Princípios de design para células solares orgânicas aprimoradas com plasma de nanopartículas

Resumo

Nanopartículas metálicas plasmônicas são acopladas às células solares orgânicas para superar o trade-off entre a absorção de luz e a coleta de portadores. Eles geralmente estão localizados dentro ou fora das camadas ativas. No entanto, nenhuma comparação detalhada foi relatada sobre a diferença de absorção de luz quando as nanopartículas estão localizadas dentro ou fora das camadas ativas. Neste artigo, comparamos as habilidades de captura de luz das nanoesferas de Ag em células solares orgânicas quando elas estão localizadas dentro e fora da camada fotoativa. Mostramos que nanopartículas de grande porte são preferidas quando colocadas fora da camada ativa, enquanto nanopartículas de pequeno porte são favorecidas no caso de incorporação de nanopartículas na camada ativa homogênea.

Histórico

As células solares orgânicas (OSCs) são candidatas ideais para substituir as células solares inorgânicas convencionais para obter fotovoltaicos (PVs) econômicos devido às vantagens dos OSCs, incluindo processo de fabricação leve, de baixo custo e baixa temperatura, semitransparência e flexibilidade mecânica [ 1, 2]. O progresso recente dos OSCs demonstrou mais de 10% de eficiência de conversão de energia (PCE) com base em dispositivos de junção única, o que os colocou em competição direta com seus homólogos de Si e GaAs. OSCs terrestres de junção única alcançaram uma eficiência de 11,2 ± 0,3 medida sob o espectro global AM1.5 (1000 W / m ² ) a 25 ° C [2]. Um polímero permite uma célula solar em tandem processada em solução com eficiência de conversão de energia de 10,6% certificada sob condições de teste padrão [3]. Um novo doador de polímero (PBDB-T-SF) e um novo aceitador de molécula pequena (IT-4F) para OSCs livres de fulereno foram projetados e sintetizados, rendendo um PCE de 13,1% [4]. Células solares orgânicas ternárias oferecendo um PCE de 14% foram relatadas [5]. Embora a eficiência tenha diminuído para 10%, todo o mercado de escala não está maduro para competir com as células solares de Si. O principal desafio em OSCs é aumentar a eficiência acima de 10% em um processo de fabricação industrial. Devido à baixa mobilidade intrínseca do portador de carga e às propriedades de difusão de excitons das moléculas orgânicas, a espessura das OSCs é limitada e, portanto, restringe a absorção de luz das OSCs. Para contornar o trade-off entre absorção de luz e coleta de portadores, durante as últimas décadas, muitos esquemas de captura de luz foram propostos, como célula solar de ponto quântico [6,7,8,9], célula solar de nanofio [10, 11] e célula solar plasmônica [6, 12, 13]. As células solares plasmônicas fornecem uma maneira prática de aumentar a captação de luz de células solares, mantendo sua eficiência de coleta de portadores [14]. As nanopartículas metálicas nobres (NPs) incorporadas em células solares podem melhorar a eficiência criando um campo próximo altamente concentrado, aumentando o comprimento do caminho por meio de espalhamento em campo distante e acoplamento de guia de onda [15]. Por exemplo, simulações anteriores em células solares inorgânicas aprimoradas com plasmon adotaram camadas ativas de 10-100 nm de espessura para demonstrações de prova de conceito [12, 16,17,18].

No processo de projeto de OSCs principal, os NPs metálicos plasmônicos estão localizados fora / dentro das camadas ativas. A incorporação de NPs metálicos em camadas ativas de OSCs explora o campo fortemente confinado da ressonância de plasmon de superfície localizada (LSPR) e a dispersão de luz mais eficiente dentro das camadas ativas, enquanto a introdução de NPs metálicos fora da (s) camada (s) ativa (s) pode ser realizada acoplando os NPs em óxido de índio e estanho (ITO) ou dentro de uma camada tampão de poli (3,4-etilenodioxitiofeno):poli (sulfonato de estireno) (PEDOT:PSS). No entanto, não há comparação para distinguir a influência dos PN plasmônicos quando são introduzidos nessas duas estruturas. Neste artigo, comparamos as habilidades de captura de luz dos NPs quando eles são colocados dentro e fora das camadas ativas. Nosso trabalho fornece um princípio de design para OSCs aprimorados com plasmon NP.

