Perbandingan Elektroda Logam Berpola Jenis Nanohole dan Jenis Nanopillar yang Digabungkan dalam Sel Surya Organik

Peta efisiensi penyerapan terintegrasi di lapisan aktif (η _Saya ) versus pengisian dan tinggi pola yang tersusun di Perangkat A (a ) dan Perangkat B (b ) ketika p _A (atau p _B ) = 350 nm. Pada titik yang dilambangkan A (dengan f _A = 0.1 dan h _A = 45 nm) dan titik B (dengan f _B = 0,3 dan h _B = 65 nm), Perangkat A dan Perangkat B, masing-masing, menghasilkan η . yang optimal _Saya . Kurva putus-putus mewakili garis kontur efisiensi penyerapan terintegrasi yang sama dengan kontrol planar

Juga diperhatikan bahwa kisi di Perangkat A yang dioptimalkan sedikit lebih dangkal daripada di Perangkat B yang dioptimalkan. Telah diketahui dengan baik bahwa dengan peningkatan tinggi kisi, mode plasmonik bisa menjadi lebih kuat. Namun, itu juga membawa ke depan penurunan volume bahan aktif. Kombinasi kedua faktor ini menghasilkan ketinggian kisi yang optimal saat η _Saya dimaksimalkan. Namun, karena luas penampang logam menonjol di xy bidang untuk Perangkat A yang dioptimalkan sekitar empat kali lebih besar daripada untuk Perangkat B yang dioptimalkan, meningkatkan tinggi kisi dengan ukuran yang sama dapat menyebabkan pengurangan yang jauh lebih besar dalam volume bahan aktif di Perangkat A daripada di Perangkat B. Ini mungkin menjadi alasan bahwa ketinggian optimal untuk Perangkat A lebih kecil daripada untuk Perangkat B. Perhitungan kami juga menunjukkan bahwa ketika tinggi kisi Perangkat A yang dioptimalkan meningkat menjadi 65 nm, penyerapan pada rentang panjang gelombang pendek (< 600 nm) meluruh jelas (tidak ditampilkan) karena pengurangan nyata dalam volume bahan aktif, sedangkan, untuk Perangkat B, penurunan h _B dari 65 hingga 45 nm menghasilkan degradasi yang dapat diabaikan dalam penyerapan selama rentang panjang gelombang yang diselidiki karena perubahan volume bahan aktif sangat kecil.

Gambar 3a, b masing-masing menunjukkan spektrum serapan Perangkat A dan Perangkat B yang optimal. Sebagai perbandingan, spektrum penyerapan perangkat kontrol juga diplot oleh garis putus-putus. Terlihat pada Gambar 3b bahwa efisiensi penyerapan (η ) dari Perangkat B lebih besar daripada kontrol pada seluruh rentang panjang gelombang. Namun untuk Perangkat A seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3a, terjadi penurunan penyerapan pada rentang panjang gelombang sekitar 650 nm; alasan efisiensi penyerapan terintegrasi setinggi Perangkat B adalah karena penyerapan yang relatif lebih besar pada rentang panjang gelombang yang lebih pendek dari 550 nm. Untuk menjelaskan asal-usul fisik dari peningkatan penyerapan yang diamati, kami menghitung perubahan penyerapan relatif untuk dua perangkat yang dioptimalkan di atas perangkat kontrol (∆η ) (η /η _kontrol  1) pada rentang panjang gelombang yang diselidiki seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3c, d. Sekali lagi, spektrum faktor peningkatan penyerapan untuk dua perangkat yang dioptimalkan menunjukkan kesamaan satu sama lain.

a Spektrum serapan pada lapisan aktif (padat) untuk Perangkat A (a ) dan Perangkat B (b ) sehubungan dengan kontrol planar (putus-putus). Spektrum perubahan absorpsi relatif untuk Perangkat A (c ) dan Perangkat B (d ). Lima puncak peningkatan diberi label di c dengan λ _1A = 830 nm, λ _2A = 724 nm, λ _3A = 470 nm, λ _4A = 440 nm, dan λ _5A = 416 nm, dan lima lainnya diberi label dalam d dengan λ _1B = 832 nm, λ _2B = 720 nm, λ _3B = 510 nm, λ _4B = 498 nm, dan λ _5M = 468 nm. Perangkat A dan Perangkat B adalah perangkat yang menghasilkan η . yang optimal _Saya pada Gambar. 2

