나노물질
산업 제조
나노홀 및 나노기둥형 패턴 금속 전극(PME) 모두 소자 성능을 실험적으로 개선하기 위해 유기 태양 전지(OSC)에 도입되었지만 이들 사이의 유사점과 차이점을 다루는 작업은 거의 없습니다. 이 이론적인 작업에서 우리는 혼성 공동 공명을 기반으로 하는 OSC의 성능에 대한 나노홀 및 나노기둥형 PME의 영향을 체계적으로 비교합니다. 각 PME의 기하학적 매개변수를 최적화함으로써 서로 다른 최적화된 PME를 가진 활성층의 통합 흡수 효율이 거의 동일하고(둘 다 82.4%와 동일) 평면 제어의 성능을 9.9% 능가한다는 흥미로운 결과를 얻었습니다. 두 가지 다른 최적 장치의 흡수 향상 스펙트럼도 유사하지만 해당 향상 피크에서 빛을 포착하는 메커니즘은 서로 다릅니다. 종합적으로 볼 때 나노기둥형 PME는 최적 설계가 적당한 충진율을 가지므로 본 시스템에 적용하는 것이 좋습니다. 이 작업은 고효율 OSC의 개발에 기여할 수 있습니다.
<섹션 데이터-제목="배경">서브파장 금속 나노구조에 의한 빛의 조작[1]은 얇은 활성층을 가진 유기 태양 전지(OSC)로 태양 에너지를 수확하는 효과적인 방법입니다[2,3,4,5]. 화학적으로 합성된 금속 나노입자를 OSC에 도핑하는 것 외에도[3, 5], 일부 하위 파장 패턴으로 금속 전극을 직접 패턴화하는 것, 즉 패턴화된 금속 전극(PME)을 형성하는 것이 매우 일반적입니다[6]. PME는 플라즈몬 모드와 광자 모드의 혼성화 여기를 기반으로 활성층에서 광 흡수를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 [7,8,9,10] 긍정적인 전기적 및 형태학적 효과를 가져올 수 있다고 보고되었습니다. 12,13,14,15], 박막 광전지 장치의 성능이 전반적으로 크게 향상되었습니다.
1차원적으로 배열된 패턴[8, 9, 14,15,16,17,18,19](즉, 2D PME)을 갖는 PME는 2빔 간섭 기술[20]을 기반으로 쉽게 제작할 수 있습니다. 그러나 OSC의 흡수 향상은 plasmonic 모드가 횡방향 전기(TE) 편광 입사에서 여기될 수 없기 때문에 편광에 민감합니다[10]. 2차원(2D) 배열 패턴을 가진 PME(즉, 3D PME)는 광 수확 효율 편광을 둔감하게 높일 수 있으며 지난 몇 년 동안 광범위하게 조사되었습니다[14, 21,22,23,24,25,26, 27,28,29,30,31]. 후면 접점으로 작동하는 대부분의 3D PME는 불투명합니다. PME가 전면 접점으로 기능하는 경우 주름진 박막[14, 21] 또는 관통 구멍이 있는 필름[22, 25]으로 구현되는 반투명해야 합니다. 복잡한 형상을 가진 일부 전극(예:통합 nanopillar-nanowell PME[31])을 제외하고 불투명 3D PME는 두 가지 유형으로 분류됩니다. 첫 번째 유형은 실제 OSC에서 유기 물질로 채워진 일부 격리된 나노홀[26, 27]로 금속 전극 표면을 드레싱하는 것입니다. 