Ontwerpprincipes voor nanodeeltjesplasmon-versterkte organische zonnecellen

Abstract

Plasmonische metalen nanodeeltjes zijn gekoppeld aan de organische zonnecellen om de wisselwerking tussen de lichtabsorptie en het verzamelen van dragers te overwinnen. Ze bevinden zich meestal binnen of buiten de actieve lagen. Er werd echter geen gedetailleerde vergelijking gerapporteerd over het verschil in lichtabsorptie wanneer nanodeeltjes zich binnen of buiten de actieve lagen bevinden. In dit artikel vergelijken we het lichtvangende vermogen van Ag-nanosferen in organische zonnecellen wanneer ze zich binnen en buiten de fotoactieve laag bevinden. We laten zien dat nanodeeltjes van groot formaat de voorkeur hebben wanneer ze buiten de actieve laag worden geplaatst, terwijl nanodeeltjes van klein formaat de voorkeur hebben in het geval van inbedding van nanodeeltjes in de homogene actieve laag.

Achtergrond

Organische zonnecellen (OSC's) zijn ideale kandidaten om de reguliere anorganische zonnecellen te vervangen voor het realiseren van kosteneffectieve fotovoltaïsche zonnecellen (PV's) vanwege de voordelen van OSC's, waaronder lichtgewicht, goedkope fabricageprocessen bij lage temperaturen, semi-transparantie en mechanische flexibiliteit [ 1, 2]. Recente vooruitgang van OSC's heeft aangetoond dat meer dan 10% stroomconversie-efficiëntie (PCE) is gebaseerd op apparaten met één verbindingspunt, waardoor ze in directe concurrentie staan met hun Si- en GaAs-tegenhangers. Single-junction terrestrische OSC's behaalden een efficiëntie van 11,2 ± 0,3 gemeten onder het wereldwijde AM1,5-spectrum (1000 W/m² ) bij 25°C [2]. Een polymeer maakt een oplossing-verwerkte tandem-zonnecel mogelijk met een gecertificeerde 10,6% stroomconversie-efficiëntie onder standaard testomstandigheden [3]. Een nieuwe polymeerdonor (PBDB-T-SF) en een nieuwe kleine-molecuulacceptor (IT-4F) voor fullereenvrije OSC's werden ontworpen en gesynthetiseerd, wat een PCE van 13,1% opleverde [4]. Ternaire organische zonnecellen met een PCE van 14% werden gerapporteerd [5]. Hoewel het rendement is opgelopen tot 10%, is de hele schaalmarkt niet volwassen om te concurreren met de Si-zonnecellen. De belangrijkste uitdaging in OSC's ligt in het verhogen van de efficiëntie tot meer dan 10% onder een industrieel fabricageproces. Vanwege de intrinsieke lage mobiliteit van ladingsdragers en excitondiffusie-eigenschappen van organische moleculen, is de dikte van OSC's beperkt en wordt de lichtabsorptie van OSC's beperkt. Om de wisselwerking tussen lichtabsorptie en het verzamelen van dragers te omzeilen, zijn de afgelopen decennia veel lichtvangende schema's voorgesteld, zoals quantum dot-zonnecel [6,7,8,9], nanodraad-zonnecel [10, 11] , en plasmonische zonnecel [6, 12, 13]. De plasmonische zonnecellen bieden een praktische manier om de lichtopbrengst van zonnecellen te stimuleren met behoud van hun efficiëntie voor het verzamelen van dragers [14]. De edele metalen nanodeeltjes (NP's) die in zonnecellen zijn verwerkt, kunnen de efficiëntie verbeteren door sterk geconcentreerde nabije velden te creëren, waardoor de padlengte wordt vergroot via verre veldverstrooiing en golfgeleiderkoppeling [15]. Eerdere simulaties van met plasmon versterkte anorganische zonnecellen hebben bijvoorbeeld 10-100 nm dikke actieve lagen gebruikt voor proof-of-concept-demonstraties [12, 16,17,18].

In het algemene ontwerpproces van OSC's bevinden de plasmonische metalen NP's zich buiten/binnen de actieve lagen. Het inbedden van metalen NP's in actieve lagen van OSC's maakt gebruik van het sterk begrensde veld van de gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonantie (LSPR) en efficiëntere lichtverstrooiing binnen de actieve lagen, terwijl het introduceren van metalen NP's buiten de actieve laag (lagen) kan worden bereikt door de NP's op indiumtinoxide (ITO) of in een poly(3,4-ethyleendioxythiofeen):poly (styreensulfonaat) (PEDOT:PSS) bufferlaag. Er is echter geen vergelijking om de invloed van plasmonische NP's te onderscheiden wanneer ze in deze twee structuren worden geïntroduceerd. In dit artikel vergelijken we het lichtvangende vermogen van de NP's wanneer ze binnen en buiten de actieve lagen worden geplaatst. Ons werk biedt een ontwerpprincipe voor NP-plasmon-versterkte OSC's.