Di tepi pita serapan bahan aktif, ada puncak peningkatan yang jelas dengan η jauh lebih besar dari 1 [yaitu, λ _1A = 832 nm (atau λ _1B = 830 nm) dengan η = 222% (atau 219%) seperti yang diberi label]. Ketika panjang gelombang menjadi lebih pendek, ada puncak peningkatan kecil lainnya [yaitu, λ _2A = 720 nm (atau λ _2B = 724 nm) dengan η = 4% (atau 10%) seperti yang diberi label]. Gambar 4a, b menunjukkan peta distribusi listrik dan magnet (di bawah polarisasi TM) pada penampang yang berbeda di λ _1A dan λ _2A , masing-masing. Dari peta |E | di z = h _A (subplot i pada Gambar. 4a, b), terlihat jelas bahwa resonansi plasmon terlokalisasi (LPR) seperti dipol tereksitasi sepanjang y -sumbu di λ _1A dan di sepanjang x -sumbu di λ _2A , masing-masing. Meskipun polarisasi insiden berada di sepanjang x -sumbu, kita menyaksikan bahwa LPR seperti dipol di λ _1A terpolarisasi sepanjang y -sumbu karena struktur 3D seperti itu dapat menghamburkan medan listrik ke arah y -sumbu. Dari peta |H | di y = p _A /2 (subplot iii pada Gambar. 4a, b), kita melihat bahwa polariton plasmon permukaan (SPP) yang merambat tereksitasi pada antarmuka logam/dielektrik pada bidang z = h _A , terperangkap di atas punggungan logam yang menonjol karena pantulan dari batas lubang nano. Namun, mode terjebak |H | resonansi pada kedua puncak ini memiliki orde yang berbeda. Terlihat di λ _1A , |H | bidang di z = h _A (subplot ii pada Gambar. 4a) memiliki dua node (dengan amplitudo minimum) di sepanjang x -sumbu dan satu simpul di sepanjang y -sumbu, sedangkan di λ _2A , hanya ada satu simpul di sepanjang x- dan y -sumbu (subplot ii pada Gambar. 4b). Dipengaruhi dari SPP yang menyebar, |E | di λ _1A pameran membelah di sekitar tepi lubang nano di x = 0, yang terdistorsi dari profil seperti dipol standar. Hal ini dicatat di λ _2A , |E | di dalam lubang nano cukup kuat karena eksitasi propagasi SPP pada antarmuka logam/dielektrik pada bidang z = 0 (yaitu, bagian bawah lubang nano) menampilkan pola interferensi konstruktif |E | di lapisan aktif (tidak ditampilkan). Untuk Perangkat B, peta distribusi listrik dan magnetik di bawah polarisasi TM pada penampang yang berbeda di λ _1B dan λ _2B juga ditampilkan pada Gambar. 4c, d, masing-masing. Hal ini terlihat dari |E | peta di z = h _B itu (subplot dari i pada Gambar. 4c, d), baik untuk λ _1B atau λ _2B , LPR seperti dipol tereksitasi sepanjang x -sumbu, tetapi ada titik terang tambahan yang berpusat di (x = 0, y = ± p _B /2) berlangsung di λ _2B . Alasan munculnya titik terang tambahan |E | di λ _2B mirip dengan yang kuat |E | di dalam lubang nano di λ _2A . Di sini, SPP yang merambat tereksitasi di bagian bawah nanopilar (pada bidang z = 0) dapat disaksikan di |H | peta di y = p _B /2 (subplot iii pada Gbr. 4c, d), menghasilkan simpul interferensi |H | dengan amplitudo minimum (yaitu, daerah interferensi konstruktif |E |) jarak tertentu dari dasar lubang nano. Pola interferensi konstruktif |E | ditampilkan sebagai titik terang saat diamati pada bidang z = h _B dan z = ± p _B /2 (tidak ditampilkan) di puncak λ _2B . Berbeda, di λ _1B , SPP yang merambat sangat terperangkap di bidang z = 0 dengan dua simpul terbentuk di sepanjang x -sumbu (seperti yang ditunjukkan pada |H | peta di y = p _B /2 pada Gambar. 4c), yang digabungkan secara kuat dengan propagasi SPP yang tereksitasi di permukaan atas nanopilar logam (seperti yang ditunjukkan pada |H | peta di z = h _B ) (subplot ii pada Gbr. 4c, d). Meskipun SPP yang menyebar juga tereksitasi di permukaan atas nanopilar logam di λ _2B , amplitudonya jauh lebih rendah dibandingkan dengan di λ _1B di bidang z = 0. Singkatnya, pada dua puncak yang diselidiki sebelumnya untuk Perangkat A dan dua puncak untuk Perangkat B, hibridisasi antara LPR seperti dipol dan propagasi SPP bertanggung jawab untuk menjebak cahaya ke dalam perangkat OSC.