즉, PME와 접촉하는 유기물은 나노기둥 형태로 존재한다. 이러한 종류의 PME는 먼저 활성층에 일부 나노 기둥을 각인한 다음 접촉 필름을 열 증발시켜 쉽게 얻을 수 있습니다. 나노임프린팅 기술에 의해 Li et al. 나노홀 유형의 3D PME는 2D PME보다 훨씬 우수한 평면 전극에 대해 전력 변환 효율(PCE)을 24.6% 증가시킬 수 있음을 입증했습니다[26]. 나노홀 유형의 PME는 콜로이드 자가 조립 기술을 기반으로 하는 폴리스티렌(PS) 나노구 템플릿으로 만들 수도 있습니다[27]. 불투명한 3D PME의 다른 유형은 연속적인 금속 필름 위에 일부 분리된 금속 나노기둥을 장식하는 것입니다[23, 24, 28,29,30]. 이는 정확히 나노홀 구조의 역 구조입니다. Le는 얇은 활성층에서 흡수를 향상시키는 데 Ag 나노기둥의 2D 어레이를 가진 금속 격자의 큰 잠재력이 있다고 이론적으로 예측했습니다[24]. 우리는 또한 얇은 OSC 장치의 흡수에 대한 육각형 배열로 포장된 금속 나노실린더로 엠보싱된 후면 접촉의 영향을 이론적으로 분석했습니다[28]. 임프린팅 몰드가 적절하게 선택되면 활성층에 일부 나노홀이 남을 수 있으며, 다음 증발은 금속 접촉부를 활성층으로 돌출되게 할 것입니다(즉, 금속 나노기둥 형성)[29, 30]. Zhou et al. 나노기둥 PME가 OSC의 PCE를 9.33% 증가시킬 뿐만 아니라 유기발광다이오드의 성능을 향상시킬 수 있음을 보여주었다. 나노기둥형 PME의 성공적인 적용은 양자점 기반 태양전지에서도 목격되었다[30]. 금속 표면의 나노홀은 연속적인 금속 필름에 로드된 금속 나노기둥의 것과는 다른 플라즈몬 공명을 발생시키는 것으로 알려져 있습니다. 두 가지 유형의 불투명 PME가 OSC에 자주 적용되었지만 비교 관점에서 장단점을 다루는 연구가 충분하지 않습니다. 따라서 PME의 이 두 가지 전략이 OSC에서 어떻게 서로 다르게 작동하며 이론상 활성층에 빛을 가두는 데 어떤 전략이 더 잘 작동하는지 탐구하는 것이 매우 중요합니다.
이 작업에서 우리는 poly[(4,4'-bis(2-ethylhexyl)dithieno[3,2-b:2',3'-d]silole)-2에 적용된 두 가지 PME를 시뮬레이션하는 모델을 구성했습니다. ,6-디일-알트-(2,1,3-벤조티아디아졸)-4,7-디일](PSBTBT) 및 [6,6]-페닐-C71-부티르산 메틸 에스테르(PC71 BM) 기반 OSC. 금속 전극에 나노홀이 있는 장치를 장치 A라고 하고 금속성 나노기둥형 PME를 가진 장치를 장치 B라고 합니다. 우리의 체계적인 최적화에 따르면 두 유형의 PME 모두에서 9.9% 흡수 향상을 생성할 수 있음이 밝혀졌습니다. 플라즈몬 모드와 광자 모드의 혼성화 여기로 인해 평면 전극에 대한 활성층. 그러나 최적의 기하학적 매개 변수는 완전히 다르며 흡수 향상 메커니즘도 서로 다릅니다. 우리의 작업은 PME의 실제 적용을 위한 유용한 지침을 제공하고 고효율 OSC의 개발에도 기여합니다.
