Principes de conception des cellules solaires organiques à plasmons de nanoparticules

Contexte

Les cellules solaires organiques (OSC) sont des candidats idéaux pour remplacer les cellules solaires inorganiques traditionnelles pour obtenir des panneaux photovoltaïques (PV) rentables en raison des avantages des OSC, notamment un processus de fabrication léger, peu coûteux et à basse température, une semi-transparence et une flexibilité mécanique [ 1, 2]. Les progrès récents des OSC ont démontré une efficacité de conversion de puissance (PCE) de plus de 10 % basée sur des dispositifs à simple jonction, ce qui les met en concurrence directe avec leurs homologues Si et GaAs. Les OSC terrestres à simple jonction ont atteint une efficacité de 11,2 ± 0,3 mesurée sous le spectre global AM1.5 (1000 W/m ² ) à 25 °C [2]. Un polymère permet une cellule solaire tandem traitée en solution avec une efficacité de conversion de puissance certifiée de 10,6 % dans des conditions de test standard [3]. Un nouveau donneur de polymère (PBDB-T-SF) et un nouvel accepteur de petites molécules (IT-4F) pour les OSC sans fullerène ont été conçus et synthétisés, donnant un PCE de 13,1% [4]. Des cellules solaires organiques ternaires offrant un PCE de 14% ont été rapportées [5]. Bien que l'efficacité ait atteint 10 %, l'ensemble du marché à grande échelle n'est pas mature pour concurrencer les cellules solaires au silicium. Le principal défi des OSC consiste à augmenter l'efficacité au-dessus de 10 % dans le cadre d'un processus de fabrication industrielle. En raison de la faible mobilité intrinsèque des porteurs de charge et des propriétés de diffusion des excitons des molécules organiques, l'épaisseur des OSC est limitée et freine ainsi l'absorption de la lumière des OSC. Pour contourner le compromis entre l'absorption de la lumière et la collecte des porteurs, au cours des dernières décennies, de nombreux schémas de piégeage de la lumière ont été proposés, tels que la cellule solaire à points quantiques [6,7,8,9], la cellule solaire à nanofils [10, 11] , et la cellule solaire plasmonique [6, 12, 13]. Les cellules solaires plasmoniques offrent un moyen pratique d'augmenter la récolte de lumière des cellules solaires tout en maintenant leur efficacité de collecte de porteurs [14]. Les nanoparticules métalliques nobles (NP) incorporées dans les cellules solaires peuvent améliorer l'efficacité en créant un champ proche hautement concentré, augmentant la longueur du trajet via la diffusion en champ lointain et le couplage de guide d'ondes [15]. Par exemple, des simulations précédentes sur des cellules solaires inorganiques améliorées par plasmons ont adopté des couches actives de 10 à 100 nm d'épaisseur pour des démonstrations de preuve de concept [12, 16, 17, 18].

Dans le processus de conception principal des OSC, les NP métalliques plasmoniques sont situées à l'extérieur/à l'intérieur des couches actives. L'intégration de NP métalliques dans des couches actives d'OSC exploite le champ fortement confiné de la résonance plasmonique de surface localisée (LSPR) et une diffusion de la lumière plus efficace dans les couches actives tout en introduisant des NP métalliques à l'extérieur de la ou des couches actives peut être accomplie en couplant les NP sur d'oxyde d'indium-étain (ITO) ou à l'intérieur d'une couche tampon de poly(3,4-éthylènedioxythiophène) :poly (styrène sulfonate) (PEDOT :PSS). Cependant, il n'y a pas de comparaison pour distinguer l'influence des NPs plasmoniques lorsqu'elles sont introduites dans ces deux structures. Dans cet article, nous comparons les capacités de piégeage de la lumière des NP lorsqu'elles sont placées à l'intérieur et à l'extérieur des couches actives. Notre travail fournit un principe de conception pour les OSC NP améliorés par plasmons.

