Prinsip Desain untuk Sel Surya Organik yang Ditingkatkan Plasmon Nanopartikel
Abstrak
Nanopartikel logam plasmonik digabungkan ke sel surya organik untuk mengatasi pertukaran antara penyerapan cahaya dan koleksi pembawa. Mereka biasanya terletak di dalam atau di luar lapisan aktif. Namun, tidak ada perbandingan rinci yang dilaporkan tentang perbedaan penyerapan cahaya ketika nanopartikel terletak di dalam atau di luar lapisan aktif. Dalam makalah ini, kami membandingkan kemampuan penangkap cahaya Ag nanospheres dalam sel surya organik ketika mereka berada di dalam dan di luar lapisan fotoaktif. Kami menunjukkan bahwa nanopartikel berukuran besar lebih disukai ketika ditempatkan di luar lapisan aktif sementara nanopartikel berukuran kecil lebih disukai dalam hal menyematkan nanopartikel dalam lapisan aktif yang homogen.
Latar Belakang
Sel surya organik (OSC) adalah kandidat ideal untuk menggantikan sel surya anorganik arus utama untuk mencapai fotovoltaik (PV) yang hemat biaya karena keunggulan OSC termasuk proses fabrikasi yang ringan, biaya rendah, suhu rendah, semi-transparan, dan fleksibilitas mekanis. 1, 2]. Kemajuan terbaru dari OSC telah menunjukkan lebih dari 10% efisiensi konversi daya (PCE) berdasarkan perangkat sambungan tunggal, yang menempatkan mereka dalam persaingan langsung dengan rekan-rekan Si dan GaAs mereka. OSC terestrial persimpangan tunggal mencapai efisiensi 11,2 ± 0,3 yang diukur di bawah spektrum AM1.5 global (1000 W/m
2
) pada 25 °C [2]. Polimer memungkinkan sel surya tandem yang diproses dengan solusi dengan efisiensi konversi daya 10,6% bersertifikat di bawah kondisi pengujian standar [3]. Donor polimer baru (PBDB-T-SF) dan akseptor molekul kecil baru (IT-4F) untuk OSC bebas fullerene dirancang dan disintesis, menghasilkan PCE 13,1% [4]. Sel surya organik terner menawarkan PCE 14% dilaporkan [5]. Meskipun efisiensinya telah pecah hingga 10%, pasar skala keseluruhan belum matang untuk bersaing dengan sel surya Si. Tantangan utama dalam OSC terletak pada peningkatan efisiensi di atas 10% di bawah proses fabrikasi industri. Karena mobilitas pembawa muatan rendah intrinsik dan sifat difusi eksiton dari molekul organik, ketebalan OSC terbatas dan dengan demikian membatasi penyerapan cahaya OSC. Untuk menghindari trade-off antara penyerapan cahaya dan pengumpulan pembawa, selama dekade terakhir, banyak skema perangkap cahaya telah diusulkan, seperti sel surya quantum dot [6,7,8,9], sel surya nanowire [10, 11] , dan sel surya plasmonik [6, 12, 13]. Sel surya plasmonik menyediakan cara praktis untuk meningkatkan pemanenan cahaya sel surya sambil mempertahankan efisiensi pengumpulan pembawanya [14]. Nanopartikel logam mulia (NP) yang tergabung dalam sel surya dapat meningkatkan efisiensi dengan menciptakan medan dekat yang sangat terkonsentrasi, meningkatkan panjang jalur melalui hamburan medan jauh dan kopling pandu gelombang [15]. Misalnya, simulasi sebelumnya pada sel surya anorganik yang disempurnakan dengan plasmon telah mengadopsi lapisan aktif setebal 10-100 nm untuk demonstrasi pembuktian konsep [12, 16,17,18].
Dalam proses desain OSC arus utama, NP logam plasmonik terletak di luar/di dalam lapisan aktif. Menanamkan NP logam dalam lapisan aktif OSC mengeksploitasi bidang yang sangat terbatas dari resonansi plasmon permukaan lokal (LSPR) dan hamburan cahaya yang lebih efisien di dalam lapisan aktif sambil memasukkan NP logam di luar lapisan aktif dapat dicapai dengan menggabungkan NP pada indium timah oksida (ITO) atau di dalam lapisan penyangga poli(3,4-etilendioksitiofena):poli (stirena sulfonat) (PEDOT:PSS). Namun, tidak ada perbandingan untuk membedakan pengaruh NP plasmonic ketika mereka dimasukkan ke dalam dua struktur ini. Dalam makalah ini, kami membandingkan kemampuan menangkap cahaya dari NP ketika mereka ditempatkan di dalam dan di luar lapisan aktif. Pekerjaan kami memberikan prinsip desain untuk OSC yang ditingkatkan dengan plasmon NP.
