Principios de diseño para células solares orgánicas mejoradas con plasma de nanopartículas

Resultado y discusión

Como se muestra en la Fig. 2a, b, las arquitecturas corresponden al caso en el que las NP de Ag están ubicadas dentro o fuera de la capa activa. En el proceso de fabricación práctica, el espesor de la capa PEDOT:PSS es ~ 50 nm y la capa activa es ~ 200 nm. En nuestra simulación, estas dos capas se establecen en 40 y 200 nm, respectivamente. Para los NP ubicados dentro de la capa activa, no afecta el resultado calculado cuando los NP están en material homogéneo. Para NP ubicadas fuera de la capa activa, aunque muchas publicaciones utilizan NP integradas en PEDOT:PSS totalmente, hay algunas publicaciones que utilizan NP grandes más allá del espesor de la capa PEDOT:PSS [27, 28]. Por tanto, es aplicable en fabricación experimental. El n de ITO y PEDOT:PSS (400–800 nm) es ~ 2,1–1,6 y ~ 1,55–1,45, respectivamente. La diferencia de n no es obvio. De acuerdo con una teoría de aproximación para el cálculo de la sección transversal de absorción y dispersión [15], las diferencias en las secciones transversales entre NP totalmente cubiertas y parcialmente cubiertas en PEDOT:PSS son bastante pequeñas. Por tanto, podemos concluir que afecta levemente a los resultados calculados cuando los NP son mayores que los espesores de PEDOT:PSS y capas activas. El papel de los efectos plasmónicos de los NP para la captura de luz también se ilustra en las estructuras. Los requisitos de capacidad para atrapar la luz son diferentes entre las dos estructuras. En la Fig. 2a, dado que las NP están ubicadas fuera de la capa orgánica activa, la mejora del campo cercano tiene un impacto limitado sobre la mejora de la absorción porque solo el campo cercano en la parte inferior de las NP contribuye a la mejora de la absorción. Además, a medida que aumenta el diámetro, el campo cercano de las NP grandes penetra una distancia más larga, lejos de la superficie de las NP [29]. A medida que aumenta el diámetro, el efecto de dispersión se hará más fuerte según la teoría de Mie. Por lo tanto, no es necesario tener en cuenta la mejora de campo cercano cuando los NP se encuentran fuera de la capa activa. Sin embargo, los NP en las capas activas se benefician de la mejora del campo cercano, lo que aumenta su sección transversal de absorción efectiva y, por lo tanto, la disociación del excitón, como se muestra en la Fig. 2b.

Ilustración esquemática de la captura de luz mediante la dispersión y la mejora del campo local en a NP ubicadas fuera de la capa activa y b NP ubicados dentro de la capa activa

NP ubicadas fuera de las capas activas

Aunque se observa una mejora de la absorción de luz en las OSC plasmónicas basadas en NP, las NP metálicas desnudas en la capa activa también inducen recombinación de carga y extinción de excitones cerca de la proximidad de la superficie metálica debido al acoplamiento dipolo-dipolo y atrapamiento de carga [12, 30]. A medida que aumenta el tamaño, la recombinación de carga y la extinción de excitones se volverán más serias [31, 32]. Para suprimir el efecto de extinción de excitones y atrapamiento de carga de los NP, se pueden introducir tres remedios:recubrir una fina capa dieléctrica sobre NP metálicas [12, 30], formar NP mediante ablación láser en líquidos [33] y colocar NP fuera capa activa [14, 28]. Como se discutió en la sección anterior, cuando las NP están ubicadas fuera de las capas activas, las propiedades de dispersión de las NP son críticas para atrapar la luz. Por lo tanto, la fracción de luz dispersada debajo de la capa activa, f _sub , se compara entre los NP con diferentes diámetros como se muestra en la Fig. 3a. Las tendencias de f _sub aumentan a medida que aumenta el tamaño de los NP, lo que no concuerda con los NP de Ag ubicados en la superficie de Si calculados en la ref. [17]. Como puede verse en la Fig. 3a, se produce una caída evidente a ~ 550 nm, lo que significa que una gran cantidad de luz se dispersa hacia atrás y se desperdicia. Sin embargo, es difícil juzgar las contribuciones de dispersión de NP de diferentes tamaños porque tienen diferentes f _sub valores. Por lo tanto, trazamos el total de Q _scat y Q _scat para la luz dispersa en el sustrato, como se muestra en la Fig. 3b. A medida que aumenta el tamaño, el Q total _scat de los NP de gran tamaño tienen valores grandes que superan los de los NP de tamaño mediano y pequeño dentro de un espectro de banda ancha. Los NP de gran tamaño con gran dispersión Q _scat se comportan como elementos de dispersión de sublongitud de onda efectivos que se acoplan y atrapan la luz solar en la capa fotoactiva y, por lo tanto, se mejora la longitud de la trayectoria óptica [16].

un La fracción de luz dispersada en la capa activa. b Sección transversal de dispersión total (sólida), sección transversal para la luz dispersada en el sustrato (línea discontinua), todos normalizados a la sección transversal geométrica

El cátodo de Al en las OSC no solo sirve como contacto, sino que también actúa como espejo, prolongando la trayectoria de la luz en una capa activa. Por lo tanto, investigamos más a fondo sus propiedades de dispersión cuando se presenta el cátodo de Al. En la simulación, se pone en contacto un Al de 150 nm con la capa activa. La Figura 4 muestra la f _sub de varios NP. Como puede verse en la Fig. 4a, f _sub se mejoran significativamente después de introducir el espejo Al. Sin embargo, el Q _scat de los NP están ligeramente influenciados, como se demuestra en la Fig. 4b. Independientemente de si se presenta el espejo de Al, los NP de gran tamaño muestran grandes secciones transversales de dispersión y se dispersa una gran cantidad de luz en los sustratos. Por lo tanto, los NP de gran tamaño se ven favorecidos cuando los NP están ubicados fuera de la capa activa desde el punto de simulación óptica.

