Design plasmonischer Nanopartikel-Strategien für verbesserte organische Solarzellen-Leistung

Zusammenfassung

Plasmonische metallische Nanopartikel werden an organische Solarzellen gekoppelt, um den Zielkonflikt zwischen Lichtabsorption und Ladungsträgercollection zu überwinden. Sie befinden sich üblicherweise innerhalb oder außerhalb der aktiven Schichten. Bisher wurde jedoch kein detaillierter Vergleich über den Lichtabsorptionsunterschied berichtet, wenn Nanopartikel innerhalb oder außerhalb der aktiven Schichten platziert sind. In dieser Arbeit vergleichen wir die Lichtfangfähigkeiten von Ag-Nanosphären in organischen Solarzellen, wenn sie innerhalb und außerhalb der photoaktiven Schicht positioniert sind. Wir zeigen, dass große Nanopartikel bevorzugt werden, wenn sie außerhalb der aktiven Schicht platziert sind, während kleine Nanopartikel im Fall der Einbettung in die homogene aktive Schicht favorisiert sind.

Hintergrund

Organische Solarzellen (OSCs) sind ideale Kandidaten, um herkömmliche anorganische Solarzellen für kosteneffektive Photovoltaik (PV) zu ersetzen, aufgrund von Vorteilen wie Leichtgewicht, niedrigen Kosten, niedrigtemperaturiger Fertigung, Halbtransparenz und mechanischer Flexibilität. Jüngster Fortschritt bei OSCs hat über 10 % Wirkungsgrad (PCE) basierend auf Einkreuzungs-Geräten demonstriert, was sie in direkten Wettbewerb mit Si- und GaAs-Pendants bringt. Einkreuzungs-terrestrische OSCs erreichten einen Wirkungsgrad von 11,2 ± 0,3 gemessen unter globalem AM1.5-Spektrum (1000 W/m²) bei 25 °C. Ein Polymer ermöglicht eine lösungsprozessierte Tandem-Solarzelle mit zertifizierten 10,6 % PCE unter Standardtestbedingungen. Ein neuer Polymer-Donor (PBDB-T-SF) und ein neues kleines Molekül-Akzeptor (IT-4F) für fullerenfreie OSCs wurden entworfen und synthetisiert, ergab PCE von 13,1 %. Ternäre organische Solarzellen mit 14 % PCE wurden berichtet. Obwohl der Wirkungsgrad 10 % überschritten hat, ist der Gesamtmarkt noch nicht reif, um mit Si-Solarzellen zu konkurrieren. Die Hauptforderung in OSCs liegt darin, den Wirkungsgrad unter industriellem Fertigungsprozess über 10 % zu steigern. Aufgrund der intrinsisch niedrigen Ladungsträgermobilität und Exciton-Diffusionseigenschaften organischer Moleküle ist die Dicke von OSCs begrenzt und begrenzt somit die Lichtabsorption. Um den Zielkonflikt zwischen Lichtabsorption und Ladungsträgercollection zu umgehen, wurden in den vergangenen Jahrzehnten viele Lichtfang-Schemata vorgeschlagen, wie Quantenpunktsolarzelle, Nanodrahtsolarzelle und plasmonische Solarzelle. Plasmonische Solarzellen bieten einen praktischen Weg, die Lichternte von Solarzellen zu steigern, während ihre Ladungsträgercollectionseffizienz beibehalten wird. Edelmetall-Nanopartikel (NPs), eingebettet in Solarzellen, können den Wirkungsgrad verbessern, indem sie hochkonzentrierte Nahfelder erzeugen, den Pfadweg via Fernfeldstreuung und Wellenleiterkopplung erhöhen. Zum Beispiel haben frühere Simulationen plasmonisch verbesserter anorganischer Solarzellen 10-100 nm dicke aktive Schichten für Proof-of-Concept-Demonstrationen übernommen.