Metode
Semua simulasi dilakukan dengan menggunakan metode finite-difference time-domain (FDTD) yang menyelesaikan persamaan Maxwell. Selama simulasi penampang hamburan, sumber bidang total bidang tersebar (TFSF) dalam panjang gelombang mulai dari 300 hingga 700 nm disuntikkan ke dalam kotak yang berisi NP. Di sini, kami memilih Ag dalam simulasi karena resonansi plasmoniknya cocok dengan spektrum serapan P3HT:PCBM [19, 20]. Bahan katoda Al diambil dari ref. [21]. Indeks bias kompleks (n , k ) dari ITO dan Ag dipasang dari referensi. [21, 22], masing-masing. n dan k dari PEDOT:PSS dan campuran poli(3-heksiltiofena) (P3HT) dan [6,6]-fenil-C61-butirat asam metil ester (PCBM) dipasang dari referensi. [23, 24], masing-masing, seperti yang diplot ulang pada Gambar. 1a, b. Ketebalan ITO, PEDOT:PSS dan P3HT:PCBM masing-masing adalah 100, 40, dan 200 nm. Dalam simulasi kami, kami memilih PEDOT:PSS sebagai lapisan penyangga dan P3HT:PCBM sebagai lapisan aktif [14, 24]. Penampang hamburan/penyerapan yang dinormalisasi, Qkotoran /Tperut , ditentukan oleh penampang hamburan/penyerapan dibagi dengan penampang geometrik NP. Fraksi cahaya yang tersebar ke substrat, fsub , didefinisikan sebagai daya hamburan menuju substrat dibagi dengan daya hambur total. Untuk NP Ag, ganti setelan mesh dx = dy = dz = 0.1, 0.5, dan 1 nm dipilih untuk ukuran kecil (5, 10 nm), sedang (20, 40 nm), dan besar (60, 80 nm ) NP, masing-masing, sementara metode pembuatan mesh otomatis digunakan di wilayah simulasi lainnya. Kami mendefinisikan NP kecil (5, 10 nm), sedang (20, 40 nm), dan berukuran besar (60, 80 nm) berdasarkan karya eksperimental yang dipublikasikan [25, 26]. Kami mengurangi ukuran mesh dan menyetel parameter lapisan yang sangat cocok (PML) hingga hasilnya konvergen.
Indeks bias kompleks n dan koefisien kepunahan k dari PEDOT:PSS a dan P3HT:PCBM b dalam simulasi FDTD
Hasil dan Diskusi
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a, b, arsitektur sesuai dengan kasus ketika NP Ag terletak di dalam atau di luar lapisan aktif. Dalam proses fabrikasi praktis, ketebalan lapisan PEDOT:PSS adalah ~ 50 nm dan lapisan aktif ~ 200 nm. Dalam simulasi kami, kedua lapisan ini masing-masing disetel menjadi 40 dan 200 nm. Untuk NP yang terletak di dalam lapisan aktif, itu tidak mempengaruhi hasil yang dihitung ketika NP berada dalam bahan yang homogen. Untuk NP yang terletak di luar lapisan aktif, meskipun banyak publikasi menggunakan NP yang tertanam di PEDOT:PSS secara total, ada beberapa publikasi yang menggunakan NP besar di luar ketebalan lapisan PEDOT:PSS [27, 28]. Oleh karena itu, ini berlaku dalam fabrikasi eksperimental. n dari ITO dan PEDOT:PSS (400–800 nm) masing-masing adalah ~ 2.1–1.6 dan ~ 1.55–1.45. Perbedaan n tidak jelas. Menurut teori perkiraan untuk perhitungan penampang serapan dan hamburan [15], perbedaan penampang antara NP yang tertutup penuh dan sebagian tertutup di PEDOT:PSS cukup kecil. Oleh karena itu, kita dapat menyimpulkan bahwa itu sedikit mempengaruhi hasil yang dihitung ketika NP lebih besar dari ketebalan PEDOT:PSS dan lapisan aktif. Peran efek plasmonik NP untuk perangkap cahaya juga diilustrasikan dalam struktur. Persyaratan kemampuan menangkap cahaya berbeda antara kedua struktur. Pada Gambar. 2a, karena NP terletak di luar lapisan organik aktif, peningkatan medan dekat memiliki dampak terbatas pada peningkatan penyerapan karena hanya medan dekat di bagian bawah NP yang berkontribusi pada peningkatan penyerapan. Selain itu, dengan bertambahnya diameter, medan dekat NP besar menembus jarak yang lebih jauh, jauh dari permukaan NP [29]. Dengan bertambahnya diameter, efek hamburan akan menjadi lebih kuat menurut teori Mie. Oleh karena itu, peningkatan medan dekat tidak perlu diperhitungkan ketika NP terletak di luar lapisan aktif. Namun, NP di lapisan aktif mendapat manfaat dari peningkatan medan dekat, meningkatkan penampang penyerapan efektifnya dan dengan demikian disosiasi eksiton, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b.