Méthodes

Toutes les simulations ont été réalisées en utilisant la méthode du domaine temporel aux différences finies (FDTD) résolvant les équations de Maxwell. Au cours des simulations transversales de diffusion, une source de champ diffusé à champ total (TFSF) dans la longueur d'onde allant de 300 à 700 nm a été injectée dans une boîte contenant les NP. Ici, nous choisissons l'Ag dans la simulation car sa résonance plasmonique est bien adaptée aux spectres d'absorption du P3HT:PCBM [19, 20]. Le matériau de la cathode Al a été tiré de la réf. [21]. L'indice de réfraction complexe (n , k ) de l'ITO et de l'Ag ont été ajustés à partir des réfs. [21, 22], respectivement. Le n et k de PEDOT :PSS et un mélange de poly(3-hexylthiophène) (P3HT) et d'ester méthylique d'acide [6,6]-phényl-C61-butyrique (PCBM) ont été ajustés à partir des références. [23, 24], respectivement, comme retracé dans la Fig. 1a, b. Les épaisseurs d'ITO, PEDOT :PSS et P3HT :PCBM sont respectivement de 100, 40 et 200 nm. Dans notre simulation, nous choisissons le PEDOT :PSS comme couche tampon et le P3HT :PCBM comme couche active [14, 24]. Les sections efficaces de diffusion/absorption normalisées, Q _scat /Q _abdos , sont définis par la section efficace de diffusion/absorption divisée par la section efficace géométrique des NP. La fraction de lumière diffusée dans le substrat, f _sous , est défini comme la puissance diffusée vers le substrat divisée par la puissance diffusée totale. Pour les Ag NP, les paramètres de maillage de remplacement dx = dy = dz = 0.1, 0.5 et 1 nm ont été choisis pour les petites (5, 10 nm), moyennes (20, 40 nm) et grandes (60, 80 nm ) NPs, respectivement, tandis qu'une méthode de génération de maillage automatique a été utilisée dans d'autres régions de simulation. Nous définissons les NP de petite (5, 10 nm), de moyenne (20, 40 nm) et de grande (60, 80 nm) sur la base de travaux expérimentaux publiés [25, 26]. Nous avons réduit la taille du maillage et défini des paramètres de couche parfaitement adaptés (PML) jusqu'à ce que les résultats soient convergents.

L'indice de réfraction complexe n et coefficient d'extinction k de PEDOT :PSS a et P3HT :PCBM b dans la simulation FDTD

Résultat et discussion

Comme le montre la Fig. 2a, b, les architectures correspondent au cas où les Ag NPs sont situés à l'intérieur ou à l'extérieur de la couche active. Dans le processus de fabrication pratique, l'épaisseur de la couche PEDOT :PSS est d'environ   50 nm et la couche active est d'environ  200 nm. Dans notre simulation, ces deux couches sont respectivement de 40 et 200 nm. Pour les NP situés dans la couche active, cela n'affecte pas le résultat calculé lorsque les NP sont dans un matériau homogène. Pour les NP situés à l'extérieur de la couche active, bien que de nombreuses publications utilisent des NP totalement intégrés dans PEDOT:PSS, certaines publications utilisent de grandes NP au-delà de l'épaisseur de la couche PEDOT:PSS [27, 28]. Par conséquent, il est applicable dans la fabrication expérimentale. Le n de l'ITO et du PEDOT : PSS (400-800 nm) est d'environ ~ 2,1 à 1,6 et ~ 1,55-1,45, respectivement. La différence de n n'est pas évident. Selon une théorie d'approximation pour le calcul des sections efficaces d'absorption et de diffusion [15], les différences de sections efficaces entre les NP entièrement couvertes et partiellement couvertes dans PEDOT :PSS sont assez faibles. Par conséquent, nous pouvons conclure que cela affecte légèrement les résultats calculés lorsque les NP sont plus grandes que les épaisseurs de PEDOT:PSS et des couches actives. Le rôle des effets plasmoniques des NP pour le piégeage de la lumière est également illustré dans les structures. Les exigences de capacité de piégeage de la lumière sont différentes entre les deux structures. Sur la figure 2a, étant donné que les NP sont situées à l'extérieur de la couche organique active, l'amélioration du champ proche a un impact limité sur l'amélioration de l'absorption car seul le champ proche au bas des NP contribue à l'amélioration de l'absorption. De plus, à mesure que le diamètre augmente, le champ proche des grandes NP pénètre sur une plus longue distance, loin de la surface des NP [29]. Au fur et à mesure que le diamètre augmente, l'effet de diffusion deviendra plus fort selon la théorie de Mie. Par conséquent, il n'est pas nécessaire de prendre en compte l'amélioration du champ proche lorsque les NP sont situées à l'extérieur de la couche active. Cependant, les NP dans les couches actives bénéficient de l'amélioration du champ proche, augmentant sa section efficace d'absorption et donc la dissociation des excitons, comme le montre la figure 2b.