un La fracción de luz dispersada en la capa activa con presentación de cátodo de Al. b Sección transversal de dispersión total (sólida) y sección transversal para la luz dispersada en el sustrato (línea discontinua) con presentación de cátodo de Al, todos normalizados a secciones transversales geométricas

NP ubicadas dentro de las capas activas

Mientras que los NP están ubicados en la matriz de la capa activa, la dispersión del campo lejano y la mejora del campo cercano influyen en los OSC simultáneamente. Para NP con tamaños muy por debajo de la longitud de onda de la luz en el límite cuasi-estático, la sección transversal de dispersión / absorción se puede interpretar mediante la Ec. 1 [15]:

$$ {\ sigma} _ {\ mathrm {sca}} =\ frac {1} {6 \ pi} {\ left (\ frac {2 \ pi} {\ lambda} \ right)} ^ 4 {\ left | {\ alpha} _ {\ mathrm {sp}} \ right |} ^ 2, \ cdot {\ sigma} _ {\ mathrm {abs}} =\ frac {2 \ pi} {\ lambda} \ mathit {\ nombre del operador {Im}} \ left [{\ alpha} _ {\ mathrm {sp}} \ right] $$ (1)

donde α _sp es la polarizabilidad de la esfera:

$$ {\ alpha} _ {\ mathrm {s} \ mathrm {p}} =4 \ uppi {r} ^ 3 \ frac {\ varepsilon _ {\ mathrm {m}} - {\ varepsilon} _ {\ mathrm { s}}} {\ varepsilon _ {\ mathrm {m}} + 2 {\ varepsilon} _ {\ mathrm {s}}} $$ (2)

donde el ε _m y ε _s son las permitividades del material circundante y de la esfera, respectivamente. En el caso de que los NP estén en el exterior, el entorno dieléctrico circundante es complicado y se puede calcular por aproximación en un entorno homogéneo [15]. El Q _scat y Q _abs se representan en la Fig. 5a, b, respectivamente. La absorción domina para NP pequeñas que se incrustan en la capa activa con diámetros en el rango de 5 a 10 nm. El campo cercano plasmónico se acopla a la capa activa y, por lo tanto, aumenta la sección transversal de absorción que mejora la disociación del excitón. Sin embargo, Q _scat es mucho más baja que la de los NP ubicados fuera de la capa activa. La eficiencia de dispersión, Q _sc , definido por Q _scat / ( Q _scat + Q _abs ), se muestra en la Fig. 5c para evaluar la dispersión o la absorción dominante. Q _scat los valores de todos los NP no son más de 0,5, lo que sugiere que la absorción domina entre 300 y 700 nm. Por lo tanto, las secciones transversales de absorción mejorada de los NP son críticas cuando se incrustan en una matriz homogénea, en lugar de dispersar las secciones transversales como en el caso exterior. La Figura 6 demuestra los espectros de absorción de capas activas acopladas con NP. Los NP pequeños tienen una mejora de la absorción obvia, pero a medida que aumenta el tamaño, los espectros de absorción se deterioran. Aunque la absorción de luz puede potenciarse mediante la dispersión de NP de gran tamaño, el aumento de la dispersión no puede compensar la disminución de la absorción, como se ilustra en la Fig. 5a, b. Por consideraciones eléctricas, Q aumentado _abs en NP pequeñas se puede utilizar en OSC para mejorar la disociación de excitones, mientras que las NP grandes dan lugar a recombinación y extinción de excitones [25]. A medida que aumenta el tamaño, la recombinación de carga y la extinción de excitones se volverán más serias [31]. Por lo tanto, se prefieren los NP pequeños cuando están cubiertos en la capa activa.

Sección transversal de dispersión normalizada ( a ), sección transversal de absorción ( b ) y eficiencia de dispersión ( c ) de NP de diferentes tamaños en la capa activa homogénea

Mapa de colores de absorción de NP de diferentes tamaños en la capa activa homogénea con el cátodo de Al en contacto con la capa activa

Conclusiones

En conclusión, se investigan las capacidades de captura de luz de los Ag NP ubicados dentro y fuera de la capa activa. Cuando los NP se encuentran fuera de la capa activa, la fracción de luz dispersada en la capa activa es crucial. Los NP de gran tamaño tienen grandes secciones transversales de dispersión y una gran cantidad de luz se dispersa preferiblemente debajo de la capa fotoactiva. Por otro lado, una sección transversal de absorción es esencial cuando los NP se incrustan en la capa activa homogénea. Los NP de pequeño tamaño pueden aumentar la absorción de luz de los OSC debido a sus grandes secciones transversales de absorción. Creemos que los resultados de nuestro estudio podrían allanar el camino hacia dispositivos OSC rentables, y este enfoque puede ser aplicable a los sistemas OSC que presentan otros tipos de materiales activos.

Abreviaturas

FDTD:

Dominio del tiempo de diferencia finita

ITO:

Óxido de indio y estaño

LSPR:

Resonancia de plasmón de superficie localizada

NP:

Nanopartículas

OSC:

Células solares orgánicas

P3HT:

Poli (3-hexiltiofeno)

PCBM:

Éster metílico del ácido [6,6] -fenil-C61-butírico

PCE:

Eficiencia de conversión de energía

PEDOT:PSS:

Poli (3,4-etilendioxitiofeno):poli (estireno sulfonato)

PML:

Capa perfectamente combinada

PV:

Energía fotovoltaica

TFSF:

Campo disperso de campo total

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