Ilustrasi skema perangkap cahaya melalui hamburan dan peningkatan medan lokal di a NP terletak di luar lapisan aktif dan b NP terletak di dalam lapisan aktif
NP Terletak Di Luar Lapisan Aktif
Meskipun peningkatan penyerapan cahaya di OSC berbasis NP plasmonik diamati, NP logam telanjang di lapisan aktif juga menginduksi rekombinasi muatan dan pendinginan eksiton di dekat sekitar permukaan logam karena dipol-dipol dan kopling perangkap muatan [12, 30]. Seiring bertambahnya ukuran, rekombinasi muatan dan pendinginan eksiton akan menjadi lebih serius [31, 32]. Untuk menekan efek pendinginan eksiton dan perangkap muatan dari NP, tiga solusi dapat diperkenalkan:melapisi lapisan dielektrik tipis pada NP logam [12, 30], membentuk NP dengan ablasi laser dalam cairan [33], dan menempatkan NP di luar lapisan aktif [14, 28]. Seperti yang dibahas pada bagian di atas, ketika NP terletak di luar lapisan aktif, sifat hamburan NP sangat penting untuk perangkap cahaya. Oleh karena itu, fraksi cahaya yang tersebar di bawah lapisan aktif, fsub , dibandingkan antara NP dengan diameter yang berbeda seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a. Tren fsub meningkat ketika ukuran NP meningkat, yang tidak sesuai dengan Ag NP yang terletak di permukaan Si seperti yang dihitung dalam ref. [17]. Seperti yang dapat dilihat dari Gbr. 3a, penurunan nyata terjadi pada ~ 550 nm, yang berarti sejumlah besar cahaya dihamburkan ke arah belakang dan terbuang percuma. Namun, sulit untuk menilai kontribusi hamburan NP berukuran berbeda karena mereka memiliki f yang berbeda. sub nilai-nilai. Oleh karena itu, kami memplot total Qkotoran dan Qkotoran untuk cahaya yang tersebar ke dalam substrat, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3b. Seiring bertambahnya ukuran, total Qkotoran NP berukuran besar memiliki nilai besar yang melebihi NP berukuran sedang dan kecil dalam spektrum broadband. NP berukuran besar dengan hamburan besar Qkotoran berperilaku sebagai elemen hamburan subwavelength efektif yang berpasangan dan menjebak sinar matahari ke dalam lapisan fotoaktif dan dengan demikian panjang jalur optik ditingkatkan [16].
a Fraksi cahaya tersebar ke lapisan aktif. b Penampang hamburan total (padat), penampang untuk cahaya yang tersebar ke substrat (garis putus-putus), semua dinormalisasi ke penampang geometris
Al katoda di OSC tidak hanya berfungsi sebagai kontak tetapi juga bertindak sebagai cermin, memperpanjang panjang jalur cahaya di lapisan aktif. Oleh karena itu, kami menyelidiki lebih lanjut sifat hamburannya ketika Al katoda disajikan. Dalam simulasi, Al 150-nm dikontakkan dengan lapisan aktif. Gambar 4 menunjukkan fsub dari berbagai NP. Seperti yang dapat dilihat dari Gambar. 4a, fsub meningkat secara signifikan setelah memperkenalkan cermin Al. Namun, Qkotoran NP sedikit dipengaruhi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4b. Tidak peduli apakah cermin Al disajikan, NP berukuran besar menunjukkan penampang hamburan besar dan sejumlah besar cahaya tersebar ke substrat. Oleh karena itu, NP berukuran besar lebih disukai ketika NP terletak di luar lapisan aktif dari titik simulasi optik.
