나노입자 플라스몬 강화 유기 태양 전지의 설계 원칙

초록

플라즈몬 금속 나노 입자는 광 흡수와 캐리어 수집 사이의 균형을 극복하기 위해 유기 태양 전지에 결합됩니다. 그들은 일반적으로 활성 레이어 내부 또는 외부에 있습니다. 그러나 나노입자가 활성층 내부 또는 외부에 위치할 때의 광흡수 차이에 대한 자세한 비교는 보고되지 않았다. 이 논문에서 우리는 유기 태양 전지에서 Ag 나노구가 광활성 층의 내부와 외부에 위치할 때 광포집 능력을 비교합니다. 우리는 큰 크기의 나노입자가 활성층 외부에 배치될 때 선호되고 작은 크기의 나노입자가 균일한 활성층에 나노입자를 내장하는 경우 선호된다는 것을 보여줍니다.

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배경

유기 태양 전지(OSC)는 경량, 저비용, 저온 제조 공정, 반투명성 및 기계적 유연성을 포함한 OSC의 장점으로 인해 비용 효율적인 PV(photovoltaics)를 달성하기 위해 주류 무기 태양 전지를 대체하는 이상적인 후보입니다. 1, 2]. OSC의 최근 발전은 단일 접합 장치를 기반으로 10% 이상의 전력 변환 효율(PCE)을 입증했으며, 이는 Si 및 GaAs 대응 제품과 직접적인 경쟁에 놓이게 했습니다. 단일 접합 지상파 OSC는 글로벌 AM1.5 스펙트럼(1000W/m² )에서 측정된 11.2 ± 0.3의 효율을 달성했습니다. ) 25°C에서 [2]. 폴리머는 표준 테스트 조건에서 인증된 10.6% 전력 변환 효율로 솔루션 처리된 탠덤 태양 전지를 가능하게 합니다[3]. 풀러렌이 없는 OSC를 위한 새로운 폴리머 공여체(PBDB-T-SF)와 새로운 소분자 수용체(IT-4F)가 설계 및 합성되어 13.1%의 PCE를 산출했습니다[4]. 14%의 PCE를 제공하는 삼원 유기 태양 전지가 보고되었습니다[5]. 효율이 10%까지 떨어졌지만 전체 규모의 시장은 Si 태양전지와 경쟁할 만큼 성숙하지 못했다. OSC의 핵심 과제는 산업 제조 공정에서 효율성을 10% 이상으로 높이는 데 있습니다. 유기 분자의 고유한 낮은 전하 캐리어 이동도 및 여기자 확산 특성으로 인해 OSC의 두께가 제한되어 OSC의 광 흡수를 억제합니다. 광 흡수와 캐리어 수집 사이의 균형을 피하기 위해 지난 수십 년 동안 양자점 태양 전지[6,7,8,9], 나노와이어 태양 전지[10, 11]와 같은 많은 빛 포착 방식이 제안되었습니다. 및 플라즈몬 태양 전지 [6, 12, 13]. 플라즈몬 태양 전지는 캐리어 수집 효율을 유지하면서 태양 전지의 광 수확을 높이는 실용적인 방법을 제공합니다[14]. 태양 전지에 통합된 귀금속 나노입자(NP)는 고도로 집중된 근거리장을 생성하고 원거리장 산란 및 도파관 결합을 통해 경로 길이를 증가시켜 효율성을 향상시킬 수 있습니다[15]. 예를 들어, 플라즈몬 강화 무기 태양 전지에 대한 이전 시뮬레이션은 개념 증명 시연을 위해 10–100nm 두께의 활성층을 채택했습니다[12, 16,17,18].

주류 OSC 설계 프로세스에서 플라즈몬 금속 NP는 활성층 외부/내부에 위치합니다. OSC의 활성층에 금속 NP를 포함하면 LSPR(Localized Surface Plasmon Resonance)의 강력하게 제한된 필드와 활성층 내에서 보다 효율적인 광산란을 활용하는 동시에 활성층 외부에 금속 NP를 도입하는 것은 NP를 결합하여 달성할 수 있습니다. 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌 설포네이트)(PEDOT:PSS) 버퍼 층 내부. 그러나 플라즈몬 나노입자가 이 두 구조에 도입될 때 영향을 구별하기 위한 비교는 없습니다. 이 논문에서 우리는 NP가 활성 레이어 내부와 외부에 배치될 때의 빛 포착 능력을 비교합니다. 우리의 작업은 NP 플라즈몬 강화 OSC에 대한 설계 원칙을 제공합니다.