그림 1은 PME 프로필이 다른 OSC(기기 A 및 기기 B)와 평면 금속 전극이 있는 제어 장치의 구성을 보여줍니다. 3D PME 다이어그램은 명확성을 위해 해당 장치 아래에도 포함되어 있습니다. 단순화를 위해 정사각형 격자로 배열된 분리된 나노홀/나노기둥을 고려합니다. 단면도에서 PME는 폭이 D인 돌출된 금속 영역을 갖는 것으로 정의됩니다. A (또는 D 나 ) 및 높이 h A (또는 h 나 ) 장치 A(또는 장치 B). 피 A (또는 p 나 )는 장치 A(또는 장치 B)에서 배열된 패턴의 주기성이며 채우기 비율 f A (f 나 ) 단면 평면에서 돌출된 금속의 는 D로 정의됩니다. A /p A (또는 D 나 /p 나 ). 조사된 OSC의 아키텍처는 ITO/ PEDOT:PSS/PSBTBT:PC71입니다. BM/Ag. 투명 전도성 양극인 상단 ITO 층의 두께는 100nm입니다. 정공 수송층인 인접한 평면 PEDOT:PSS는 두께가 20nm입니다. 활성 레이어는 PSBTBT:PC71로 구성됩니다. P3HT:PCBM 또는 PTB7:PCBM 대신 BM은 넓은 흡수 파장 범위(350~900nm)로 인해 더 많은 태양 에너지를 흡수할 수 있기 때문입니다. 또한 PSBTBT:PC71를 사용하여 계산한 결과 활성 블렌드인 BM은 다른 활성 블렌드가 흡수 차단을 가질 때 장파장 범위에서 PME에 의해 유도된 흡수 향상의 가능성을 분명히 보여줄 수 있습니다. 활성 레이어의 두께는 <>t입니다. , 바닥면은 PME의 패턴을 따릅니다. PME를 최적화하는 동안 t 가 85nm로 고정되면 동일한 활성층 두께의 평면 제어 장치가 Fabry-Pérot(FP) 공동 공명으로 인해 첫 번째 흡수 피크를 생성합니다. 음극은 알루미늄과 구리에 비해 더 강한 플라즈몬 모드를 여기할 수 있기 때문에 Ag로 만들어집니다. 또한 Ag PME를 사용하면 여기된 플라즈몬 모드의 파장 범위가 금으로 만들어진 PME를 사용하는 것보다 더 넓습니다. 일반적으로 활성층과 음극 필름 사이에 위치하는 얇은 전자 추출층은 광학 시뮬레이션에서 무시됩니다.
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나노홀형 PME가 있는 OSC의 2D 다이어그램(a ) 및 나노기둥형 PME(b ) 및 컨트롤(c ). 단면에서 두 PME는 폭이 D인 돌출된 금속 영역을 가지고 있습니다. , 높이 h , 및 p의 주기성 . A 및 B의 아래 첨자는 각각 나노홀형 및 나노기둥형 PME를 갖는 장치를 나타냅니다. 나노홀/나노필러형 PME의 3D 다이어그램은 해당 장치 아래에 표시됩니다.
제안된 OSC는 FDTD(Finite Difference Time Domain) 방법으로 이론적으로 조사되었으며, 이는 [32]의 작업을 반복하여 검증되었다. 모든 시뮬레이션은 x -축 및 y -축 및 PML(완벽하게 일치하는 레이어) 경계가 상단 및 하단 표면에 적용됩니다. 빛은 x를 따라 전기 부품이 있는 TM(또는 TE) 편광의 상단 ITO 측에서 조명됩니다. -축(또는 y -중심선). 파장 의존 굴절률(n ) PSBTBT:PC71 BM은 [33]에서 얻습니다. 그리고 이 연구에 사용된 재료의 다른 굴절률은 [18]과 [19]에서 추출되었습니다. 활성층의 흡수 효율(η ) 및 통합 흡수 효율(η 나 )(AM1.5G 스펙트럼으로 가중된 350~850nm의 파장 범위에서)가 계산됩니다.
그림 2a, b는 η의 지도를 보여줍니다. 나 장치 A와 장치 B 각각에 대해 수직 입사에서 다양한 격자 높이와 충전 비율로. 여기서 PME 패턴의 주기성은 그림 5c, d와 같이 최적화된 값인 350nm로 고정됩니다. 두 장치 중 하나의 성능이 h 그리고 f . 장치 A의 경우 작은 충전 비율의 얕은 금속 융기가 선호되는 반면 장치 B의 경우 적당한 충전 비율의 높은 금속 융기가 최적화된 성능을 생성합니다. 구체적으로 최적화된 η 나 h에서 달성 A =45nm 및 f A =0.1 기기 A(즉, 그림 2a에 표시된 점 A) 및 h 나 =65nm 및 f 나 =0.3 기기 B(즉, 그림 2b에 표시된 B 지점). 최적화된 η 나 두 개의 서로 다른 장치에 대해 동일(둘 다 82.4%와 동일), 대조군(75.0%)에 비해 9.9% 향상되었지만 장치 A(또는 장치 B)에서는 활성 물질이 덜 사용되었습니다. 35nm 너비의 격자 융기에 해당하는 최적화된 장치 A의 상대적으로 낮은 충전 비율은 높은 제조 어려움을 초래하는 반면 최적화된 장치 B의 충전 비율은 0.3(즉, D 나 =105nm) 나노임프린팅 기술을 통해 쉽게 처리할 수 있습니다[17, 29]. 그림 2a, b에서 평면 제어(75.0%)와 동일한 적분 효율의 등고선도 비교를 위해 점선으로 표시하였다. 점선 아래 η 나 제어보다 크며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 여기서 η가 개선된 영역을 볼 수 있습니다. 나 그림 2b의 그림 2a는 그림 2a보다 상당히 큰데, 이는 장치 B가 장치 A보다 기하학적 매개변수에 덜 민감함을 반영하는 것으로 나노기둥형 PME의 또 다른 장점이다.