Métodos

Todas as simulações foram realizadas usando o método de domínio de tempo de diferenças finitas (FDTD) resolvendo as equações de Maxwell. Durante as simulações de seção transversal de espalhamento, uma fonte de campo espalhado de campo total (TFSF) no comprimento de onda variando de 300 a 700 nm foi injetada em uma caixa contendo os NPs. Aqui, escolhemos o Ag na simulação porque sua ressonância plasmônica está bem ajustada aos espectros de absorção do P3HT:PCBM [19, 20]. O material do cátodo Al foi retirado da ref. [21]. O índice de refração complexo ( n , k ) de ITO e Ag foram ajustados das refs. [21, 22], respectivamente. O n e k de PEDOT:PSS e uma mistura de poli (3-hexiltiofeno) (P3HT) e éster metílico do ácido [6,6] -fenil-C61-butírico (PCBM) foram ajustados a partir das refs. [23, 24], respectivamente, conforme representado nas Fig. 1a, b. As espessuras de ITO, PEDOT:PSS e P3HT:PCBM são 100, 40 e 200 nm, respectivamente. Em nossa simulação, escolhemos o PEDOT:PSS como a camada de buffer e o P3HT:PCBM como a camada ativa [14, 24]. As seções transversais de espalhamento / absorção normalizadas, Q _scat / Q _abs , são definidos pela seção transversal de espalhamento / absorção dividida pela seção transversal geométrica de NPs. A fração de luz espalhada no substrato, f _sub , é definido como a potência espalhada em direção ao substrato dividida pela potência espalhada total. Para Ag NPs, configurações de malha de substituição dx =dy =dz =0,1, 0,5 e 1 nm foram escolhidas para pequeno (5, 10 nm), médio (20, 40 nm) e grande (60, 80 nm) ) NPs, respectivamente, enquanto um método de geração automática de malha foi usado em outras regiões de simulação. Definimos NPs pequenos (5, 10 nm), médios (20, 40 nm) e grandes (60, 80 nm) com base em trabalhos experimentais publicados [25, 26]. Diminuímos o tamanho da malha e definimos os parâmetros da camada perfeitamente combinada (PML) até que os resultados fossem convergentes.

O índice de refração complexo n e coeficiente de extinção k de PEDOT:PSS a e P3HT:PCBM b na simulação FDTD

Resultado e discussão

Conforme mostrado na Fig. 2a, b, as arquiteturas correspondem ao caso em que Ag NPs estão localizados dentro ou fora da camada ativa. No processo de fabricação prático, a espessura da camada PEDOT:PSS é de ~ 50 nm e a camada ativa é de ~ 200 nm. Em nossa simulação, essas duas camadas são definidas como 40 e 200 nm, respectivamente. Para NPs localizados dentro da camada ativa, isso não afeta o resultado calculado quando NPs estão em material homogêneo. Para NPs localizados fora da camada ativa, embora muitas publicações usem NPs embutidos em PEDOT:PSS totalmente, há algumas publicações que usam NPs grandes além da espessura da camada PEDOT:PSS [27, 28]. Portanto, é aplicável na fabricação experimental. O n de ITO e PEDOT:PSS (400–800 nm) é ~ 2,1–1,6 e ~ 1,55–1,45, respectivamente. A diferença de n não é óbvio. De acordo com uma teoria de aproximação para cálculo de seção transversal de absorção e espalhamento [15], as diferenças nas seções de choque entre NPs totalmente cobertas e parcialmente cobertas em PEDOT:PSS são bastante pequenas. Portanto, podemos concluir que afeta ligeiramente os resultados calculados quando NPs são maiores que as espessuras de PEDOT:PSS e camadas ativas. O papel dos efeitos plasmônicos de NPs para captura de luz também é ilustrado nas estruturas. Os requisitos de capacidade de captura de luz são diferentes entre as duas estruturas. Na Fig. 2a, uma vez que os NPs estão localizados fora da camada orgânica ativa, o aumento do campo próximo tem um impacto limitado no aumento da absorção porque apenas o campo próximo na parte inferior dos NPs contribui para o aumento da absorção. Além disso, conforme o diâmetro aumenta, o campo próximo de NPs grandes penetra uma distância maior, longe da superfície das NPs [29]. Conforme o diâmetro aumenta, o efeito de espalhamento se tornará mais forte de acordo com a teoria de Mie. Portanto, é desnecessário levar em consideração o aprimoramento do campo próximo quando os NPs estão localizados fora da camada ativa. No entanto, os NPs nas camadas ativas se beneficiam do aumento do campo próximo, aumentando sua seção transversal de absorção efetiva e, portanto, a dissociação de excitons, como mostrado na Fig. 2b.