방법

모든 시뮬레이션은 Maxwell 방정식을 푸는 FDTD(Finite-Difference Time-Domain) 방법을 사용하여 수행되었습니다. 산란 단면 시뮬레이션 동안 300~700nm 범위의 파장에서 TFSF(전계 산란장) 소스를 NP가 포함된 상자에 주입했습니다. 여기에서 시뮬레이션에서 Ag의 플라즈몬 공명이 P3HT:PCBM의 흡수 스펙트럼에 잘 맞기 때문에 Ag를 선택합니다[19, 20]. 음극 Al 재료는 ref. [21]. 복소 굴절률(n , k )의 ITO 및 Ag는 refs에서 피팅되었습니다. [21, 22], 각각. n 그리고 k PEDOT:PSS 및 폴리(3-헥실티오펜)(P3HT) 및 [6,6]-페닐-C61-부티르산 메틸 에스테르(PCBM)의 블렌드가 refs에서 적합했습니다. [23, 24], 각각 그림 1a, b에 다시 표시됩니다. ITO, PEDOT:PSS 및 P3HT:PCBM의 두께는 각각 100, 40, 200nm입니다. 시뮬레이션에서 PEDOT:PSS를 버퍼 레이어로 선택하고 P3HT:PCBM을 활성 레이어로 선택합니다[14, 24]. 정규화된 산란/흡수 단면적, Q _scat /질문 _복근 는 NP의 기하학적 단면으로 나눈 산란/흡수 단면으로 정의됩니다. 기판으로 산란된 빛의 비율, f _서브 는 기판을 향해 산란된 전력을 총 산란된 전력으로 나눈 값으로 정의됩니다. Ag NP의 경우 무시 메쉬 설정 dx =dy =dz =0.1, 0.5 및 1nm가 소형(5, 10nm), 중형(20, 40nm) 및 대형(60, 80nm)에 대해 선택되었습니다. ) NP, 각각 다른 시뮬레이션 영역에서는 자동 메시 생성 방법이 사용되었습니다. 우리는 발표된 실험 작업[25, 26]을 기반으로 소형(5, 10nm), 중형(20, 40nm) 및 대형(60, 80nm) NP를 정의합니다. 메쉬 크기를 줄이고 결과가 수렴될 때까지 완벽하게 일치하는 레이어(PML) 매개변수를 설정했습니다.

<사진>

복합 굴절률 n 및 소광 계수 k PEDOT:PSS a 및 P3HT:PCBM b FDTD 시뮬레이션에서

결과 및 토론

그림 2a, b에서 볼 수 있듯이, 아키텍처는 Ag 나노입자가 활성층 내부 또는 외부에 위치하는 경우에 해당합니다. 실제 제조 공정에서 PEDOT:PSS 층의 두께는 ~ 50nm이고 활성층은 ~ 200nm입니다. 시뮬레이션에서 이 두 레이어는 각각 40nm와 200nm로 설정됩니다. 활성층 내에 위치한 NP의 경우 NP가 균질한 물질에 있을 때 계산 결과에 영향을 미치지 않습니다. 활성층 외부에 위치한 나노입자의 경우 많은 간행물이 PEDOT:PSS에 완전히 내장된 나노입자를 사용하지만 일부 간행물은 PEDOT:PSS 층의 두께를 초과하는 큰 나노입자를 사용합니다[27, 28]. 따라서 실험 제작에 적용할 수 있습니다. n ITO 및 PEDOT:PSS(400–800 nm)는 각각 ~ 2.1–1.6 및 ~ 1.55–1.45입니다. n의 차이 분명하지 않습니다. 흡수 및 산란 단면 계산에 대한 근사 이론[15]에 따르면 PEDOT:PSS에서 완전히 덮인 NP와 부분적으로 덮인 NP 사이의 단면 차이는 상당히 작습니다. 따라서 NP가 PEDOT:PSS 및 활성층의 두께보다 클 때 계산된 결과에 약간의 영향을 미친다는 결론을 내릴 수 있습니다. 광 포획을 위한 NP의 플라즈몬 효과의 역할도 구조에 설명되어 있습니다. 빛 포착 능력의 요구 사항은 두 구조 간에 다릅니다. 그림 2a에서 NP는 활성 유기층 외부에 위치하기 때문에 NP 하단의 근거리장만 흡수 향상에 기여하기 때문에 근접장 향상은 흡수 향상에 제한적인 영향을 미칩니다. 또한 직경이 증가함에 따라 큰 나노입자의 근거리장은 나노입자 표면에서 멀어질수록 더 먼 거리를 관통합니다[29]. 직경이 커질수록 산란 효과는 미에 이론에 따라 더 강해집니다. 따라서 NP가 활성층 외부에 위치하는 경우 근거리장 향상을 고려할 필요가 없습니다. 그러나 활성층의 NP는 그림 2b와 같이 근접장 향상의 혜택을 받아 효과적인 흡수 단면적을 증가시켜 여기자 해리를 증가시킵니다.