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활성층의 통합 흡수 효율 맵(η 나 ) 대 장치 A의 배열 패턴의 채우기 및 높이(a ) 및 기기 B(b ) p일 때 A (또는 p 나 ) =350nm. 표시된 점 A에서 ( f A =0.1 및 h A =45nm) 및 지점 B(f 포함) 나 =0.3 및 h 나 =65nm), 장치 A와 장치 B는 각각 최적의 η를 생성합니다. 나 . 점선은 평면 제어와 동일한 통합 흡수 효율의 등고선을 나타냅니다.
또한 최적화된 장치 A의 격자가 최적화된 장치 B의 격자보다 약간 얕음을 알 수 있습니다. 격자 높이가 증가함에 따라 플라즈몬 모드가 더 강해질 수 있다는 것은 잘 알려져 있습니다. 그러나 이는 또한 활성 물질의 부피 감소를 초래합니다. 이 두 요소의 조합은 η 나 극대화됩니다. 그러나 금속의 단면적이 xy로 돌출되어 있기 때문에 최적화된 장치 A의 평면은 최적화된 장치 B의 평면보다 약 4배 더 크므로 동일한 측정으로 격자 높이를 높이면 장치 B에서보다 장치 A에서 활물질의 부피가 훨씬 더 많이 감소할 수 있습니다. 장치 A의 최적 높이가 장치 B의 최적 높이보다 작기 때문입니다. 또한 우리의 계산에 따르면 최적화된 장치 A의 격자 높이가 65nm로 증가하면 단파장 범위(<600nm)에서의 흡수가 감소합니다. 분명히(표시되지 않음) 활성 물질의 부피의 명백한 감소로 인한 반면, 장치 B의 경우 h 감소 나 65~45nm에서 활성 물질의 부피 변화가 매우 작기 때문에 조사된 파장 범위에서 흡수 저하가 무시할 수 있을 정도입니다.
그림 3a, b는 각각 최적의 장치 A와 장치 B의 흡수 스펙트럼을 보여줍니다. 비교를 위해 제어 장치의 흡수 스펙트럼도 점선으로 표시됩니다. 흡수 효율(η )는 전체 파장 범위에 대한 제어보다 큽니다. 그러나 그림 3a와 같이 장치 A의 경우 650nm 부근의 파장 범위에서 흡수가 감소합니다. 적분 흡수 효율이 소자 B만큼 높은 이유는 550nm 이하의 파장대역에서 상대적으로 흡수율이 높기 때문이다. 관찰된 흡수 향상의 물리적 기원을 설명하기 위해 제어 장치의 것보다 최적화된 두 장치의 상대 흡수 변화를 계산합니다(∆η ) (η /η 컨트롤 − 1) 그림 3c, d와 같이 조사된 파장 범위에서. 다시 말하지만, 두 개의 최적화된 장치에 대한 흡수 향상 계수의 스펙트럼은 서로 유사성을 나타냅니다.