Ilustração esquemática da captura de luz por meio de espalhamento e aprimoramento de campo local em a NPs localizados fora da camada ativa e b NPs localizados dentro da camada ativa

NPs localizados fora das camadas ativas

Embora o aumento da absorção de luz em OSCs baseados em NP plasmônico seja observado, os NPs metálicos nus na camada ativa também induzem recombinação de carga e extinção de exciton perto da vizinhança da superfície do metal devido ao dipolo-dipolo e acoplamento de captura de carga [12, 30]. Conforme o tamanho aumenta, a recombinação da carga e a extinção do exciton se tornarão mais sérias [31, 32]. A fim de suprimir o efeito de extinção de excitons e captura de carga de NPs, três remédios podem ser introduzidos:revestir uma fina camada dielétrica em NPs metálicos [12, 30], formar NPs por ablação a laser em líquidos [33] e colocar NPs fora camada ativa [14, 28]. Conforme discutido na seção acima, quando NPs estão localizados fora das camadas ativas, as propriedades de espalhamento de NPs são críticas para a captura de luz. Portanto, a fração de luz espalhada sob a camada ativa, f _sub , é comparado entre os NPs com diâmetros diferentes, como mostrado na Fig. 3a. As tendências de f _sub aumentam conforme o tamanho das NPs aumenta, o que discorda das Ag NPs localizadas na superfície de Si conforme calculado na ref. [17]. Como pode ser visto na Fig. 3a, um mergulho evidente ocorre em ~ 550 nm, o que significa que uma grande quantidade de luz é espalhada para trás e é desperdiçada. No entanto, é difícil julgar as contribuições de espalhamento de NPs de tamanhos diferentes porque eles têm f diferentes _sub valores. Portanto, plotamos o total de Q _scat e Q _scat para luz espalhada no substrato, como mostrado na Fig. 3b. Conforme o tamanho aumenta, o Q total _scat de NPs de grande porte têm valores grandes que excedem os NPs de médio e pequeno porte em um espectro de banda larga. Os NPs de grande porte com grande dispersão Q _scat comportam-se como elementos de espalhamento de sub-comprimento de onda eficazes que acoplam e prendem a luz solar na camada fotoativa e, portanto, o caminho óptico é aprimorado [16].

a A fração de luz espalhada na camada ativa. b Seção transversal de espalhamento total (sólido), seção transversal para luz espalhada no substrato (linha tracejada), todos normalizados para seção transversal geométrica

O cátodo de Al nas OSCs não serve apenas como contato, mas também como espelho, prolongando o comprimento do caminho da luz em uma camada ativa. Portanto, investigamos ainda mais suas propriedades de espalhamento quando o cátodo de Al é apresentado. Na simulação, um Al 150 nm é colocado em contato com a camada ativa. A Figura 4 demonstra o f _sub de vários NPs. Como pode ser visto na Fig. 4a, f _sub são significativamente melhorados após a introdução do espelho de Al. No entanto, o Q _scat de NPs são ligeiramente influenciados, conforme demonstrado na Fig. 4b. Não importa se o espelho de Al é apresentado, os NPs de grande porte demonstram grandes seções transversais de espalhamento e uma grande quantidade de luz é espalhada nos substratos. Portanto, os NPs de grande porte são favorecidos quando os NPs estão localizados fora da camada ativa do ponto de simulação óptica.

a A fração de luz espalhada na camada ativa com a apresentação do cátodo de Al. b Seção transversal de espalhamento total (sólido) e seção transversal para luz espalhada no substrato (linha tracejada) com apresentação de cátodo de Al, todos normalizados para seções transversais geométricas