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a에서 산란 및 로컬 필드 향상을 통한 빛 트래핑의 개략도 활성 레이어 외부에 위치한 NP 및 b 활성 레이어 내부에 위치한 NP

활성 레이어 외부에 위치한 NP

플라즈몬 NP 기반 OSC에서 광 흡수 향상이 관찰되지만 활성층의 베어 금속 NP는 쌍극자-쌍극자 및 전하 트래핑 커플링으로 인해 금속 표면 근처에서 전하 재결합 및 여기자 소광을 유도합니다[12, 30]. 크기가 증가함에 따라 전하 재결합 및 여기자 소광이 더 심각해질 것입니다[31, 32]. NP의 여기자 소광 및 전하 트래핑 효과를 억제하기 위해 금속성 NP에 얇은 유전층을 코팅하는 방법[12, 30], 액체에서 레이저 삭마로 NP를 형성하는 방법[33], NP를 외부에 배치하는 방법 등 세 가지 방법이 도입될 수 있습니다. 활성층 [14, 28]. 위의 섹션에서 논의한 바와 같이 NP가 활성층 외부에 위치할 때 NP의 산란 특성은 빛 트래핑에 중요합니다. 따라서 활성 레이어 아래에 산란된 빛의 비율, f _서브 , 그림 3a와 같이 직경이 다른 NP 간에 비교됩니다. f의 트렌드 _서브 NP의 크기가 증가함에 따라 증가하며, 이는 ref에서 계산된 바와 같이 Si 표면에 위치한 Ag NP와 일치하지 않습니다. [17]. 그림 3a에서 볼 수 있듯이 ~ 550nm에서 명백한 딥이 발생합니다. 이는 많은 양의 빛이 뒤쪽으로 산란되어 낭비된다는 것을 의미합니다. 그러나 크기가 다른 NP의 산란 기여도는 f가 다르기 때문에 판단하기 어렵습니다. _서브 가치. 따라서 총 Q _scat 및 Q _scat 그림 3b와 같이 기판에 산란된 빛에 대해 크기가 증가함에 따라 총 Q _scat 큰 크기의 NP는 광대역 스펙트럼 내에서 중간 크기 및 작은 크기의 NP를 초과하는 큰 값을 갖습니다. 산란이 큰 대형 NP Q _scat 태양광을 광활성 층에 결합하고 가두어 광학 경로 길이를 향상시키는 효과적인 하위 파장 산란 요소로 작용합니다[16].

<그림>

아 활성 레이어로 산란된 빛의 비율입니다. ㄴ 전체 산란 단면적(실선), 기판으로 산란된 빛의 단면적(점선), 모두 기하학적 단면으로 정규화됨

OSC의 Al 음극은 접점 역할을 할 뿐만 아니라 미러 역할도 하여 활성층에서 빛의 경로 길이를 연장합니다. 따라서 우리는 Al 음극이 나타날 때 산란 특성을 추가로 조사합니다. 시뮬레이션에서 150nm Al이 활성층과 접촉합니다. 그림 4는 f를 보여줍니다. _서브 다양한 NP의 그림 4a에서 알 수 있듯이 f _서브 Al 거울을 도입한 후 크게 개선되었습니다. 그러나 Q _scat 의 NP는 그림 4b에서 볼 수 있듯이 약간 영향을 받습니다. Al 거울이 존재하는지 여부에 관계없이 큰 크기의 NP는 큰 산란 단면을 나타내며 많은 양의 빛이 기판으로 산란됩니다. 따라서 광학 시뮬레이션의 관점에서 NP가 활성층 외부에 위치할 때 큰 크기의 NP가 선호됩니다.