Methoden

Alle simulaties zijn uitgevoerd met behulp van de FDTD-methode (finite-difference time-domain) om de Maxwell-vergelijkingen op te lossen. Tijdens de simulaties van de verstrooiingsdwarsdoorsnede werd een total-field scatter-field (TFSF) -bron met een golflengte van 300 tot 700 nm geïnjecteerd in een doos met de NP's. Hier kiezen we de Ag in de simulatie omdat de plasmonische resonantie goed past bij de absorptiespectra van de P3HT:PCBM [19, 20]. Kathode Al materiaal werd genomen uit ref. [21]. De complexe brekingsindex (n , k ) van ITO en Ag werden gepast van refs. [21, 22], respectievelijk. De n en k van PEDOT:PSS en een mengsel van poly (3-hexylthiofeen) (P3HT) en [6,6]-fenyl-C61-boterzuurmethylester (PCBM) werden gepast uit refs. [23, 24], respectievelijk, zoals opnieuw geplot in Fig. 1a, b. De diktes van ITO, PEDOT:PSS en P3HT:PCBM zijn respectievelijk 100, 40 en 200 nm. In onze simulatie kiezen we de PEDOT:PSS als de bufferlaag en de P3HT:PCBM als de actieve laag [14, 24]. De genormaliseerde dwarsdoorsneden van verstrooiing/absorptie, Q _scat /Q _buikspieren , worden gedefinieerd door verstrooiing / absorptie doorsnede gedeeld door geometrische doorsnede van NP's. De fractie van het licht dat in het substraat wordt verstrooid, f _sub , wordt gedefinieerd als het naar het substraat verstrooide vermogen gedeeld door het totale verstrooide vermogen. Voor Ag NP's zijn de mesh-instellingen dx = dy = dz = 0.1, 0.5 en 1 nm gekozen voor kleine (5, 10 nm), medium (20, 40 nm) en grote (60, 80 nm) ) NP's, terwijl in andere simulatieregio's een automatische methode voor het genereren van mesh werd gebruikt. We definiëren kleine (5, 10 nm), middelgrote (20, 40 nm) en grote (60, 80 nm) NP's op basis van gepubliceerd experimenteel werk [25, 26]. We hebben de maaswijdte verkleind en parameters voor perfect op elkaar afgestemde lagen (PML) ingesteld totdat de resultaten convergerend waren.

De complexe brekingsindex n en extinctiecoëfficiënt k van PEDOT:PSS a en P3HT:PCBM b in de FDTD-simulatie

Resultaat en discussie

Zoals getoond in Fig. 2a, b, komen de architecturen overeen met het geval wanneer Ag NP's zich binnen of buiten de actieve laag bevinden. In het praktische fabricageproces is de dikte van de PEDOT:PSS-laag ~ 50 nm en de actieve laag is ~ 200 nm. In onze simulatie zijn deze twee lagen respectievelijk ingesteld op 40 en 200 nm. Voor NP's die zich in de actieve laag bevinden, heeft dit geen invloed op het berekende resultaat wanneer NP's zich in homogeen materiaal bevinden. Voor NP's die zich buiten de actieve laag bevinden, hoewel veel publicaties NP's gebruiken die volledig in PEDOT:PSS zijn ingebed, zijn er enkele publicaties die grote NP's gebruiken buiten de dikte van de PEDOT:PSS-laag [27, 28]. Daarom is het toepasbaar in experimentele fabricage. De n van ITO en PEDOT:PSS (400-800 nm) is respectievelijk ~-2,1-1,6 en ~-1,55-1,45. Het verschil van n ligt niet voor de hand. Volgens een benaderingstheorie voor absorptie- en verstrooiingsdoorsnedeberekening [15] zijn de verschillen in de dwarsdoorsneden tussen volledig bedekte en gedeeltelijk bedekte NP's in PEDOT:PSS vrij klein. Daarom kunnen we concluderen dat het de berekende resultaten enigszins beïnvloedt wanneer NP's groter zijn dan de diktes van PEDOT:PSS en actieve lagen. De rol van plasmonische effecten van NP's voor het vangen van licht wordt ook geïllustreerd in de structuren. De vereisten voor het vermogen om licht op te vangen zijn verschillend tussen de twee structuren. In Fig. 2a, aangezien de NP's zich buiten de actieve organische laag bevinden, heeft de verbetering van het nabije veld een beperkte invloed op de absorptieverbetering omdat alleen het nabije veld aan de onderkant van NP's bijdraagt aan de absorptieverbetering. Bovendien, naarmate de diameter groter wordt, dringt het nabije veld van grote NP's een grotere afstand binnen, weg van het oppervlak van de NP's [29]. Naarmate de diameter groter wordt, zal het verstrooiingseffect sterker worden volgens de Mie-theorie. Daarom is het niet nodig om rekening te houden met de verbetering van het nabije veld wanneer NP's zich buiten de actieve laag bevinden. De NP's in de actieve lagen profiteren echter van near-field-verbetering, waardoor de effectieve absorptiedoorsnede en dus de excitondissociatie toenemen, zoals weergegeven in figuur 2b.