Im Mainstream-OSC-Designprozess werden plasmonische metallische NPs außerhalb/innerhalb der aktiven Schichten platziert. Einbetten metallischer NPs in aktive Schichten von OSCs nutzt das stark eingeschlossene Feld der lokalisierten Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR) und effizientere Lichtstreuung innerhalb der aktiven Schichten, während das Einführen metallischer NPs außerhalb der aktiven Schicht(en) durch Kopplung der NPs an Indium-Zinn-Oxid (ITO) oder innerhalb einer Poly(3,4-ethylendioxythiophen):poly(styrolsulfonat) (PEDOT:PSS) PufferSchicht erreicht werden kann. Es gibt jedoch keinen Vergleich, um den Einfluss plasmonischer NPs zu unterscheiden, wenn sie in diese beiden Strukturen eingeführt werden. In dieser Arbeit vergleichen wir die Lichtfangfähigkeiten der NPs, wenn sie innerhalb und außerhalb der aktiven Schichten platziert sind. Unsere Arbeit liefert ein Designprinzip für NP-plasmonisch verstärkte OSCs.

Methoden

Alle Simulationen wurden mit der Finite-Differenzen-Zeitbereich-Methode (FDTD) durchgeführt, die Maxwellsche Gleichungen löst. Während der Streuquerschnitts-Simulationen wurde eine Totalfeld-Streufeldquelle (TFSF) im Wellenlängenbereich 300-700 nm in eine Box mit den NPs injiziert. Hier wählen wir Ag in der Simulation, da seine plasmonische Resonanz gut zum Absorptionsspektrum von P3HT:PCBM passt. Kathoden-Al-Material wurde aus Ref. [21] entnommen. Der komplexe Brechungsindex (n, k) von ITO und Ag wurden aus Refs. [21, 22] angepasst. Die n und k von PEDOT:PSS und einer Mischung aus Poly(3-hexylthiophen) (P3HT) und [6,6]-Phenyl-C61-buttersäuremethylester (PCBM) wurden aus Refs. [23, 24] angepasst, wie in Abb. 1a, b neu geplottet. Die Dicken von ITO, PEDOT:PSS und P3HT:PCBM betragen 100, 40 und 200 nm. In unserer Simulation wählen wir PEDOT:PSS als PufferSchicht und P3HT:PCBM als aktive Schicht. Die normierten Streu-/Absorptionsquerschnitte, Q_scat/Q_abs, sind definiert als Streu-/Absorptionsquerschnitt geteilt durch geometrischen Querschnitt der NPs. Der Anteil des in den Substrat gestreuten Lichts, f_sub, ist definiert als die in Richtung Substrat gestreute Leistung geteilt durch die gesamte gestreute Leistung. Für Ag NPs wurden Override-Mascheneinstellungen dx = dy = dz = 0,1, 0,5 und 1 nm für kleine (5, 10 nm), mittlere (20, 40 nm) und große (60, 80 nm) NPs gewählt, während eine automatische Maschengenerierungsmethode in anderen Simulationsbereichen verwendet wurde. Wir definieren kleine (5, 10 nm), mittlere (20, 40 nm) und große (60, 80 nm) NPs basierend auf veröffentlichter experimenteller Arbeit. Wir verringerten die Maschengröße und setzten Perfectly Matched Layer (PML) Parameter, bis die Ergebnisse konvergent waren.

Ergebnisse und Diskussion

Wie in Abb. 2a, b gezeigt, entsprechen die Architekturen dem Fall, wenn Ag NPs innerhalb oder außerhalb der aktiven Schicht lokalisiert sind. Im praktischen Fertigungsprozess beträgt die Dicke der PEDOT:PSS-Schicht ~50 nm und die aktive Schicht ~200 nm. In unserer Simulation sind diese beiden Schichten auf 40 und 200 nm gesetzt. Für NPs innerhalb der aktiven Schicht beeinflusst es das berechnete Ergebnis nicht, wenn NPs in homogenem Material sind. Für NPs außerhalb der aktiven Schicht, obwohl viele Publikationen NPs vollständig in PEDOT:PSS eingebettet verwenden, gibt es einige Publikationen, die große NPs über die Dicke der PEDOT:PSS-Schicht hinaus verwenden. Daher ist es in experimenteller Fertigung anwendbar. Der n von ITO und PEDOT:PSS (400-800 nm) beträgt ~2,1-1,6 und ~1,55-1,45. Der Unterschied in n ist nicht offensichtlich. Laut einer Approximationstheorie für Absorptions- und Streuquerschnittsberechnung sind die Unterschiede in den Querschnitten zwischen vollständig bedeckten und teilweise bedeckten NPs in PEDOT:PSS ziemlich gering. Daher können wir schließen, dass es die berechneten Ergebnisse leicht beeinflusst, wenn NPs größer sind als die Dicken von PEDOT:PSS und aktiven Schichten. Die Rolle plasmonischer Effekte von NPs für Lichtfang wird auch in den Strukturen illustriert. Anforderungen an Lichtfangfähigkeit sind zwischen den beiden Strukturen unterschiedlich. In Abb. 2a, da NPs außerhalb der aktiven organischen Schicht lokalisiert sind, hat die Nahfeldverstärkung begrenzten Einfluss auf die Absorptionsverbesserung, da nur das Nahfeld am Boden der NPs zur Absorptionsverbesserung beiträgt. Zudem, je größer der Durchmesser, desto weiter dringt das Nahfeld großer NPs in die Ferne, weg von der Oberfläche der NPs. Je größer der Durchmesser, desto stärker wird der Streueffekt gemäß Miescher Theorie. Daher ist es unnötig, die Nahfeldverstärkung zu berücksichtigen, wenn NPs außerhalb der aktiven Schicht lokalisiert sind. Allerdings profitieren NPs in den aktiven Schichten von Nahfeldverstärkung, die ihren effektiven Absorptionsquerschnitt erhöht und somit Excitondissoziation verbessert, wie in Abb. 2b gezeigt.

NPs außerhalb der aktiven Schichten

Obwohl Lichtabsorptionsverbesserung in plasmonischen NP-basierten OSCs beobachtet wird, induzieren blank metallische NPs in der aktiven Schicht auch Ladungsrekombination und Exciton-Quenching in der Nähe der Metalloberfläche aufgrund von Dipol-Dipol- und Ladungsfang-Kopplung. Je größer die Größe, desto schwerer werden Ladungsrekombination und Exciton-Quenching. Um Exciton-Quenching und Ladungsfang-Effekt von NPs zu unterdrücken, können drei Abhilfen eingeführt werden: Beschichtung einer dünnen dielektrischen Schicht auf metallischen NPs, Bildung von NPs durch Laserablation in Flüssigkeiten und Platzierung von NPs außerhalb der aktiven Schicht. Wie im obigen Abschnitt diskutiert, sind bei NPs außerhalb der aktiven Schichten die Streueigenschaften der NPs kritisch für Lichtfang. Daher wird der Anteil des unter die aktive Schicht gestreuten Lichts, f_sub, unter NPs mit verschiedenen Durchmessern verglichen, wie in Abb. 3a gezeigt. Die Trends von f_sub steigen mit zunehmender NP-Größe, was mit Ag NPs auf Si-Oberfläche berechnet in Ref. [17] widerspricht. Wie aus Abb. 3a ersichtlich, tritt ein deutlicher Dip bei ~550 nm auf, was bedeutet, dass eine große Menge Licht nach hinten gestreut und verschwendet wird. Es ist jedoch schwierig, Streubeiträge verschiedener NP-Größen zu beurteilen, da sie unterschiedliche f_sub-Werte haben. Daher plotten wir den gesamten Q_scat und Q_scat für in den Substrat gestreutes Licht, wie in Abb. 3b gezeigt. Mit zunehmender Größe haben große NPs große Gesamt-Q_scat-Werte, die die der mittelgroßen und kleinen NPs über einen Breitbandspektralbereich übersteigen. Große NPs mit großen Streu-Q_scat verhalten sich als effektive subwellenlängige Streuelemente, die Sonnenlicht in die photoaktive Schicht einkoppeln und einfangen und somit die optische Pfadlänge erhöhen.

Al-Kathode in OSCs dient nicht nur als Kontakt, sondern auch als Spiegel, der die Pfadlänge des Lichts in einer aktiven Schicht verlängert. Daher untersuchen wir weiter ihre Streueigenschaften, wenn Al-Kathode präsentiert ist. In der Simulation wird ein 150 nm Al mit der aktiven Schicht kontaktiert. Abbildung 4 demonstriert f_sub verschiedener NPs. Wie aus Abb. 4a ersichtlich, werden f_sub nach Einführung des Al-Spiegels signifikant verbessert. Allerdings werden Q_scat der NPs leicht beeinflusst, wie in Abb. 4b demonstriert. Egal ob Al-Spiegel präsentiert ist oder nicht, demonstrieren große NPs große Streuquerschnitte und eine große Menge Licht wird in die Substrate gestreut. Daher werden große NPs bevorzugt, wenn NPs außerhalb der aktiven Schicht aus optischer Simulationssicht lokalisiert sind.

NPs innerhalb der aktiven Schichten

Während NPs in der Matrix der aktiven Schicht lokalisiert sind, beeinflussen Fernfeldstreuung und Nahfeldverstärkung OSCs gleichzeitig. Für NPs mit Größen weit unterhalb der Wellenlänge des Lichts im quasi-statischen Limit können Streu-/Absorptionsquerschnitte durch Gleichung 1 interpretiert werden:

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

wo α_sp die Polarizierbarkeit der Kugel ist:

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

wo ε_m und ε_s die Permittivitäten des umgebenden Materials und der Kugel sind. Im Fall, wenn NPs außerhalb sind, ist die umgebende dielektrische Umgebung kompliziert und kann durch Approximation in homogener Umgebung berechnet werden. Die Q_scat und Q_abs sind in Abb. 5a, b geplottet. Absorption dominiert für kleine NPs, eingebettet in die aktive Schicht mit Durchmessern im Bereich 5 bis 10 nm. Das plasmonische Nahfeld koppelt an die aktive Schicht und erhöht somit den Absorptionsquerschnitt, der Excitondissoziation verbessert. Allerdings ist Q_scat viel niedriger als bei NPs außerhalb der aktiven Schicht. Die Streueffizienz, Q_sc, definiert als Q_scat/(Q_scat + Q_abs), ist in Abb. 5c gezeigt, um zu bewerten, ob Streuung oder Absorption dominiert. Q_scat-Werte aller NPs sind nicht mehr als 0,5, was suggeriert, dass Absorption von 300 bis 700 nm dominiert. Daher sind erhöhte Absorptionsquerschnitte von NPs kritisch, wenn sie in einer homogenen Matrix eingebettet sind, anstatt Streuquerschnitte wie im Außenfall. Abbildung 6 demonstriert Absorptionsspektren aktiver Schichten gekoppelt mit NPs. Kleine NPs haben offensichtliche Absorptionsverbesserung, aber mit zunehmender Größe verschlechtern sich die Absorptionsspektren. Obwohl Lichtabsorption durch Streuung großer NPs gesteigert werden kann, kann erhöhte Streuung die verringerte Absorption nicht kompensieren, wie in Abb. 5a, b illustriert. Für elektrische Betrachtung kann erhöhtes Q_abs in kleinen NPs in OSCs verwendet werden, um Excitondissoziation zu verbessern, während große NPs Rekombination und Exciton-Quenching hervorrufen. Je größer die Größe, desto schwerer werden Ladungsrekombination und Exciton-Quenching. Daher werden kleine NPs bevorzugt, wenn sie in der aktiven Schicht abgedeckt sind.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend werden die Lichtfangfähigkeiten von Ag NPs untersucht, die innerhalb und außerhalb der aktiven Schicht lokalisiert sind. Wenn NPs außerhalb der aktiven Schicht lokalisiert sind, ist der Anteil des in die aktive Schicht gestreuten Lichts entscheidend. Große NPs haben große Streuquerschnitte und eine große Menge Licht wird bevorzugt unter die photoaktive Schicht gestreut. Andererseits ist ein Absorptionsquerschnitt essenziell, wenn NPs in der homogenen aktiven Schicht eingebettet sind. Kleine NPs können Lichtabsorption von OSCs aufgrund ihrer großen Absorptionsquerschnitte steigern. Wir glauben, dass die Ergebnisse unserer Studie den Weg zu kosteneffektiven OSC-Geräten ebnen könnten, und dieser Ansatz könnte auf OSC-Systeme mit anderen Arten aktiver Materialien anwendbar sein.

Abkürzungen

FDTD:

Finite-Differenzen-Zeitbereich

ITO:

Indium-Zinn-Oxid

LSPR:

Lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanz

NPs:

Nanopartikel

OSCs:

Organische Solarzellen

P3HT:

Poly(3-hexylthiophen)

PCBM:

[6,6]-Phenyl-C61-buttersäuremethylester

PCE:

Leistungsumwandlungseffizienz

PEDOT:PSS:

Poly(3,4-ethylendioxythiophen):poly(styrolsulfonat)

PML:

Perfectly Matched Layer

PVs:

Photovoltaik

TFSF:

Totalfeld-Streufeld