Illustration schématique du piégeage de la lumière par diffusion et amélioration du champ local dans a NP situés en dehors de la couche active et b NPs situés à l'intérieur de la couche active

NPs situés en dehors des couches actives

Bien qu'une amélioration de l'absorption de la lumière dans les OSC à base de NP plasmoniques soit observée, les NP métalliques nues dans la couche active induisent également une recombinaison de charge et une extinction des excitons à proximité de la surface du métal en raison du couplage dipôle-dipôle et piégeage de charge [12, 30]. À mesure que la taille augmente, la recombinaison de charge et l'extinction des excitons deviendront plus graves [31, 32]. Afin de supprimer l'effet d'extinction des excitons et de piégeage de charge des NP, trois remèdes peuvent être introduits :le revêtement d'une fine couche diélectrique sur les NP métalliques [12, 30], la formation de NP par ablation laser dans les liquides [33] et le placement des NP à l'extérieur couche active [14, 28]. Comme indiqué dans la section ci-dessus, lorsque les NP sont situées à l'extérieur des couches actives, les propriétés de diffusion des NP sont essentielles pour le piégeage de la lumière. Par conséquent, la fraction de lumière diffusée sous la couche active, f _sous , est comparé parmi les NP de diamètres différents, comme le montre la figure 3a. Les tendances de f _sous augmente à mesure que la taille des NP augmente, ce qui est en désaccord avec les NP d'Ag situées sur la surface de Si calculées dans la réf. [17]. Comme on peut le voir sur la figure 3a, un pendage évident se produit à ~ 550 nm, ce qui signifie qu'une grande quantité de lumière est diffusée vers l'arrière et est gaspillée. Cependant, il est difficile de juger des contributions de diffusion de NP de tailles différentes car elles ont des f différents. _sous valeurs. Par conséquent, nous traçons le total Q _scat et Q _scat pour la lumière diffusée dans le substrat, comme le montre la figure 3b. À mesure que la taille augmente, le total Q _scat des NP de grande taille ont des valeurs élevées qui dépassent celles des NP de moyenne et petite taille dans un spectre à large bande. Les NP de grande taille avec une grande diffusion Q _scat se comportent comme des éléments de diffusion de sous-longueur d'onde efficaces qui couplent et piègent la lumière du soleil dans la couche photoactive et ainsi la longueur du chemin optique est améliorée [16].

un La fraction de lumière diffusée dans la couche active. b Section transversale de diffusion totale (solide), section transversale pour la lumière diffusée dans le substrat (ligne pointillée), tous normalisés à la section transversale géométrique

La cathode Al dans les OSC sert non seulement de contact, mais agit également comme un miroir, prolongeant le trajet optique de la lumière dans une couche active. Par conséquent, nous étudions davantage leurs propriétés de diffusion lorsque la cathode Al est présentée. Dans la simulation, un Al de 150 nm est mis en contact avec la couche active. La figure 4 illustre le f _sous de divers NP. Comme on peut le voir sur la figure 4a, f _sous sont considérablement améliorés après l'introduction du miroir Al. Cependant, le Q _scat des NPs sont légèrement influencés, comme le montre la figure 4b. Peu importe si le miroir Al est présenté, les NP de grande taille présentent de grandes sections efficaces de diffusion et une grande quantité de lumière est diffusée dans les substrats. Par conséquent, les NP de grande taille sont favorisés lorsque les NP sont situés à l'extérieur de la couche active à partir du point de simulation optique.

un La fraction de lumière diffusée dans la couche active avec présentation de cathode Al. b Section transversale de diffusion totale (solide) et section transversale de la lumière diffusée dans le substrat (ligne pointillée) avec présentation de la cathode Al, toutes normalisées par rapport aux sections transversales géométriques