Schematische illustratie van lichtopsluiting door verstrooiing en lokale veldverbetering in a NP's die zich buiten de actieve laag bevinden en b NP's die zich binnen de actieve laag bevinden

NP's die zich buiten de actieve lagen bevinden

Hoewel verbetering van de lichtabsorptie in op plasmonische NP gebaseerde OSC's wordt waargenomen, induceren de kale metalen NP's in de actieve laag ook ladingsrecombinatie en excitonuitdoving in de buurt van het metaaloppervlak als gevolg van dipool-dipool en ladingsvangende koppeling [12, 30]. Naarmate de omvang groter wordt, zullen ladingsrecombinatie en excitonuitdoving ernstiger worden [31, 32]. Om het exciton-uitdovings- en ladingvangende effect van NP's te onderdrukken, kunnen drie remedies worden geïntroduceerd:een dunne diëlektrische laag aanbrengen op metalen NP's [12, 30], NP's vormen door laserablatie in vloeistoffen [33], en NP's buiten plaatsen actieve laag [14, 28]. Zoals besproken in de bovenstaande sectie, wanneer NP's zich buiten de actieve lagen bevinden, zijn de verstrooiingseigenschappen van NP's van cruciaal belang voor het vangen van licht. Daarom is de fractie van het licht dat onder de actieve laag wordt verstrooid, f _sub , wordt vergeleken tussen de NP's met verschillende diameters, zoals weergegeven in figuur 3a. De trends van f _sub nemen toe naarmate de grootte van NP's toeneemt, wat niet overeenkomt met de Ag NP's op het Si-oppervlak zoals berekend in ref. [17]. Zoals te zien is in figuur 3a, treedt er een duidelijke dip op bij ~ -550 nm, wat betekent dat een grote hoeveelheid licht naar achteren wordt verstrooid en wordt verspild. Het is echter moeilijk om verstrooiingsbijdragen van NP's van verschillende grootte te beoordelen, omdat ze verschillende f hebben _sub waarden. Daarom plotten we de totale Q _scat en Q _scat voor licht dat in het substraat wordt verstrooid, zoals weergegeven in Fig. 3b. Naarmate de maat groter wordt, wordt de totale Q _scat van de grote NP's hebben grote waarden die groter zijn dan die van de middelgrote en kleine NP's binnen een breedbandspectrum. De grote NP's met grote verstrooiing Q _scat gedragen zich als effectieve subgolflengteverstrooiingselementen die zonlicht koppelen en vangen in de fotoactieve laag en zo wordt de optische weglengte verbeterd [16].

een De fractie van het licht dat in de actieve laag wordt verstrooid. b Totale verstrooiingsdoorsnede (vast), doorsnede voor in het substraat verstrooid licht (stippellijn), allemaal genormaliseerd naar geometrische doorsnede

Al-kathode in de OSC's dient niet alleen als contact, maar fungeert ook als een spiegel, waardoor de padlengte van het licht in een actieve laag wordt verlengd. Daarom onderzoeken we hun verstrooiingseigenschappen verder wanneer Al-kathode wordt gepresenteerd. In de simulatie wordt een 150 nm Al in contact gebracht met de actieve laag. Afbeelding 4 toont de f _sub van verschillende NP's. Zoals te zien is in figuur 4a, f _sub zijn aanzienlijk verbeterd na de introductie van de Al-spiegel. Echter, de Q _scat van NP's worden enigszins beïnvloed, zoals aangetoond in figuur 4b. Het maakt niet uit of de Al-spiegel wordt gepresenteerd, de grote NP's vertonen grote verstrooiingsdwarsdoorsneden en een grote hoeveelheid licht wordt in de substraten verstrooid. Daarom hebben de grote NP's de voorkeur wanneer NP's zich buiten de actieve laag bevinden vanuit het punt van optische simulatie.

een De fractie van licht verstrooid in de actieve laag met Al-kathode aanwezig. b Totale verstrooiingsdwarsdoorsnede (vast) en dwarsdoorsnede voor licht verstrooid in het substraat (stippellijn) met Al-kathodepresentatie, allemaal genormaliseerd naar geometrische dwarsdoorsneden