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아 장치 A에 대한 활성층(고체)의 흡수 스펙트럼(a ) 및 기기 B(b ) 평면 컨트롤(점선)의 컨트롤에 대한 것입니다. 기기 A의 상대 흡수 변화 스펙트럼(c ) 및 장치 B(d ). 5개의 향상 피크는 c에 표시되어 있습니다. λ 1A =830nm, λ 2A =724nm, λ 3A =470nm, λ 4A =440nm 및 λ 5A =416nm이고 나머지 5개는 d로 표시됩니다. λ 1B =832nm, λ 2B =720nm, λ 3B =510nm, λ 4B =498nm 및 λ 5B =468nm. 기기 A와 기기 B는 최적의 η를 산출하는 기기입니다. 나 그림 2에서
활성 물질의 흡수 밴드 가장자리에서 ∆η로 명백한 향상 피크가 있습니다. 1보다 훨씬 큼[즉, λ 1A =832nm(또는 λ 1B =830 nm), ∆η =222%(또는 219%)로 표시된 대로]. 파장이 더 짧아지면 또 다른 작은 향상 피크[즉, λ 2A =720nm(또는 λ 2B =724nm) ∆η =4%(또는 10%)로 표시됨]. 그림 4a, b는 λ의 다양한 단면에서 전기 및 자기 분포(TM 분극 아래)의 맵을 보여줍니다. 1A 및 λ 2A , 각각. |E 지도에서 | z에서 =h A (그림 4a, b에서 i의 서브플롯), y - λ에서의 축 1A 그리고 x를 따라 - λ에서의 축 2A , 각각. 입사 편광이 x를 따라 있지만 -축, 우리는 λ에서 쌍극자와 같은 LPR을 목격합니다. 1A y를 따라 양극화됩니다. -축은 이러한 3D 구조가 y 방향으로 전기장을 산란시킬 수 있기 때문입니다. -중심선. |H 지도에서 | y에 =피 A /2(그림 4a, b에서 iii의 서브플롯)에서 전파 표면 플라즈몬 극성(SPP)이 z 평면의 금속/유전체 계면에서 여기되는 것을 볼 수 있습니다. =h A , 나노홀 경계에서 반사로 인해 금속 돌출된 능선 위에 갇히게 됩니다. 그러나 |H의 트랩된 모드는 | 이 두 피크에서의 공명은 차수가 다릅니다. λ에서 1A , |H | z의 필드 =h A (그림 4a의 ii 서브플롯)에는 x를 따라 두 개의 노드(최소 진폭 포함)가 있습니다. -축 및 y를 따라 하나의 노드 -축, 동안 λ 2A , x- 양쪽에 하나의 노드만 있습니다. 그리고 y -축(그림 4b에서 ii의 서브플롯). 전파되는 SPP의 영향 |E | λ에서 1A x에서 나노홀 가장자리 주변에서 갈라지는 현상 =0, 이는 표준 쌍극자와 같은 프로파일에서 왜곡됩니다. λ에 명시되어 있습니다. 2A , |이 | 나노홀 내부는 z 평면의 금속/유전체 계면에서 전파하는 SPP의 여기가 매우 강하기 때문입니다. =0(즉, 나노홀의 바닥)은 |E의 보강 간섭 패턴을 앞으로 가져옵니다. | 활성 레이어(도시되지 않음). 장치 B의 경우 λ의 다른 단면에서 TM 분극 하에서 전기 및 자기 분포의 맵 1B 및 λ 2B 그림 4c, d에도 각각 표시됩니다. |E에서 보입니다. | z의 지도 =h 나 (그림 4c, d에서 i의 서브플롯), λ 1B 또는 λ 2B , 쌍극자와 같은 LPR은 x를 따라 여기됩니다. -축이지만 (x) 중심에 밝은 점이 추가로 있습니다. =0, y =± p 나 /2) λ에서 발생 2B . |E의 추가 브라이트 스팟 생성 이유 | λ에서 2B 강한 |E와 유사합니다. | λ의 나노홀 내부 2A . 여기에서 전파하는 SPP는 나노기둥의 바닥에서 여기됩니다(z 평면에서 =0) |H | y의 지도 =피 나 /2(그림 4c, d에서 iii의 서브플롯), 결과적으로 |H의 간섭 노드 | 최소 진폭(즉, |E의 보강 간섭 영역 |) 나노홀 바닥에서 일정 거리 떨어져 있음. |E의 보강 간섭 패턴 | z 평면에서 관찰할 때 밝은 점으로 표시 =h 나 및 z의 =± p 나 /2(표시되지 않음) λ 피크에서 2B . 다르게 λ에서 1B , 전파하는 SPP는 z 평면에 강하게 갇혀 있습니다. =0, x를 따라 형성된 두 개의 노드 -축(|H | y의 지도 =피 나 /2)는 금속 나노기둥의 상단 표면에서 여기된 전파 SPP와 강하게 결합되어 있습니다(|H | z의 지도 =h 나 ) (그림 4c, d에서 ii의 서브플롯). 전파하는 SPP도 λ에서 금속 나노기둥의 상단 표면에서 여기되지만 2B , 진폭은 λ에서의 진폭에 비해 훨씬 낮습니다. 1B z 평면에서 =0. 요약하자면, 앞에서 조사한 장치 A에 대한 두 개의 피크와 장치 B에 대한 두 개의 피크에서 쌍극자와 같은 LPR과 전파하는 SPP 사이의 혼성화가 OSC 장치에 빛을 가두는 역할을 합니다.
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λ 피크의 다른 단면에서 TM 편광 아래 필드 맵 1A (아 ), λ 2A (b ), λ 1B (ㄷ ) 및 λ 2B (d ). 첫 번째 행 |E | z에서 =h A 또는 h 나 , 가운데 줄 |H | z에서 =h A 또는 h 나 , 맨 아래 줄 |H | y에 =피 A /2 또는 p 나 /2. 피크는 그림 3에 표시된 대로
그림 3c, d와 같은 향상 스펙트럼에서 600nm보다 짧은 파장 범위에서 여러 피크가 발생하는 광범위한 향상 범프가 있음을 알 수 있습니다. PME 패턴의 주기성이 감소하면 다중 피크가 사라지고 넓은 향상 범프만 남습니다. 따라서 짧은 파장 범위에서 흡수 피크의 필드 분포를 살펴보기 전에 PME 패턴의 주기성의 영향(p A 또는 p 나 ) 흡수 성능에 대해 수행되며, 장치 A(또는 장치 B)에 대한 PME의 격자 높이 및 충전 비율은 해당 최적 설계와 동일합니다. 그림 5a, b는 각각 기기 A와 기기 B의 조정된 주기에서 흡수 스펙트럼을 보여줍니다. 각 장치에 대해 격자 모멘텀에 둔감한 다중 직선 흡수 밴드가 국부적인 공진 모드(예:쌍극자와 같은 LPR과 이 백서에 제시된 전파 SPP 사이의 혼성화)로 인해 생성된다는 것이 발견되었습니다. 이것이 정확히 600nm보다 짧은 파장에서 관찰되는 넓은 향상 피크의 기원입니다. 동시에, 특히 주기성이 커질 때 형성되는 격자 운동량에 민감한 구부러진 흡수 밴드도 있습니다. 이러한 구부러진 흡수 밴드는 SPP 모드의 전파 상수와 2D 격자의 역 벡터 사이의 위상 일치로 인해 생성됩니다(여기서 수직 입사에서 입사 광자의 평면 내 운동량이 없음). 입사 파장이 길수록 특정 SPP 모드의 전파 상수가 작아지고 위상 정합을 위한 더 작은 역 벡터를 생성하기 위해 격자 주기가 더 길어집니다. 구부러진 흡수 밴드가 직선 밴드를 가로지르면 모드 분할이 발생하여 여러 피크가 있는 넓은 향상 범프를 일으킵니다. 통합 흡수 효율은 p에서 최적입니다. A (또는 p 나 ) =350nm, 국부적인 공진 모드가 그림 5c(또는 그림 5d)와 같이 장치 A(또는 장치 B)의 단파장 범위에서만 구부러진 표면 모드와 혼성화됩니다. 비정규 입사에서 표면 모드는 위상 일치 조건(표시되지 않음)을 충족하기 위해 입사각과 함께 이동하지만, 우리의 연구는 TM 또는 TE 편광에서 통합 흡수 효율이 다음과 같이 두 장치에 대해 거의 각도에 둔감하다는 것을 반영합니다. 그림 5e, f.
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아 , b PME 패턴의 주기성이 장치 A에 대한 수직 입사에서 조정될 때의 흡수 스펙트럼(a ) 및 기기 B(b ). 활성층의 통합 흡수 효율(η 나 ) 대 장치 A의 주기(c) ) 및 장치 B(d ) η를 나타내는 파선 나 제어 장치용. η 나 대 입사각 θ 최적의 장치 A에 대한 TM 또는 TE 편광(e ) 및 장치 B(f )
여기에서 우리는 각 장치에 대한 단파장 범위, 즉 λ에서 3개의 선택된 향상 피크의 필드 분포를 조사합니다. 3A =470nm, λ 4A =440nm 및 λ 5A =416nm(그림 3c 및 λ에 표시된 대로) 3B =510nm, λ 4B =498nm 및 λ 5B =468 nm(그림 3d에 표시된 대로). 그림 6a는 최적의 장치 A에 대한 세 개의 피크에서 서로 다른 단면의 필드 맵(TM 편광 아래)을 표시합니다. 다른 피크에서 맵의 유사성은 쌍극자와 같은 LPR에 있음을 알 수 있습니다(| 이 | z의 지도 =h A )(그림 6a의 i–iii 서브플롯) 및 금속 돌출된 융기부의 표면에 갇혀 있는 전파 SPP(|H | z의 지도 =h A ) (그림 6a에서 iv–vi의 서브플롯). 여기에서 금속 융기의 표면에서 전파하는 SPP가 x를 따라 하나의 노드만 있음을 알 수 있습니다. -축이지만 y를 따라 노드 없음 - λ에서의 축 3A , λ 4A , 및 λ 5A , 이는 λ의 경우와 다릅니다. 1A 및 λ 2A . λ에서 공진의 차이 3A , λ 4A , 및 λ 5A |H에서 명확하게 찾을 수 있습니다. | z의 지도 =0(그림 6a에서 vii–ix의 서브플롯). 나노홀 바닥에서 전파하는 SPP의 외피(z =0) λ에서 고리처럼 보입니다. 3A , 긴 축이 y를 따라 향하는 타원형 막대 - λ에서의 축 5A 링과 y를 따라 긴 축이 있는 두 개의 타원형 막대 - λ에서의 축 4A . 그림 6b는 λ의 여러 단면에서 필드 맵(TM 편광 아래)을 표시합니다. 3B , λ 4B , 및 λ 5B 최적의 장치 B에 대한 것입니다. 모든 피크에서 쌍극자와 같은 LPR은 |E에서와 같이 금속 나노 기둥의 상단 표면에서 여기됩니다. | z의 지도 =h 나 (그림 6b에서 i–iii의 서브플롯). 또한, 금속 나노 기둥의 상단 표면에서 전파되는 SPP(|H | z의 지도 =h 나 )(그림 6b에서 iv–vi의 서브플롯)은 λ에서 유사합니다. 3B , λ 4B , 및 λ 5B . 나노기둥 내부의 밝은 점 외에도 λ에서 나노기둥의 경계에 생성된 밝은 고리가 있습니다. 3B , λ 4B , 및 λ 5B , 이는 λ의 경우와 다릅니다. 1B 및 λ 2B . 장치 A와 유사하게 λ 피크 간의 차이 3B , λ 4B , 및 λ 5B 장치 B의 경우 또한 z 평면의 금속/유전체 인터페이스에서 전파하는 SPP의 엔벨로프에 있습니다. =0(그림 6b에서 vii–ix의 서브플롯). 두 장치 모두 PME 하단에서 다양한 전파 SPP 모드의 여기가 여러 개의 작은 피크와 중첩된 단파장 범위에서 광범위한 향상 범프를 유발합니다.