a Fraksi cahaya tersebar ke lapisan aktif dengan penyajian Al katoda. b Penampang hamburan total (padat) dan penampang untuk cahaya yang tersebar ke substrat (garis putus-putus) dengan penyajian katoda Al, semuanya dinormalisasi menjadi penampang geometris
NP Terletak Di Dalam Lapisan Aktif
Sementara NP terletak di matriks lapisan aktif, hamburan medan jauh dan peningkatan medan dekat mempengaruhi OSC secara bersamaan. Untuk NP dengan ukuran jauh di bawah panjang gelombang cahaya dalam batas kuasi-statis, penampang hamburan/penyerapan dapat diinterpretasikan dengan Persamaan. 1 [15]:
di mana εm dan εs adalah permitivitas bahan sekitarnya dan bola, masing-masing. Dalam kasus ketika NP berada di luar, lingkungan dielektrik sekitarnya rumit dan dapat dihitung dengan pendekatan dalam lingkungan yang homogen [15]. Qkotoran dan Qperut diplot pada Gambar. 5a, b, masing-masing. Penyerapan mendominasi untuk NP kecil yang disematkan di lapisan aktif dengan diameter dalam kisaran 5 hingga 10 nm. Medan dekat plasmonik digabungkan ke lapisan aktif dan dengan demikian meningkatkan penampang penyerapan yang meningkatkan disosiasi eksiton. Namun, Qkotoran jauh lebih rendah daripada NP yang terletak di luar lapisan aktif. Efisiensi hamburan, Qsc , ditentukan oleh Qkotoran /(Tkotoran + Tperut ), ditunjukkan pada Gambar. 5c untuk mengevaluasi hamburan atau penyerapan yang mendominasi. Tkotoran nilai semua NP tidak lebih dari 0,5, menunjukkan penyerapan mendominasi 300 hingga 700 nm. Oleh karena itu, peningkatan penyerapan penampang NP sangat penting ketika mereka tertanam dalam matriks homogen, daripada hamburan penampang seperti pada kasus luar. Gambar 6 menunjukkan spektrum penyerapan lapisan aktif yang digabungkan dengan NP. NP kecil memiliki peningkatan penyerapan yang jelas, tetapi seiring bertambahnya ukuran, spektrum penyerapan memburuk. Meskipun penyerapan cahaya dapat ditingkatkan dengan hamburan NP berukuran besar, peningkatan hamburan tidak dapat mengkompensasi penurunan penyerapan, seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 5a, b. Untuk pertimbangan kelistrikan, peningkatan Qperut di NP kecil dapat digunakan di OSC untuk meningkatkan disosiasi eksiton sementara NP besar menimbulkan rekombinasi dan pendinginan eksiton [25]. Seiring bertambahnya ukuran, rekombinasi muatan dan pendinginan eksiton akan menjadi lebih serius [31]. Oleh karena itu, NP kecil lebih disukai ketika mereka tercakup dalam lapisan aktif.
Penampang hamburan yang dinormalisasi (a ), penampang serapan (b ), dan efisiensi hamburan (c ) dari NP berukuran berbeda di lapisan aktif homogen
Peta warna serapan NP dengan ukuran berbeda pada lapisan aktif homogen dengan katoda Al yang dikontakkan dengan lapisan aktif
Kesimpulan
Kesimpulannya, kemampuan menangkap cahaya dari NP Ag yang terletak di dalam dan di luar lapisan aktif diselidiki. Ketika NP terletak di luar lapisan aktif, fraksi cahaya yang tersebar ke lapisan aktif sangat penting. NP berukuran besar memiliki penampang hamburan besar dan sejumlah besar cahaya lebih disukai tersebar di bawah lapisan fotoaktif. Di sisi lain, penampang penyerapan sangat penting ketika NP tertanam di lapisan aktif yang homogen. NP berukuran kecil dapat meningkatkan penyerapan cahaya OSC karena penampang penyerapannya yang besar. Kami percaya bahwa hasil penelitian kami dapat membuka jalan menuju perangkat OSC yang hemat biaya, dan pendekatan ini mungkin berlaku untuk sistem OSC yang menampilkan jenis bahan aktif lainnya.