Peta lapangan di bawah polarisasi TM pada penampang yang berbeda di puncak λ _1A (a ), λ _2A (b ), λ _1B (c ), dan λ _2B (d ). Baris pertama |E | di z = h _A atau h _B , baris tengah |H | di z = h _A atau h _B , dan baris bawah |H | di y = p _A /2 atau p _B /2. Puncaknya seperti yang dilabeli pada Gambar. 3

Dari spektrum peningkatan seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3c, d, terlihat bahwa, pada rentang panjang gelombang yang lebih pendek dari 600 nm, ada tonjolan peningkatan yang luas dengan beberapa puncak yang terjadi. Jika periodisitas pola PME menurun, beberapa puncak menghilang sementara hanya tonjolan peningkatan luas yang tersisa. Jadi, sebelum melihat distribusi medan pada puncak serapan pada rentang panjang gelombang pendek, pengaruh periodisitas pola PME (p _A atau p _B ) pada kinerja penyerapan dilakukan, dengan tinggi kisi dan rasio pengisian PME untuk Perangkat A (atau Perangkat B) sama dengan desain optimal yang sesuai. Gambar 5a, b masing-masing menunjukkan spektrum serapan pada periodisitas yang disetel untuk Perangkat A dan Perangkat B. Ditemukan bahwa, untuk setiap perangkat, beberapa pita penyerapan lurus yang tidak sensitif terhadap momentum kisi dihasilkan karena mode resonansi lokal (misalnya, hibridisasi antara LPR seperti dipol dan propagasi SPP seperti yang disajikan dalam makalah ini). Itulah asal mula puncak peningkatan luas yang diamati pada panjang gelombang lebih pendek dari 600 nm. Pada saat yang sama, ada juga beberapa pita serapan bengkok yang sensitif terhadap momentum kisi yang terbentuk terutama ketika periodisitasnya menjadi besar. Masuk akal bahwa pita serapan bengkok ini dihasilkan karena pencocokan fase antara konstanta propagasi mode SPP dan vektor timbal balik dari kisi 2D (di sini, tidak ada momentum dalam bidang foton kejadian pada kejadian normal). Semakin panjang panjang gelombang datang, semakin kecil konstanta propagasi dari mode SPP tertentu, dengan demikian semakin besar periode kisi untuk menghasilkan vektor timbal balik yang lebih kecil untuk pencocokan fase. Ketika pita serapan bengkok melintasi pita lurus, pemisahan mode terjadi, menyebabkan tonjolan peningkatan yang luas dengan beberapa puncak. Efisiensi penyerapan terintegrasi optimal pada p _A (atau p _B ) = 350 nm ketika mode resonansi lokal dihibridisasi dengan mode permukaan bengkok hanya pada rentang panjang gelombang pendek untuk Perangkat A (atau Perangkat B) seperti yang ditunjukkan pada Gbr. 5c (atau Gbr. 5d). Pada insiden di luar normal, mode permukaan bergeser dengan sudut datang untuk memenuhi kondisi pencocokan fase (tidak ditampilkan), meskipun penelitian kami mencerminkan bahwa efisiensi penyerapan terintegrasi di bawah polarisasi TM atau TE hampir tidak peka terhadap sudut untuk kedua perangkat sebagai ditunjukkan pada Gambar. 5e, f.