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λ 피크의 다른 단면에서 TM 편광 아래 필드 맵 3A , λ 4A , 및 λ 5A (아 ) 및 λ 3B , λ 4B , 및 λ 5B (b ). 첫 번째 행 |E | z에서 =h A 또는 h 나 , 가운데 줄 |H | z에서 =h A 또는 h 나 , 맨 아래 줄 |H | z에서 =0. 피크는 그림 3에 표시된 대로
결론적으로, 나노홀형과 나노기둥형 패턴 금속 전극을 기반으로 하는 유기 태양전지는 유사점과 차이점을 비교함으로써 체계적으로 조사되었다. 패턴화된 금속 전극 기반 유기 태양 전지는 모두 최적의 설계가 활용되는 경우 활성층에서 향상된 광 트래핑 효과로 평면 제어를 능가할 수 있음이 입증되었습니다. 2개의 최적 패턴화된 금속 전극 기반 유기 태양 전지에 대해 조사된 파장 범위에 대한 통합 흡수 효율은 거의 동일(82.4%)하여 대조군과 비교하여 9.9% 향상 계수로 이어집니다. 두 가지 유형의 패턴화된 금속 전극이 있는 유기 태양 전지의 활성층 두께가 대조군(캐비티 공진으로 인해 첫 번째 흡수 피크를 생성함)의 두께와 동일하다고 가정하면 패턴화된 금속 전극을 갖는 유기 태양 전지는 다음을 수행할 수 있습니다. 평면 제어 장치의 캐리어 수송 특성을 유지하지만 흡수가 향상되고 활성 물질이 적습니다. 두 개의 서로 다른 유기 태양 전지에 대한 개선된 광 트래핑 효과는 향상 피크에서 필드 분포를 분석하여 명확해졌습니다. 나노홀 유형의 패턴 금속 전극은 쌍극자와 같은 국부 플라즈몬 공명 및 금속 융기부의 상단에 국부화되는 전파 표면 플라즈몬 극성을 여기시킬 수 있습니다. 나노기둥 유형의 패턴화된 금속 전극은 또한 쌍극자와 같은 국부 플라즈몬 공명 및 금속 나노기둥의 상단에 국부화된 전파 표면 플라즈몬 극성을 여기시킬 수 있습니다. In addition, grating-coupled surface plasmon polariton modes at the bottom of patterned metallic electrodes are also excited, yielding multiple peaks superimposed over the broad enhancement bump at the wavelength range shorter than 600 nm. The integrated absorption efficiency is optimized with the periodicity of 350 nm when the localized resonant modes are hybridized with the bent surface modes only over the short wavelength range. In a comprehensive view, the nanopillar-type patterned metallic electrode is suggested to be applied in the present organic solar cell system, since its optimal design has a moderate filling ratio, which is much easier to process than its counterpart. The proposed study is expected to contribute to the development of high-efficiency organic solar cells.
나노물질
초록 산화물/금속/산화물(OMO) 레이어 스택은 박막 태양 전지의 전면 접촉으로 투명 전도성 산화물을 대체하는 데 사용됩니다. 이러한 다층 구조는 접점의 전체 두께를 줄일 뿐만 아니라 간섭 효과를 사용하여 셀을 착색하는 데 사용할 수 있습니다. 그러나, 금속층에 크게 의존하는 면저항과 기생흡수는 태양전지에서 더 높은 효율을 달성하기 위해 더욱 감소되어야 한다. 이 간행물에서 AgOX Cu(In,Ga)Se2의 성능을 향상시키기 위해 OMO 전극에 습윤층이 적용되었습니다. (CIGS) 박막 태양 전지. AgOX 습윤층은 다층 전극
초록 큰 작업 기능으로 인해 MoOX 박막과 결정질 실리콘 태양전지 모두에서 정공선택적 접촉에 널리 사용되어 왔다. 이 작업에서 열증발 MoOX 필름은 p의 뒷면에 사용됩니다. -유형 결정질 실리콘(p -Si) 태양 전지, 여기서 MoOX의 광학 및 전자 특성 필름 및 해당 장치 성능은 어닐링 후 처리의 기능으로 조사됩니다. MoOX 100°C에서 열처리된 필름은 가장 높은 일함수를 나타내며 에너지 밴드 시뮬레이션 및 접촉 저항 측정 결과를 기반으로 최고의 홀 선택성을 입증합니다. 전체 후면 p -Si/MoOX /Ag 접촉 태양전