Сравнительное исследование наноотверстий и нанопиляров на металлических электродах для усиления органических солнечных элементов

Аннотация

Структурированные металлические электроды (PME) — проверенная стратегия для усиления светозахвата в тонкопленочных органических солнечных элементах (ОСЭ). Две доминирующие геометрии PME — массивы наноотверстий и нанопиляров — тестировались экспериментально, но их относительные достоинства оставались неясными. В этой работе мы проводим всестороннее теоретическое сравнение этих двух архитектур в активном слое PSBTBT:PC₇₁BM. Оптимизируя высоту, период и коэффициент заполнения каждого PME, мы находим, что оба дизайна дают идентичную интегральную эффективность поглощения 82,4 % в диапазоне 350–850 нм — улучшение на 9,9 % по сравнению с планарным референсом. Несмотря на схожую спектральную производительность, базовые механизмы светозахвата различаются: PME с наноотверстиями опираются на диполь-подобные локализованные плазмонные резонансы (LPR) и поверхностные плазмонно-поляритоны (SPP), локализованные на вершинах гребней, тогда как PME с нанопилярами активируют аналогичные моды на вершинах пиляров, а также возбуждают дополнительные SPP у основания. Конфигурация с нанопилярами предлагает умеренный коэффициент заполнения (≈30 %) и более допустимое окно фабрикации, делая ее практическим выбором для высокоэффективных ОСЭ.

Введение

Субволновые металлические наноструктуры могут кардинально менять оптический отклик ОСЭ, позволяя гибридные плазмонно-фотонные моды, усиливающие поглощение в ультратонких активных слоях. Существует две основные семьи PME:

• PME с наноотверстиями — изолированные пустоты в непрерывной металлической пленке; окружающий металл может осаждаться после импринтирования активного слоя, образуя нанопилярные контакты на органической поверхности.
• PME с нанопилярами — изолированные металлические пиляры на непрерывной пленке, достигаемые импринтированием активного слоя пилярами и последующим испарением металла для их покрытия.

Оба подхода улучшают оптические, электрические и морфологические свойства, но их сравнительная производительность и оптимальные проектные параметры не были систематически изучены. Это исследование заполняет этот пробел.

Методы

Рассматриваемая структура ОСЭ: ИОТ / PEDOT:PSS / PSBTBT:PC₇₁BM / Ag. Активный слой (85 нм) использует PSBTBT:PC₇₁BM за его широкое поглощение (350–900 нм). Построили две модельные структуры:

• Устройство A — PME с наноотверстиями (период = pₐ, ширина = Dₐ, высота = hₐ).
• Устройство B — PME с нанопилярами (период = p_b, ширина = D_b, высота = h_b).

Проводили FDTD-моделирование с периодическими граничными условиями по x и y, идеально согласованными слоями сверху и снизу, и TM/TE освещением со стороны ИОТ. Оптические константы материалов брали из литературы. Извлекали эффективность поглощения (η) и интегральную эффективность поглощения (η_I) в диапазоне 350–850 нм (взвешенную AM1.5G) для каждой геометрии.

Результаты и обсуждение

Оптимальные геометрии

• Устройство A (наноотверстия) — hₐ = 45 нм, fₐ = 0,10 (Dₐ = 35 нм, p = 350 нм).
• Устройство B (нанопиляры) — h_b = 65 нм, f_b = 0,30 (D_b = 105 нм, p = 350 нм).

Обе конфигурации достигают η_I = 82,4 % (≈ 9,9 % выше планарного контроля, 75,0 %). Умеренный коэффициент заполнения Устройства B дает большую допустимость проектирования и более легкую наноимпринт-фабрикацию по сравнению с мелкой, тесно упакованной структурой Устройства A.

Спектральный анализ

• Устройство B последовательно превосходит планарный референс по всему спектру.
• Устройство A показывает провал около 650 нм, но компенсирует более сильным поглощением ниже 550 нм, давая идентичную η_I.
• Оба устройства демонстрируют пять основных пиков усиления (λ₁–₅), где относительное изменение поглощения Δη достигает 219–222 % на краю зоны (~830 нм).

Инсайты из распределения поля

• При λ₁ и λ₂ диполь-подобные LPR сосуществуют с SPP, запертыми на вершинах металлических выступов, гибридизируясь для концентрации света внутри активного слоя.
• Коротковолновые пики (λ < 600 нм) возникают от множественных SPP мод, возбужденных у основания PME, производя широкий набор усиления с несколькими сателлитными пиками.
• Вариация периода показывает, что 350 нм оптимально сцепляет локализованные резонансы с изогнутыми поверхностными модами, максимизируя η_I при сохранении нечувствительности к углу падения для TM и TE поляризаций.

Заключение

Это систематическое сравнение демонстрирует, что и наноотверстия, и нанопиляры на металлических электродах могут усилить поглощение ОСЭ почти на 10 % при сохранении переноса зарядов. Интегральная эффективность поглощения 82,4 % достигается с той же толщиной активного слоя, что и планарный контроль, указывая на минимальный материаловый штраф. Устройство B (нанопиляры) рекомендуется для практической реализации благодаря более легкой фабricaции и надежной допустимости проектирования. Исследование подчеркивает критическую роль гибридных плазмонно-фотонных резонансов в светозахвате и предоставляет проектные руководства для высокоэффективных ОСЭ следующего поколения.