a , b Spektrum serapan ketika periodisitas pola PME disetel pada kejadian normal untuk Perangkat A (a ) dan Perangkat B (b ). Efisiensi penyerapan terintegrasi di lapisan aktif (η _Saya ) versus periodisitas untuk Perangkat A (c ) dan Perangkat B (d ) dengan garis putus-putus mewakili η _Saya untuk perangkat kontrol. η _Saya versus sudut datang θ pada polarisasi TM atau TE untuk Perangkat A yang optimal (e ) dan Perangkat B (f )

Di sini, kami menyelidiki distribusi lapangan dari tiga puncak peningkatan yang dipilih pada rentang panjang gelombang pendek untuk setiap perangkat, yaitu, λ _3A = 470 nm, λ _4A = 440 nm, dan λ _5A = 416 nm seperti yang diberi label pada Gambar. 3c dan λ _3B = 510 nm, λ _4B = 498 nm, dan λ _5M = 468 nm seperti yang diberi label pada Gambar. 3d. Gambar 6a menampilkan peta lapangan (di bawah polarisasi TM) pada penampang yang berbeda di tiga puncak untuk Perangkat A yang optimal. Terlihat bahwa kesamaan peta pada puncak yang berbeda terletak pada LPR seperti dipol (seperti yang ditunjukkan dari | E | peta di z = h _A ) (subplot i–iii pada Gambar. 6a) serta penyebaran SPP yang terperangkap di permukaan punggungan logam yang menonjol (seperti yang terlihat dari |H | peta di z = h _A ) (subplot iv–vi pada Gambar 6a). Di sini, kita melihat bahwa SPP yang merambat di permukaan punggungan logam hanya memiliki satu simpul di sepanjang x -sumbu tetapi tidak ada simpul di sepanjang y -sumbu di λ _3A , λ _4A , dan λ _5A , yang berbeda dari kasus di λ _1A dan λ _2A . Perbedaan antara resonansi di λ _3A , λ _4A , dan λ _5A dapat ditemukan dengan jelas di |H | peta di z = 0 (subplot vii–ix pada Gambar 6a). Amplop dari SPP yang menyebar di bagian bawah lubang nano (z = 0) tampak seperti cincin di λ _3A , sedangkan batang elips dengan sumbu panjangnya diarahkan sepanjang y -sumbu di λ _5A dan sebuah cincin ditambah dua batang elips dengan sumbu panjang di sepanjang y -sumbu di λ _4A . Gambar 6b ​​menampilkan peta lapangan (di bawah polarisasi TM) pada penampang yang berbeda di λ _3B , λ _4B , dan λ _5M untuk Perangkat B yang optimal. Pada semua puncak, LPR seperti dipol tereksitasi di permukaan atas nanopilar logam seperti yang ditunjukkan pada |E | peta di z = h _B (subplot i–iii pada Gambar 6b). Selain itu, SPP yang menyebar di permukaan atas nanopilar logam (seperti yang ditunjukkan pada |H | peta di z = h _B ) (subplot iv–vi pada Gambar. 6b) serupa di λ _3B , λ _4B , dan λ _5M . Selain titik terang di dalam nanopilar, ada juga cincin terang yang dihasilkan pada batas nanopilar di λ _3B , λ _4B , dan λ _5M , yang berbeda dari kasus di λ _1B dan λ _2B . Mirip dengan Perangkat A, perbedaan di antara puncak λ _3B , λ _4B , dan λ _5M untuk Perangkat B juga terletak pada amplop SPP yang merambat pada antarmuka logam/dielektrik pada bidang z = 0 (subplot vii–ix pada Gambar. 6b). Untuk kedua perangkat, eksitasi dari beragam mode SPP propagasi di bagian bawah PME yang menyebabkan peningkatan luas pada rentang panjang gelombang pendek yang ditumpangkan dengan beberapa puncak kecil.

Peta lapangan di bawah polarisasi TM pada penampang yang berbeda di puncak λ _3A , λ _4A , dan λ _5A (a ) dan λ _3B , λ _4B , dan λ _5M (b ). Baris pertama |E | di z = h _A atau h _B , baris tengah |H | di z = h _A atau h _B , dan baris bawah |H | di z = 0. Puncak-puncaknya seperti yang diberi label pada Gambar. 3