, λ _3A =470 nm, λ _4A =440 nm y λ _5A =416 nm, y los otros cinco están etiquetados en d con λ _1B =832 nm, λ _2B =720 nm, λ _3B =510 nm, λ _4B =498 nm y λ _5B =468 nm. El dispositivo A y el dispositivo B son los dispositivos que producen el η óptimo _Yo en la figura 2

En el borde de la banda de absorción del material activo, hay un pico de mejora aparente con ∆ η mucho mayor que 1 [es decir, λ _1A =832 nm (o λ _1B =830 nm) con ∆ η =222% (o 219%) como se indica en la etiqueta]. Cuando la longitud de onda se acorta, hay otro pico de mejora menor [es decir, λ _2A =720 nm (o λ _2B =724 nm) con ∆ η =4% (o 10%) como se indica en la etiqueta]. La Figura 4a, b muestra los mapas de distribuciones eléctricas y magnéticas (bajo polarización TM) en diferentes secciones transversales en λ _1A y λ _2A , respectivamente. De los mapas de | E | en z = h _A (subparcelas de i en la Fig. 4a, b), se ve aparentemente que las resonancias de plasmón localizado (LPR) de tipo dipolo se excitan a lo largo de y -eje en λ _1A y a lo largo de la x -eje en λ _2A , respectivamente. Aunque la polarización incidente está a lo largo de la x -eje, somos testigos de que el LPR tipo dipolo en λ _1A está polarizado a lo largo de la y -eje porque tal estructura 3D puede dispersar el campo eléctrico hacia el y -eje. De los mapas de | H | en y = p _A / 2 (subparcelas de iii en la Fig. 4a, b), vemos que los polaritones de plasmón de superficie de propagación (SPP) se excitan en la interfaz metal / dieléctrico en el plano de z = h _A , quedando atrapado en la parte superior de la cresta metálica sobresaliente debido a la reflexión desde el límite de los nanoagujeros. Sin embargo, los modos atrapados de | H | las resonancias en estos dos picos son de diferentes órdenes. Se ve que en λ _1A , el | H | campo en z = h _A (subparcela de ii en la Fig. 4a) tiene dos nodos (con la amplitud mínima) a lo largo de la x -eje y un nodo a lo largo de la y -eje, mientras que en λ _2A , solo hay un nodo a lo largo de la x- y y -ejes (subparcela de ii en la Fig. 4b). Influenciado por la propagación de SPP, | E | en λ _1A muestra una división alrededor del borde del nanoagujero en x =0, que está distorsionado del perfil estándar tipo dipolo. Se indica en λ _2A , | E | dentro del nanoagujero es bastante fuerte porque la excitación de los SPP propagados en la interfaz metal / dieléctrico en el plano de z =0 (es decir, el fondo del nanoagujero) presenta un patrón de interferencia constructiva de | E | en la capa activa (no se muestra). Para el Dispositivo B, los mapas de distribuciones eléctricas y magnéticas bajo polarización TM en diferentes secciones transversales en λ _1B y λ _2B también se muestran en la Fig. 4c, d, respectivamente. Se ve desde el | E | mapas en z = h _B que (subparcelas de i en la Fig. 4c, d), ya sea para λ _1B o λ _2B , el LPR tipo dipolo se excita a lo largo de la x -eje, pero hay un punto brillante adicional centrado en ( x =0, años =± p _B / 2) que tiene lugar en λ _2B . La razón de la generación de este punto brillante adicional de | E | en λ _2B es similar a la del fuerte | E | dentro del nanoagujero en λ _2A . Aquí, los SPP que se propagan excitados en la parte inferior del nanopilar (en el plano de z =0) se puede presenciar en el | H | mapa en y = p _B / 2 (subparcelas de iii en la Fig. 4c, d), lo que da como resultado un nodo de interferencia de | H | con amplitud mínima (es decir, una región de interferencia constructiva de | E |) a cierta distancia del fondo del nanoagujero. El patrón de interferencia constructiva de | E | se muestra como un punto brillante cuando se observa en los planos de z = h _B y de z =± p _B / 2 (no se muestra) en el pico de λ _2B . De manera diferente, en λ _1B , los SPP que se propagan están fuertemente atrapados en el plano de z =0 con dos nodos formados a lo largo de la x -axis (como se muestra en el | H | mapa en y = p _B / 2 en la Fig. 4c), que está fuertemente acoplado con los SPP que se propagan excitados en la superficie superior del nanopilar metálico (como se muestra en el | H | mapa en z = h _B ) (subparcelas de ii en la Fig. 4c, d). Aunque los SPP que se propagan también se excitan en la superficie superior del nanopilar metálico en λ _2B , su amplitud es mucho menor con respecto a la de λ _1B en el plano de z =0. En resumen, en los dos picos investigados anteriormente para el Dispositivo A y dos picos para el Dispositivo B, la hibridación entre los LPR tipo dipolo y los SPP que se propagan es responsable de la captura de luz en los dispositivos OSC.