NP's die zich binnen de actieve lagen bevinden

Terwijl NP's zich in de matrix van de actieve laag bevinden, beïnvloeden de verstrooiing in het verre veld en de verbetering van het nabije veld OSC's tegelijkertijd. Voor NP's met afmetingen die ver onder de golflengte van licht in de quasi-statische limiet liggen, kan de dwarsdoorsnede van verstrooiing / absorptie worden geïnterpreteerd door Vgl. 1 [15]:

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

waar α _sp is de polariseerbaarheid van de bol:

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

waar de ε _m en ε _s zijn de permittiviteiten van respectievelijk het omringende materiaal en de bol. In het geval dat NP's buiten zijn, is de omringende diëlektrische omgeving gecompliceerd en kan deze worden berekend bij benadering in een homogene omgeving [15]. De Q _scat en Q _buikspieren zijn respectievelijk uitgezet in Fig. 5a, b. Absorptie domineert voor kleine NP's die zijn ingebed in de actieve laag met diameters in het bereik van 5 tot 10 nm. Het plasmonische nabije veld is gekoppeld aan de actieve laag en vergroot zo de absorptiedoorsnede die de dissociatie van excitonen verbetert. Echter, Q _scat veel lager is dan die van NP's die zich buiten de actieve laag bevinden. De verstrooiingsefficiëntie, Q _sc , gedefinieerd door Q _scat /(Q _scat + Q _buikspieren ), wordt getoond in Fig. 5c om te evalueren of verstrooiing of absorptie domineert. V _scat waarden van alle NP's zijn niet meer dan 0,5, wat suggereert dat absorptie domineert van 300 tot 700 nm. Daarom zijn verbeterde absorptiedoorsneden van NP's van cruciaal belang wanneer ze worden ingebed in een homogene matrix, in plaats van dwarsdoorsneden te verstrooien zoals in het buitenste geval. Figuur 6 toont absorptiespectra van actieve lagen in combinatie met NP's. Kleine NP's hebben een duidelijke absorptieverbetering, maar naarmate de grootte toeneemt, verslechteren de absorptiespectra. Hoewel lichtabsorptie kan worden versterkt door verstrooiing van grote NP's, kan verhoogde verstrooiing de verminderde absorptie niet compenseren, zoals geïllustreerd in Fig. 5a, b. Voor elektrische overwegingen, verhoogde Q _buikspieren in kleine NP's kunnen worden gebruikt in OSC's om de dissociatie van excitonen te verbeteren, terwijl grote NP's aanleiding geven tot recombinatie en exciton-quenching [25]. Naarmate de omvang toeneemt, zullen ladingsrecombinatie en exciton-quenching serieuzer worden [31]. Daarom hebben kleine NP's de voorkeur als ze bedekt zijn met de actieve laag.

Genormaliseerde verstrooiingsdoorsnede (a ), absorptiedoorsnede (b ), en verstrooiingsefficiëntie (c ) van NP's van verschillende grootte in de homogene actieve laag

Absorptiekleurenkaart van NP's van verschillende grootte in de homogene actieve laag met Al-kathode in contact met de actieve laag

Conclusies

Concluderend worden de lichtvangende vermogens van Ag NP's die zich binnen en buiten de actieve laag bevinden onderzocht. Wanneer de NP's zich buiten de actieve laag bevinden, is de fractie van het licht dat in de actieve laag wordt verstrooid, cruciaal. Grote NP's hebben grote verstrooiingsdwarsdoorsneden en een grote hoeveelheid licht wordt bij voorkeur verstrooid onder de fotoactieve laag. Aan de andere kant is een absorptiedoorsnede essentieel wanneer NP's worden ingebed in de homogene actieve laag. Kleine NP's kunnen de lichtabsorptie van OSC's vergroten vanwege hun grote absorptiedoorsneden. We zijn van mening dat de resultaten van ons onderzoek de weg kunnen banen naar kosteneffectieve OSC-apparaten, en deze benadering kan van toepassing zijn op OSC-systemen met andere soorten actieve materialen.

Afkortingen

FDTD:: Tijdsdomein met eindig verschil
ITO:: Indiumtinoxide
LSPR:: Gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonantie
NP's:: Nanodeeltjes
OSC's:: Organische zonnecellen
P3HT:: Poly(3-hexylthiofeen)
PCBM:: [6,6]-Fenyl-C61-boterzuurmethylester
PCE:: Energieconversie-efficiëntie
PEDOT:PSS:: Poly(3,4-ethyleendioxythiofeen):poly (styreensulfonaat)
PML:: Perfect op elkaar afgestemde laag
PV's:: Fotovoltaïek
TFSF:: Totaal veld verspreid veld

Effect van morfologie en kristalstructuur op de thermische geleidbaarheid van Titania-nanobuisjes Invloed van Ag-nanodeeltjes met verschillende afmetingen en concentraties ingebed in een TiO2-compacte laag op de conversie-efficiëntie van perovskiet-zonnecellen

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal