Étude comparative d'électrodes métalliques à nanorainures et nanopiliers pour cellules solaires organiques améliorées

Résumé

Les électrodes métalliques structurées (PMEs) sont une stratégie éprouvée pour augmenter la récolte de lumière dans les cellules solaires organiques (OSCs) à couches minces. Deux géométries PME dominantes — réseaux de nanorainures et de nanopiliers — ont été testées expérimentalement, mais leurs mérites respectifs restent flous. Dans ce travail, nous réalisons une comparaison théorique complète de ces deux architectures dans une couche active PSBTBT:PC₇₁BM. En optimisant la hauteur, la période et le rapport de remplissage de chaque PME, nous trouvons que les deux designs produisent une efficacité d'absorption intégrée identique de 82,4 % dans la gamme 350-850 nm — une amélioration de 9,9 % par rapport à une référence plane. Malgré la performance spectrale similaire, les mécanismes de piégeage de lumière diffèrent : les PMEs à nanorainures reposent sur des résonances plasmoniques localisées (LPRs) de type dipolaire et des polaritons de plasmons de surface (SPPs) localisés au sommet des crêtes, tandis que les PMEs à nanopiliers activent des modes analogues au sommet des piliers tout en excitant des SPPs additionnels à la base. La configuration à nanopiliers offre un rapport de remplissage modéré (≈30 %) et une fenêtre de fabrication plus tolérante, en faisant un choix pratique pour les OSCs à haut rendement.

Contexte

Les nanostructures métalliques sous-longueur d'onde peuvent radicalement altérer la réponse optique des OSCs, permettant des modes hybrides plasmoniques-photoniques qui améliorent l'absorption dans les couches actives ultra-minces. Deux principales familles de PMEs existent :

• PMEs à nanorainures — vides isolés dans un film métallique continu ; le métal environnant peut être déposé après imprimage de la couche active, produisant des contacts nanopilaires sur la surface organique.
• PMEs à nanopiliers — piliers métalliques isolés au-dessus d'un film continu, réalisés en imprimant la couche active avec des piliers puis en évaporant le métal pour les recouvrir.

Les deux approches améliorent les propriétés optiques, électriques et morphologiques, mais leur performance comparative et leurs paramètres de conception optimaux n'ont pas été explorés systématiquement. Cette étude comble cette lacune.

Méthodes

La pile OSC considérée est ITO / PEDOT:PSS / PSBTBT:PC₇₁BM / Ag. La couche active (85 nm) utilise PSBTBT:PC₇₁BM pour son absorption large (350-900 nm). Deux modèles de dispositifs ont été construits :

• Dispositif A — PME à nanorainures (période = p_A, largeur = D_A, hauteur = h_A).
• Dispositif B — PME à nanopiliers (période = p_B, largeur = D_B, hauteur = h_B).

Des simulations par différences finies dans le domaine temporel (FDTD) ont été effectuées avec des conditions aux limites périodiques selon x et y, des couches parfaitement adaptées en haut et en bas, et une illumination TM/TE depuis le côté ITO. Les constantes optiques des matériaux ont été prises dans la littérature. L'efficacité d'absorption (η) et l'efficacité d'absorption intégrée (η_I) sur 350-850 nm (pondérée AM1.5G) ont été extraites pour chaque géométrie.

Résultats et discussion

Géométries optimales

• Dispositif A (nanorainures) — h_A = 45 nm, f_A = 0,10 (D_A = 35 nm, p = 350 nm).
• Dispositif B (nanopiliers) — h_B = 65 nm, f_B = 0,30 (D_B = 105 nm, p = 350 nm).

Les deux configurations atteignent η_I = 82,4 % (≈ 9,9 % de plus que le témoin plan, 75,0 %). Le rapport de remplissage modéré du Dispositif B offre une tolérance de conception plus grande et un nanoimprimage plus facile comparé à la structure peu profonde et densément compactée du Dispositif A.

Analyse spectrale

• Le Dispositif B surpasse constamment la référence plane sur tout le spectre.
• Le Dispositif A montre une baisse autour de 650 nm mais compense avec une absorption plus forte en dessous de 550 nm, donnant η_I identique.
• Les deux dispositifs présentent cinq pics d'amélioration majeurs (λ_1-5) où le changement d'absorption relatif Δη atteint 219-222 % au bord de bande (~830 nm).

Insights sur la distribution de champ

• Aux λ₁ et λ₂, des LPRs de type dipolaire coexistent avec des SPPs piégés au sommet des protubérances métalliques, s'hybridant pour concentrer la lumière dans la couche active.
• Les pics à courte longueur d'onde (λ < 600 nm) proviennent de multiples modes SPP excités à la base des PMEs, produisant une bosse d'amélioration large avec plusieurs pics subsidiaires.
• La variation de la période montre que 350 nm couple optimalement les résonances localisées avec les modes de surface courbés, maximisant η_I tout en maintenant une performance insensible à l'angle pour les polarisations TM et TE.

Conclusions

Cette comparaison systématique démontre que les électrodes métalliques structurées à nanorainures et nanopiliers peuvent toutes deux augmenter l'absorption des OSCs de près de 10 % tout en préservant le transport de porteurs. L'efficacité d'absorption intégrée de 82,4 % est atteinte avec la même épaisseur de couche active que le témoin plan, indiquant une pénalité matérielle minimale. Le Dispositif B (nanopiliers) est recommandé pour l'implémentation pratique en raison de sa fabrication plus facile et de sa tolérance de conception robuste. L'étude met en lumière le rôle critique des résonances hybrides plasmoniques-photoniques dans le piégeage de lumière et fournit des lignes directrices de conception pour les OSCs de prochaine génération à haut rendement.