Mapas de campo bajo polarización TM en diferentes secciones transversales en los picos de λ _1A ( a ), λ _2A ( b ), λ _1B ( c ) y λ _2B ( d ). Primera fila | E | en z = h _A o h _B , fila del medio | H | en z = h _A o h _B y la fila inferior | H | en y = p _A / 2 o p _B / 2. Los picos son como se indica en la Fig. 3

A partir de los espectros de mejora, como se muestra en la Fig. 3c, d, se ve que, en el rango de longitud de onda menor de 600 nm, hay una amplia protuberancia de mejora con múltiples picos que tienen lugar. Si la periodicidad del patrón de PME disminuye, los picos múltiples desaparecen, mientras que solo permanece la protuberancia amplia de mejora. Por lo tanto, antes de observar las distribuciones de campo en los picos de absorción en el rango de longitud de onda corta, las influencias de la periodicidad del patrón PME ( p _A o p _B ) sobre el rendimiento de absorción se llevan a cabo, con la altura de la rejilla y la relación de llenado del PME para el Dispositivo A (o Dispositivo B) son las mismas que las del diseño óptimo correspondiente. La Figura 5a, b muestra los espectros de absorción con periodicidades ajustadas para el Dispositivo A y el Dispositivo B, respectivamente. Se encuentra que, para cada dispositivo, se producen múltiples bandas de absorción rectas que son insensibles al impulso de la rejilla debido a modos resonantes localizados (por ejemplo, la hibridación entre LPR tipo dipolo y SPP de propagación como se presenta en este documento). Ese es exactamente el origen del pico de mejora amplio observado en longitudes de onda inferiores a 600 nm. Al mismo tiempo, también hay algunas bandas de absorción dobladas que son sensibles al momento de rejilla formado especialmente cuando la periodicidad se vuelve grande. Es lógico que estas bandas de absorción dobladas se generen debido a la coincidencia de fase entre las constantes de propagación de los modos SPP y los vectores recíprocos de la rejilla 2D (aquí, no hay un momento en el plano de los fotones incidentes con una incidencia normal). Cuanto mayor sea la longitud de onda incidente, menor será la constante de propagación de un cierto modo SPP, y en consecuencia, mayor será el período de rejilla para producir un vector recíproco más pequeño para la adaptación de fase. Cuando las bandas de absorción dobladas cruzan las bandas rectas, se produce una división de modo, lo que provoca un gran aumento de realce con múltiples picos. La eficiencia de absorción integrada es óptima en p _A (o p _B ) =350 nm cuando los modos resonantes localizados se hibridan con los modos de superficie doblada solo en el rango de longitud de onda corta para el Dispositivo A (o Dispositivo B) como se muestra en la Fig. 5c (o Fig. 5d). En incidencias fuera de lo normal, los modos de superficie cambian con el ángulo de incidencia para cumplir con la condición de adaptación de fase (no se muestra), aunque nuestro estudio refleja que las eficiencias de absorción integradas bajo polarización TM o TE son casi insensibles al ángulo para ambos dispositivos como se muestra en la Fig. 5e, f.

un , b Los espectros de absorción cuando las periodicidades de los patrones de PME se sintonizan con una incidencia normal para el Dispositivo A ( a ) y el dispositivo B ( b ). La eficiencia de absorción integrada en la capa activa ( η _Yo ) frente a la periodicidad del dispositivo A ( c ) y el dispositivo B ( d ) con la línea punteada que representa η _Yo para el dispositivo de control. η _Yo versus el ángulo de incidencia θ en polarización TM o TE para el dispositivo A óptimo ( e ) y el dispositivo B ( f )

