Desenho de Estratégias de Nanopartículas Plasmonicas para Desempenho Aprimorado de Células Solares Orgânicas

Resumo

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

Introdução

Células solares orgânicas (OSCs) são candidatas ideais para substituir células solares inorgânicas mainstream para fotovoltaicos (PVs) custo-efetivos devido a vantagens das OSCs incluindo leve, baixo custo, processo de fabricação de baixa temperatura, semi-transparência e flexibilidade mecânica. Progresso recente de OSCs demonstrou mais de 10% eficiência de conversão de potência (PCE) baseada em dispositivos de junção única, colocando-os em competição direta com contrapartes Si e GaAs. OSCs de junção única terrestres atingiram eficiência de 11,2 ± 0,3 medida sob espectro AM1.5 global (1000 W/m²) a 25 °C. Um polímero permite célula solar tandem processada em solução com 10,6% PCE certificado sob condições padrão de teste. Novo doador polimérico (PBDB-T-SF) e novo aceitador de molécula pequena (IT-4F) para OSCs livres de fulereno foram desenhados e sintetizados, resultando em PCE de 13,1%. Células solares orgânicas ternárias oferecendo PCE de 14% foram reportadas. Embora a eficiência tenha superado 10%, o mercado em escala total não está maduro para competir com células solares Si. O desafio chave em OSCs reside em aumentar eficiência acima de 10% sob processo de fabricação industrial. Devido à mobilidade intrinsecamente baixa de portadores de carga e propriedades de difusão de éxcitons de moléculas orgânicas, a espessura de OSCs é limitada e assim restringe a absorção de luz de OSCs. Para contornar o trade-off entre absorção de luz e coleta de portadores, durante décadas passadas, muitos esquemas de captura de luz foram propostos, como célula solar de pontos quânticos, célula solar de nanofios e célula solar plasmonica. Células solares plasmonicas fornecem maneira prática de aumentar colheita de luz de células solares mantendo sua eficiência de coleta de portadores. Nanopartículas metálicas nobres (NPs) incorporadas em células solares podem melhorar eficiência criando campo próximo altamente concentrado, aumentando comprimento de caminho via espalhamento de campo distante e acoplamento de guia de onda. Por exemplo, simulações prévias em células solares inorgânicas plasmonicamente melhoradas adotaram camadas ativas de 10-100 nm de espessura para demonstrações de prova de conceito.

No processo de desenho mainstream de OSCs, NPs metálicas plasmonicas são localizadas fora/dentro das camadas ativas. Incorporar NPs metálicas em camadas ativas de OSCs explora o campo fortemente confinado da ressonância de plasmon de superfície localizada (LSPR) e espalhamento de luz mais eficiente dentro das camadas ativas enquanto introduzir NPs metálicas fora da(s) camada(s) ativa(s) pode ser realizado acoplando NPs em óxido de índio-estanho (ITO) ou dentro de camada tampão poli(3,4-etilenodioxitiofeno): poli(estireno sulfonato) (PEDOT:PSS). No entanto, não há comparação para distinguir a influência de NPs plasmonicas quando introduzidas nestas duas estruturas. Neste artigo, comparamos habilidades de captura de luz das NPs quando colocadas dentro e fora das camadas ativas. Nosso trabalho fornece princípio de desenho para OSCs plasmonicamente melhoradas por NPs.

Métodos

Todas as simulações foram realizadas usando método de diferenças finitas no domínio do tempo (FDTD) resolvendo equações de Maxwell. Durante simulações de seção transversal de espalhamento, fonte de campo total campo espalhado (TFSF) no comprimento de onda variando de 300 a 700 nm foi injetada em caixa contendo as NPs. Aqui, escolhemos Ag na simulação porque sua ressonância plasmonica é bem ajustada aos espectros de absorção de P3HT:PCBM. Material catodo Al foi tomado de ref. [21]. Índice de refração complexo (n, k) de ITO e Ag foram ajustados de refs. [21, 22], respectivamente. O n e k de PEDOT:PSS e mistura de poli(3-hexiltiofeno) (P3HT) e [6,6]-fenil-C61-ácido butírico éster metílico (PCBM) foram ajustados de refs. [23, 24], respectivamente, como replotados na Fig. 1a, b. As espessuras de ITO, PEDOT:PSS e P3HT:PCBM são 100, 40 e 200 nm, respectivamente. Em nossa simulação, escolhemos PEDOT:PSS como camada tampão e P3HT:PCBM como camada ativa. As seções transversais de espalhamento/absorção normalizadas, Q_scat/Q_abs, são definidas por seção transversal de espalhamento/absorção dividida por seção transversal geométrica de NPs. A fração de luz espalhada no substrato, f_sub, é definida como potência espalhada em direção ao substrato dividida por potência total espalhada. Para NPs de Ag, configurações de malha sobrescritas dx = dy = dz = 0,1, 0,5 e 1 nm foram escolhidas para NPs de pequeno (5, 10 nm), médio (20, 40 nm) e grande (60, 80 nm) tamanho, respectivamente, enquanto método de geração automática de malha foi usado em outras regiões de simulação. Definimos NPs de pequeno (5, 10 nm), médio (20, 40 nm) e grande (60, 80 nm) tamanho baseados em trabalho experimental publicado. Diminuímos tamanho de malha e definimos parâmetros de camada perfeitamente combinada (PML) até que resultados convergissem.