NPs situés à l'intérieur des couches actives

Alors que les NP sont situées dans la matrice de la couche active, la diffusion en champ lointain et l'amélioration en champ proche influencent simultanément les OSC. Pour les NP dont la taille est bien inférieure à la longueur d'onde de la lumière dans la limite quasi-statique, la section efficace de diffusion/absorption peut être interprétée par l'équation. 1 [15] :

où α _sp est la polarisabilité de la sphère :

où le ε _m et ε _s sont respectivement les permittivités du matériau environnant et de la sphère. Dans le cas où les NP sont à l'extérieur, le milieu diélectrique environnant est compliqué et il peut être calculé par approximation dans un milieu homogène [15]. Le Q _scat et Q _abdos sont tracés sur la Fig. 5a, b, respectivement. L'absorption domine pour les petites NP intégrées dans la couche active avec des diamètres compris entre 5 et 10 nm. Le champ proche plasmonique est couplé à la couche active et augmente ainsi la section efficace d'absorption qui améliore la dissociation des excitons. Cependant, Q _scat est bien inférieure à celle des NPs situées à l'extérieur de la couche active. L'efficacité de diffusion, Q _sc , défini par Q _scat /(Q _scat + Q _abdos ), est illustré à la Fig. 5c pour évaluer la diffusion ou l'absorption qui domine. Q _scat les valeurs de tous les NP ne dépassent pas 0,5, ce qui suggère que l'absorption domine de 300 à 700 nm. Par conséquent, les sections efficaces d'absorption améliorées des NP sont essentielles lorsqu'elles s'intègrent dans une matrice homogène, plutôt que de diffuser des sections efficaces comme dans le cas extérieur. La figure 6 montre les spectres d'absorption des couches actives couplées aux NP. Les petites NP ont une amélioration d'absorption évidente, mais à mesure que la taille augmente, les spectres d'absorption se détériorent. Bien que l'absorption de la lumière puisse être augmentée par la diffusion de NP de grande taille, une diffusion accrue ne peut pas compenser une absorption réduite, comme illustré sur les Fig. 5a, b. Pour des considérations électriques, Q augmenté _abdos dans les petites NPs peut être utilisé dans les OSC pour améliorer la dissociation des excitons tandis que les grandes NPs donnent lieu à la recombinaison et à l'extinction des excitons [25]. À mesure que la taille augmente, la recombinaison de charge et l'extinction des excitons deviendront plus graves [31]. Par conséquent, les petits NP sont préférés lorsqu'ils sont couverts dans la couche active.

Section efficace de diffusion normalisée (a ), section efficace d'absorption (b ) et l'efficacité de diffusion (c ) de NP de tailles différentes dans la couche active homogène

Carte de couleur d'absorption des NP de différentes tailles dans la couche active homogène avec cathode Al en contact avec la couche active

Conclusions

En conclusion, les capacités de piégeage de la lumière des Ag NPs situées à l'intérieur et à l'extérieur de la couche active sont étudiées. Lorsque les NP sont situées à l'extérieur de la couche active, la fraction de lumière diffusée dans la couche active est cruciale. Les NP de grande taille ont de grandes sections efficaces de diffusion et une grande quantité de lumière est de préférence diffusée sous la couche photoactive. D'autre part, une section efficace d'absorption est essentielle lorsque les NP s'encastrent dans la couche active homogène. Les NP de petite taille peuvent augmenter l'absorption de la lumière des OSC en raison de leurs grandes sections efficaces d'absorption. Nous pensons que les résultats de notre étude pourraient ouvrir la voie à des dispositifs OSC rentables, et cette approche peut être applicable aux systèmes OSC comportant d'autres types de matériaux actifs.

Abréviations

FDTD :

Domaine temporel aux différences finies

ITO :

Oxyde d'indium-étain

LSPR :

Résonance plasmonique de surface localisée

NP :

Nanoparticules

OSC :

Cellules solaires organiques

P3HT :

Poly(3-hexylthiophène)

PCBM :

Ester méthylique de l'acide [6,6]-phényl-C61-butyrique

PCE :

Efficacité de conversion de puissance

PEDOT :PSS :

Poly(3,4-éthylènedioxythiophène) :poly (styrène sulfonate)

PML :

Couche parfaitement assortie

PV :

Photovoltaïque

TFSF :

Champ total champ dispersé