Aquí, investigamos las distribuciones de campo de tres picos de mejora seleccionados en el rango de longitud de onda corta para cada dispositivo, es decir, λ _3A =470 nm, λ _4A =440 nm y λ _5A =416 nm como se indica en la Fig. 3c y λ _3B =510 nm, λ _4B =498 nm y λ _5B =468 nm como se indica en la Fig. 3d. La Figura 6a muestra los mapas de campo (bajo polarización de TM) en diferentes secciones transversales en los tres picos para el Dispositivo A óptimo. Se ve que las similitudes de los mapas en diferentes picos se encuentran en los LPR de tipo dipolo (como se muestra en el | E | mapas en z = h _A ) (subparcelas de i – iii en la Fig. 6a), así como las SPP que se propagan atrapadas en la superficie de la cresta metálica sobresaliente (como se ve desde el | H | mapas en z = h _A ) (subparcelas de iv-vi en la Fig. 6a). Aquí, vemos que los SPP que se propagan en la superficie de la cresta metálica tienen solo un nodo a lo largo de la x -eje pero sin nodo a lo largo de y -eje en λ _3A , λ _4A y λ _5A , que son diferentes de los casos en λ _1A y λ _2A . Las diferencias entre las resonancias en λ _3A , λ _4A y λ _5A se puede encontrar claramente en el | H | mapas en z =0 (subparcelas de vii – ix en la Fig. 6a). La envoltura de los SPP que se propagan en la parte inferior del nanoagujero ( z =0) parece un anillo en λ _3A , mientras que una barra elíptica con su eje largo dirigido a lo largo de la y -eje en λ _5A y un anillo más dos barras elípticas con los ejes largos a lo largo de la y -eje en λ _4A . La Figura 6b muestra los mapas de campo (bajo polarización TM) en diferentes secciones transversales en λ _3B , λ _4B y λ _5B para el Dispositivo B óptimo. En todos los picos, los LPR de tipo dipolo se excitan en la superficie superior del nanopilar metálico como se muestra en el | E | mapas en z = h _B (subparcelas de i – iii en la Fig. 6b). Además, los SPP que se propagan en la superficie superior de los nanopilares metálicos (como se muestra en el | H | mapas en z = h _B ) (subparcelas de iv-vi en la Fig. 6b) son similares en λ _3B , λ _4B y λ _5B . Además de un punto brillante dentro del nanopilar, también hay un anillo brillante producido en el límite del nanopilar en λ _3B , λ _4B y λ _5B , que son diferentes de los casos en λ _1B y λ _2B . Similar al Dispositivo A, las diferencias entre los picos de λ _3B , λ _4B y λ _5B para el Dispositivo B también se encuentran en las envolventes de los SPP que se propagan en la interfaz metal / dieléctrico en el plano de z =0 (subparcelas de vii – ix en la Fig. 6b). Para ambos dispositivos, son las excitaciones de diversos modos SPP de propagación en la parte inferior de los PME las que causan el amplio aumento de mejora en el rango de longitud de onda corta superpuesto con múltiples picos diminutos.

Mapas de campo bajo polarización TM en diferentes secciones transversales en los picos de λ _3A , λ _4A y λ _5A ( a ) y λ _3B , λ _4B y λ _5B ( b ). Primera fila | E | en z = h _A o h _B , fila del medio | H | en z = h _A o h _B y la fila inferior | H | en z =0. Los picos son como se indica en la Fig. 3

Conclusiones

En conclusión, las células solares orgánicas basadas en electrodos metálicos con patrón de tipo nanoagujero y tipo nanopilar se han investigado sistemáticamente comparando sus similitudes y diferencias. Se ha demostrado que ambas células solares orgánicas basadas en electrodos metálicos con patrón pueden superar al control plano con un efecto de captura de luz mejorado en la capa activa si se utilizan diseños óptimos. Las eficiencias de absorción integradas en el rango de longitud de onda investigado para las dos células solares orgánicas basadas en electrodos metálicos con patrones óptimos son aproximadamente las mismas (82,4%), lo que lleva a un factor de mejora del 9,9% en comparación con el del control. Dado que el grosor de la capa activa en la célula solar orgánica con cualquier tipo de electrodo metálico estampado es el mismo que el del control (que produce el primer pico de absorción debido a la resonancia de la cavidad), las células solares orgánicas con electrodos metálicos estampados pueden mantener las propiedades de transporte del portador del dispositivo de control plano pero con una absorción mejorada y materiales menos activos. Los efectos mejorados de captura de luz para las dos células solares orgánicas diferentes también se han aclarado analizando las distribuciones de campo en los picos de mejora. El electrodo metálico con patrón de tipo nanoagujero puede excitar las resonancias de plasmón localizado en forma de dipolo y los polaritones de plasmón de superficie de propagación que se localizan en la parte superior de las crestas metálicas. El electrodo metálico con patrón de tipo nanopilar también puede excitar las resonancias de plasmón localizado en forma de dipolo y los polaritones de plasmón de superficie de propagación que se localizan en la parte superior de los nanopilares metálicos. Además, también se excitan los modos de polaritón de plasmón de superficie acoplada a rejilla en la parte inferior de los electrodos metálicos estampados, lo que produce múltiples picos superpuestos sobre la amplia protuberancia de mejora en el rango de longitud de onda inferior a 600 nm. The integrated absorption efficiency is optimized with the periodicity of 350 nm when the localized resonant modes are hybridized with the bent surface modes only over the short wavelength range. In a comprehensive view, the nanopillar-type patterned metallic electrode is suggested to be applied in the present organic solar cell system, since its optimal design has a moderate filling ratio, which is much easier to process than its counterpart. The proposed study is expected to contribute to the development of high-efficiency organic solar cells.

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