<그림>

아 Al 음극이 있는 활성층으로 산란된 빛의 비율. ㄴ 전체 산란 단면적(실선) 및 기판으로 산란된 빛의 단면적(점선), Al 음극 제시, 모두 기하학적 단면으로 정규화됨

활성 레이어 내부에 위치한 NP

NP가 활성층의 매트릭스에 위치하는 동안, 원거리 산란 및 근거리 필드 향상은 OSC에 동시에 영향을 미칩니다. 준정적 한계에서 빛의 파장보다 훨씬 작은 크기를 가진 NP의 경우 산란/흡수 단면적은 다음 식으로 해석할 수 있습니다. 1 [15]:

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

여기서 α _sp 구의 극성화 가능성:

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

여기서 ε _m 그리고 ε _s 는 각각 주변 물질과 구의 유전율입니다. 나노입자가 외부에 있는 경우 주변 유전 환경이 복잡하고 균질한 환경에서 근사하여 계산할 수 있다[15]. 질문 _scat 및 Q _복근 그림 5a, b에 각각 표시됩니다. 5~10nm 범위의 직경을 가진 활성층에 포함된 작은 NP에 대해 흡수가 지배적입니다. 플라즈몬 근거리장은 활성층에 결합되어 여기자 해리를 향상시키는 흡수 단면적을 증가시킵니다. 그러나 Q _scat 활성층 외부에 위치한 NP보다 훨씬 낮습니다. 산란 효율, Q _sc , Q로 정의 _scat /(질문 _scat + Q _복근 ), 산란 또는 흡수 우세를 평가하기 위해 그림 5c에 표시됩니다. 질문 _scat 모든 NP의 값은 0.5 이하이며, 이는 흡수가 300~700nm에서 우세함을 나타냅니다. 따라서 NP의 향상된 흡수 단면은 외부 경우와 같이 단면을 산란시키는 것보다 균일한 매트릭스에 포함될 때 중요합니다. 그림 6은 NP와 결합된 활성층의 흡수 스펙트럼을 보여줍니다. 작은 NP는 명백한 흡수 향상이 있지만 크기가 증가함에 따라 흡수 스펙트럼이 저하됩니다. 큰 크기의 NP의 산란으로 빛의 흡수를 높일 수 있지만 그림 5a, b와 같이 산란 증가가 흡수 감소를 보상할 수 없습니다. 전기적 고려를 위해 Q 증가 _복근 작은 NP는 OSC에서 엑시톤 해리를 개선하는 데 사용할 수 있으며 큰 NP는 재조합 및 엑시톤 퀜칭을 발생시킵니다[25]. 크기가 증가함에 따라 전하 재결합 및 여기자 소광이 더 심각해질 것입니다[31]. 따라서 활성층으로 덮일 때 작은 NP가 선호됩니다.

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정규화된 산란 단면(a ), 흡수 단면적(b ), 산란 효율(c ) 균질한 활성층에서 크기가 다른 NPs

<그림>

Al 캐소드가 활성층과 접촉된 균일 활성층에서 크기가 다른 NP의 흡수 색상 맵

결론

결론적으로 활성층 내부와 외부에 위치한 Ag 나노입자의 광포집 능력을 조사하였다. NP가 활성층 외부에 위치할 때 활성층으로 산란되는 빛의 비율이 중요합니다. 크기가 큰 나노입자는 산란 단면적이 크고 광활성층 아래에서 많은 양의 빛이 산란되는 것이 바람직하다. 반면에 NP가 균질한 활성층에 내장될 때 흡수 단면적은 필수적입니다. 작은 크기의 NP는 큰 흡수 단면적 때문에 OSC의 광 흡수를 높일 수 있습니다. 우리는 우리 연구의 결과가 비용 효율적인 OSC 장치로 가는 길을 열 수 있다고 믿으며 이 접근 방식은 다른 유형의 활성 물질을 특징으로 하는 OSC 시스템에 적용될 수 있습니다.

약어

FDTD:: 유한 차분 시간 영역
ITO:: 인듐 주석 산화물
LSPR:: 국부적인 표면 플라즈몬 공명
NP:: 나노입자
OSC:: 유기 태양 전지
P3HT:: 폴리(3-헥실티오펜)
PCBM:: [6,6]-페닐-C61-부티르산 메틸 에스테르
PCE:: 전력 변환 효율
PEDOT:PSS:: 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌 술포네이트)
PML:: 완벽하게 일치하는 레이어
PV:: 태양광
TFSF:: 전체 필드 분산 필드

티타니아 나노튜브의 열전도율에 대한 형태 및 결정 구조의 영향 페로브스카이트 태양 전지의 변환 효율에 대한 TiO2 컴팩트 층에 내장된 다양한 크기 및 농도의 Ag 나노 입자의 영향

나노물질