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

Resultados e Discussão

Como mostrado na Fig. 2a, b, as arquiteturas correspondem ao caso quando NPs de Ag estão localizadas dentro ou fora da camada ativa. No processo de fabricação prático, espessura da camada PEDOT:PSS é ~50 nm e camada ativa é ~200 nm. Em nossa simulação, estas duas camadas são definidas como 40 e 200 nm, respectivamente. Para NPs localizadas dentro da camada ativa, não afeta o resultado calculado quando NPs estão em material homogêneo. Para NPs localizadas fora da camada ativa, embora muitas publicações usem NPs incorporadas em PEDOT:PSS totalmente, há algumas publicações usam NPs grandes além da espessura da camada PEDOT:PSS. Portanto, é aplicável em 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 óbvia. De acordo com teoria de aproximação para cálculo de seção transversal de absorção e espalhamento, as diferenças nas seções transversais 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 de efeitos plasmonicos de NPs para captura de luz também é ilustrado nas estruturas. Requisitos de habilidade de captura de luz são diferentes entre as duas estruturas. Na Fig. 2a, como NPs estão localizadas fora da camada orgânica ativa, o realce de campo próximo tem impacto limitado na melhoria de absorção porque apenas campo próximo na base de NPs contribui para melhoria de absorção. Além disso, conforme diâmetro aumenta, campo próximo de NPs grandes penetra distância maior, afastando-se da superfície das NPs. Conforme diâmetro aumenta, efeito de espalhamento se tornará mais forte de acordo com teoria de Mie. Portanto, é desnecessário considerar realce de campo próximo quando NPs estão localizadas fora da camada ativa. No entanto, NPs nas camadas ativas beneficiam-se de realce de campo próximo, aumentando sua seção transversal de absorção efetiva e assim dissociação de éxcitons, como mostrado na Fig. 2b.

Ilustração esquemática de captura de luz através de espalhamento e realce de campo local em a NPs localizadas fora da camada ativa e b NPs localizadas dentro da camada ativa

NPs Localizadas Fora das Camadas Ativas

Embora melhoria de absorção de luz em OSCs baseadas em NPs plasmonicas seja observada, NPs metálicas nuas na camada ativa também induzem recombinação de carga e quenching de éxcitons perto da vizinhança da superfície metálica devido a acoplamento dipolo-dipolo e armadilha de carga. Conforme tamanho aumenta, recombinação de carga e quenching de éxcitons tornar-se-ão mais sérios. Para suprimir quenching de éxcitons e efeito de armadilha de carga de NPs, três remédios podem ser introduzidos: revestir camada dielétrica fina em NPs metálicas, formar NPs por ablação a laser em líquidos, e colocar NPs fora da camada ativa. Como discutido na seção acima, quando NPs estão localizadas fora das camadas ativas, as propriedades de espalhamento de NPs são críticas para captura de luz. Portanto, a fração de luz espalhada sob a camada ativa, f_sub, é comparada entre NPs com diferentes diâmetros como mostrado na Fig. 3a. As tendências de f_sub aumentam conforme tamanho de NPs aumenta, o que discorda com NPs de Ag localizadas em superfície Si como calculado em ref. [17]. Como pode ser visto na Fig. 3a, um mergulho evidente ocorre em ~550 nm, significando grande quantidade de luz espalhada para trás e desperdiçada. No entanto, é difícil julgar contribuições de espalhamento de NPs de diferentes tamanhos porque eles têm diferentes valores f_sub. Portanto, plotamos o total Q_scat e Q_scat para luz espalhada no substrato, como mostrado na Fig. 3b. Conforme tamanho aumenta, o total Q_scat de NPs de grande tamanho têm valores grandes que excedem o de NPs de médio e pequeno tamanho dentro de espectro de banda larga. NPs de grande tamanho com grande Q_scat de espalhamento comportam-se como elementos de espalhamento subcomprimento de onda efetivos que acoplam e capturam luz solar na camada fotoativa e assim o comprimento de caminho óptico é aprimorado.

a Fração de luz espalhada na camada ativa. b Seção transversal total de espalhamento (sólida), seção transversal para luz espalhada no substrato (linha tracejada), todas normalizadas à seção transversal geométrica

Cátodo Al em OSCs não apenas serve como contato mas também atua como espelho, prolongando comprimento de caminho da luz em camada ativa. Portanto, investigamosさらに suas propriedades de espalhamento quando cátodo Al é apresentado. Na simulação, Al de 150 nm é contatado com camada ativa. Figura 4 demonstra f_sub de várias NPs. Como pode ser visto na Fig. 4a, f_sub são significativamente melhorados após introduzir espelho Al. No entanto, Q_scat de NPs são ligeiramente influenciados, como demonstrado na Fig. 4b. Não importa se espelho Al é apresentado, NPs de grande tamanho demonstram grandes seções transversais de espalhamento e grande quantidade de luz é espalhada nos substratos. Portanto, NPs de grande tamanho são favorecidas quando NPs estão localizadas fora da camada ativa do ponto de vista de simulação óptica.

a Fração de luz espalhada na camada ativa com cátodo Al presente. b Seção transversal total de espalhamento (sólida) e seção transversal para luz espalhada no substrato (linha tracejada) com cátodo Al presente, todas normalizadas a seções transversais geométricas

NPs Localizadas Dentro das Camadas Ativas

Enquanto NPs estão localizadas na matriz da camada ativa, espalhamento de campo distante e realce de campo próximo influenciam OSCs simultaneamente. Para NPs com tamanhos bem abaixo do comprimento de onda da luz no limite quasi-estático, a seção transversal de espalhamento/absorção pode ser interpretada pela Eq. 1:

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

onde α_sp é a polarizabilidade da esfera:

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

onde ε_m e ε_s são as permitividades do material circundante e da esfera, respectivamente. No caso quando NPs estão fora, o ambiente dielétrico circundante é complicado e pode ser calculado por aproximação em ambiente homogêneo. O Q_scat e Q_abs são plotados na Fig. 5a, b, respectivamente. Absorção domina para NPs pequenos incorporados na camada ativa com diâmetros na faixa 5 a 10 nm. O campo próximo plasmonico é acoplado à camada ativa e assim aumenta a seção transversal de absorção que melhora dissociação de éxcitons. No entanto, Q_scat é muito menor que o de NPs localizadas fora da camada ativa. A eficiência de espalhamento, Q_sc, definida por Q_scat/(Q_scat + Q_abs), é mostrada na Fig. 5c para avaliar se espalhamento ou absorção domina. Valores Q_scat de todas NPs não são mais que 0,5, sugerindo absorção domina de 300 a 700 nm. Portanto, seções transversais de absorção aprimoradas de NPs são críticas quando estão incorporadas em matriz homogênea, em vez de seções transversais de espalhamento como no caso fora. Figura 6 demonstra espectros de absorção de camadas ativas acopladas com NPs. NPs pequenos têm melhoria de absorção óbvia, mas conforme tamanho aumenta, os espectros de absorção deterioram. Embora absorção de luz possa ser aumentada por espalhamento de NPs de grande tamanho, espalhamento aumentado não pode compensar absorção diminuída, como ilustrado na Fig. 5a, b. Para consideração elétrica, Q_abs aumentado em NPs pequenos pode ser usado em OSCs para melhorar dissociação de éxcitons enquanto NPs grandes dão origem a recombinação e quenching de éxcitons. Conforme tamanho aumenta, recombinação de carga e quenching de éxcitons tornar-se-ão mais sérios. Portanto, NPs pequenos são preferidos quando cobertos na camada ativa.

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

Mapa de cores de absorção de NPs de diferentes tamanhos na camada ativa homogênea com cátodo Al contatado com camada ativa

Conclusões

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

Abreviações

FDTD:

Diferenças finitas no domínio do tempo

ITO:

Óxido de índio-estanho

LSPR:

Ressonância de plasmon de superfície localizada

NPs:

Nanopartículas

OSCs:

Células solares orgânicas

P3HT:

Poli(3-hexiltiofeno)

PCBM:

[6,6]-Fenil-C61-ácido butírico éster metílico

PCE:

Eficiência de conversão de potência

PEDOT:PSS:

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

PML:

Camada perfeitamente combinada

PVs:

Fotovoltaicos

TFSF:

Campo total campo espalhado