Studi Perbandingan Elektroda Logam Berpola Nanolubang dan Nanopilar untuk Sel Surya Organik yang Ditingkatkan

Abstrak

Elektroda logam berpola (PME) adalah strategi yang terbukti untuk meningkatkan panen cahaya dalam sel surya organik tipis (OSC). Dua geometri PME dominan—array nanolubang dan nanopilar—telah diuji secara eksperimental, namun keunggulan relatifnya masih tidak jelas. Dalam karya ini, kami melakukan perbandingan teoretis komprehensif dari kedua arsitektur ini dalam lapisan aktif PSBTBT:PC₇₁BM. Dengan mengoptimalkan tinggi, periode, dan rasio pengisi dari setiap PME, kami menemukan bahwa kedua desain menghasilkan efisiensi penyerapan terintegrasi yang sama yaitu 82,4 % dalam rentang 350–850 nm—peningkatan 9,9 % dibandingkan referensi datar. Meski performa spektral yang serupa, mekanisme penangkap cahaya yang mendasarinya berbeda: PME nanolubang bergantung pada resonansi plasmon lokal (LPR) seperti dipol dan polariton permukaan plasmon (SPP) yang dilokalkan di puncak sekam, sedangkan PME nanopilar mengaktifkan mode analog pada puncak pilar sambil juga menarik SPP tambahan di dasar. Konfigurasi nanopilar menawarkan rasio pengisi sedang (≈30 %) dan jendela fabrikasi yang lebih maaf, menjadikannya pilihan praktis untuk OSC berkinerja tinggi.

Latar Belakang

Nanostruktur logam sub-panjang gelombang dapat secara drastis mengubah respons optik OSC, memungkinkan mode hibrid plasmonik-fotonik yang meningkatkan penyerapan dalam lapisan aktif ultratipis. Dua keluarga PME utama ada:

• PME nanolubang – rongga terisolasi dalam film logam kontinu; logam di sekitarnya dapat ditanam setelah mencetak lapisan aktif, menghasilkan kontak nanopilar pada permukaan organik.
• PME nanopilar – pilar logam terisolasi di atas film kontinu, dicapai dengan mencetak lapisan aktif dengan pilar dan kemudian mengavaporasi logam untuk menutupi mereka.

Kedua pendekatan meningkatkan properti optik, listrik, dan morfologis, namun perbandingan performa dan parameter desain optimal belum dieksplorasi secara sistematis. Studi ini mengisi kesenjangan itu.

Metode

Tumpukan OSC yang dipertimbangkan adalah ITO / PEDOT:PSS / PSBTBT:PC₇₁BM / Ag. Lapisan aktif (85 nm) menggunakan PSBTBT:PC₇₁BM untuk penyerapan yang luas (350–900 nm). Dua model perangkat dibuat:

• Perangkat A – PME nanolubang (periode = p_A, lebar = D_A, tinggi = h_A).
• Perangkat B – PME nanopilar (periode = p_B, lebar = D_B, tinggi = h_B).

Simulasi Domain Waktu Hinggir (FDTD) dilakukan dengan batas periodik sepanjang x dan y, lapisan cocok yang sempurna di atas dan bawah, dan penerangan TM/TE dari sisi ITO. Konstanta optik bahan diambil dari literatur. Efisiensi penyerapan (η) dan efisiensi penyerapan terintegrasi (η_I) selama 350–850 nm (diberobatkan AM1.5G) diekstrak untuk setiap geometri.

Hasil dan Pembahasan

Geometri optimal

• Perangkat A (nanolubang) – h_A = 45 nm, f_A = 0,10 (D_A = 35 nm, p = 350 nm).
• Perangkat B (nanopilar) – h_B = 65 nm, f_B = 0,30 (D_B = 105 nm, p = 350 nm).

Kedua konfigurasi mencapai η_I = 82,4 % (≈ 9,9 % lebih tinggi dari kontrol datar, 75,0 %). Perangkat B menawarkan rasio pengisi sedang yang memberikan toleransi desain yang lebih besar dan pencetakan nano yang lebih mudah dibandingkan struktur dangkal dan padat Perangkat A.

Analisis spektral

• Perangkat B secara konsisten unggul dari referensi datar di seluruh spektrum.
• Perangkat A menunjukkan penurunan sekitar 650 nm tetapi menanggulanginya dengan penyerapan yang lebih kuat di bawah 550 nm, menghasilkan η_I yang sama.
• Kedua perangkat menunjukkan lima peningkatan utama (λ_1–5) di mana perubahan penyerapan relatif Δη mencapai 219–222 % di tepi band (~830 nm).

Wawasan distribusi medan

• Pada λ₁ dan λ₂, LPR seperti dipol coexist dengan SPP yang terjebak di puncak logam yang meluncur, hibridisasi untuk mengonsentrasikan cahaya dalam lapisan aktif.
• Puncak panjang gelombang pendek (λ < 600 nm) timbul dari berbagai mode SPP yang diaktifkan di dasar PME, menghasilkan peningkatan luas dengan beberapa puncak sekunder.
• Variasi periode menunjukkan bahwa 350 nm secara optimal mencopel resonansi lokal dengan mode permukaan bengkok, memaksimalkan η_I sambil mempertahankan performa tidak tergantung sudut untuk polarisasi TM dan TE.

Kesimpulan

Perbandingan sistematis ini menunjukkan bahwa baik elektroda logam berpola nanolubang maupun nanopilar dapat meningkatkan penyerapan OSC hampir 10 % sambil mempertahankan transportasi pembawa muatan. Efisiensi penyerapan terintegrasi 82,4 % dicetak dengan ketebalan lapisan aktif yang sama dengan kontrol datar, menunjukkan penalti materi yang minimal. Perangkat B (nanopilar) direkomendasikan untuk implementasi praktis karena fabrikasi yang lebih mudah dan toleransi desain yang kuat. Studi ini menyoroti peran krusial resonansi hibrid plasmonik-fotonik dalam penangkap cahaya dan menyediakan pedoman desain untuk OSC generasi mendatang yang berkinerja tinggi.