NPs localizados dentro das camadas ativas

Enquanto os NPs estão localizados na matriz da camada ativa, o espalhamento de campo distante e o aprimoramento de campo próximo influenciam os OSCs simultaneamente. Para NPs com tamanhos bem abaixo do comprimento de onda da luz no limite quase estático, a seção transversal de espalhamento / absorção pode ser interpretada pela Eq. 1 [15]:
$$ {\ sigma} _ {\ mathrm {sca}} =\ frac {1} {6 \ pi} {\ left (\ frac {2 \ pi} {\ lambda} \ right)} ^ 4 {\ left | {\ alpha} _ {\ mathrm {sp}} \ right |} ^ 2, \ cdot {\ sigma} _ {\ mathrm {abs}} =\ frac {2 \ pi} {\ lambda} \ mathit {\ operatorname {Im}} \ left [{\ alpha} _ {\ mathrm {sp}} \ right] $$ (1)
onde α _sp é a polarizabilidade da esfera:
$$ {\ alpha} _ {\ mathrm {s} \ mathrm {p}} =4 \ uppi {r} ^ 3 \ frac {\ varepsilon _ {\ mathrm {m}} - {\ varejpsilon} _ {\ mathrm { s}}} {\ varepsilon _ {\ mathrm {m}} + 2 {\ varepsilon} _ {\ mathrm {s}}} $$ (2)
onde o ε _m e ε _s são as permissividades do material circundante e da esfera, respectivamente. No caso em que NPs estão fora, o ambiente dielétrico circundante é complicado e pode ser calculado por aproximação em um ambiente homogêneo [15]. O Q _scat e Q _abs são plotados na Fig. 5a, b, respectivamente. A absorção domina para pequenos NPs embutidos na camada ativa com diâmetros na faixa de 5 a 10 nm. O campo próximo plasmônico é acoplado à camada ativa e, portanto, aumenta a seção transversal de absorção que melhora a dissociação do exciton. No entanto, Q _scat é muito menor do que NPs localizados fora da camada ativa. A eficiência de espalhamento, Q _sc , definido por Q _scat / ( Q _scat + Q _abs ), é mostrado na Fig. 5c para avaliar os domínios de dispersão ou absorção. Q _scat os valores de todos os NPs não são mais do que 0,5, sugerindo que a absorção domina de 300 a 700 nm. Portanto, as seções transversais de absorção aprimorada de NPs são críticas quando elas estão embutidas em uma matriz homogênea, ao invés de seções transversais de espalhamento como no caso externo. A Figura 6 demonstra espectros de absorção de camadas ativas acopladas com NPs. NPs pequenos têm óbvio aprimoramento de absorção, mas conforme o tamanho aumenta, o espectro de absorção se deteriora. Embora a absorção de luz possa ser aumentada pelo espalhamento de NPs de grande porte, o espalhamento aumentado não pode compensar a absorção diminuída, como ilustrado na Fig. 5a, b. Para consideração elétrica, aumentou Q _abs em NPs pequenos pode ser usado em OSCs para melhorar a dissociação de exciton enquanto NPs grandes dão origem à recombinação e extinção de exciton [25]. Conforme o tamanho aumenta, a recombinação da carga e a extinção do exciton se tornam mais sérias [31]. Portanto, NPs pequenos são preferidos quando eles estão cobertos na camada ativa.

Seção transversal de espalhamento normalizada ( a ), seção transversal de absorção ( b ) e eficiência de espalhamento ( c ) de NPs de tamanhos diferentes na camada ativa homogênea

Mapa de cores de absorção de NPs de tamanhos diferentes na camada ativa homogênea com cátodo de Al em contato com a camada ativa

Conclusões

Em conclusão, as habilidades de captura de luz de Ag NPs localizadas dentro e fora da camada ativa são investigadas. Quando os NPs estão localizados fora da camada ativa, a fração de luz espalhada na camada ativa é crucial. NPs de grande porte têm grandes seções transversais de espalhamento e uma grande quantidade de luz é preferencialmente espalhada sob a camada fotoativa. Por outro lado, uma seção transversal de absorção é essencial quando NPs estão embutidos na camada ativa homogênea. NPs de tamanho pequeno podem aumentar a absorção de luz de OSCs devido às suas grandes seções transversais de absorção. Acreditamos que os resultados de nosso estudo podem abrir caminho para dispositivos OSC de baixo custo, e esta abordagem pode ser aplicável a sistemas OSC com outros tipos de materiais ativos.

Abreviações

FDTD:: Domínio do tempo de diferença finita
ITO:: Óxido de índio estanho
LSPR:: Ressonância de plasmon de superfície localizada
NPs:: Nanopartículas
OSCs:: Células solares orgânicas
P3HT:: Poli (3-hexiltiofeno)
PCBM:: Éster metílico de ácido [6,6] -fenil-C61-butírico
PCE:: Eficiência de conversão de energia
PEDOT:PSS:: Poli (3,4-etilenodioxitiofeno):poli (sulfonato de estireno)
PML:: Camada perfeitamente combinada
PVs:: Fotovoltaica
TFSF:: Campo total de campo espalhado

Efeito da morfologia e estrutura cristalina na condutividade térmica dos nanotubos de Titânia Influência de nanopartículas de Ag com diferentes tamanhos e concentrações incorporadas em uma camada compacta de TiO2 na eficiência de conversão de células solares de perovskita

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias