Сравнение металлических электродов с рисунком типа Nanohole и Nanopillar, используемых в органических солнечных элементах

Карты интегральной эффективности поглощения в активном слое ( η _Я ) по сравнению с заполнением и высотой массивов узоров в устройстве A ( a ) и Устройство Б ( b ), когда p _A (или p _B ) =350 нм. В обозначенной точке A (с f _A =0,1 и h _A =45 нм) и точка B (с f _B =0,3 и h _B =65 нм), устройство A и устройство B, соответственно, обеспечивают оптимальное η _Я . Пунктирная кривая представляет собой контурную линию интегральной эффективности поглощения, равной эффективности планарного контроля

Также следует отметить, что решетка в оптимизированном устройстве A немного мельче, чем решетка в оптимизированном устройстве B. Хорошо известно, что с увеличением высоты решетки плазмонные моды могут стать сильнее. Однако это также приводит к уменьшению объема активного материала. Комбинация этих двух факторов приводит к оптимальной высоте решетки, когда η _Я максимально. Однако, поскольку площадь поперечного сечения металла выступает в области xy Плоскость для оптимизированного устройства A примерно в четыре раза больше, чем для оптимизированного устройства B, увеличение высоты решетки с помощью той же меры может привести к гораздо большему уменьшению объема активного материала в устройстве A, чем в устройстве B. быть причиной того, что оптимальная высота для устройства A меньше, чем для устройства B. Наш расчет также показывает, что, когда высота решетки оптимизированного устройства A увеличивается до 65 нм, поглощение в коротковолновом диапазоне (<600 нм) уменьшается. очевидно (не показано) из-за очевидного уменьшения объема активного материала, тогда как для устройства B уменьшение h _B от 65 до 45 нм дает незначительное ухудшение поглощения в исследованном диапазоне длин волн, поскольку изменение объема активного материала очень мало.

На рис. 3a, b показаны спектры поглощения оптимального устройства A и устройства B соответственно. Для сравнения пунктирной линией также показан спектр поглощения контрольного устройства. На рис. 3б видно, что эффективность поглощения ( η ) устройства B больше, чем у регулятора во всем диапазоне длин волн. Но для устройства A, как показано на рис. 3a, наблюдается уменьшение поглощения в диапазоне длин волн около 650 нм; Причина того, что интегральная эффективность поглощения такая же, как у устройства B, связана с относительно большим поглощением в диапазоне длин волн короче 550 нм. Чтобы выяснить физические причины наблюдаемого увеличения поглощения, мы вычисляем относительное изменение поглощения для двух оптимизированных устройств по сравнению с контрольным устройством (∆ η ) ( η / η _{элемент управления} - 1) в исследуемом диапазоне длин волн, как показано на рис. 3в, г. Опять же, спектры коэффициента усиления поглощения для двух оптимизированных устройств демонстрируют сходство друг с другом.

а Спектры поглощения в активном слое (сплошном) для устройства A ( a ) и Устройство Б ( b ) относительно планарного управления (штриховая линия). Спектры изменения относительного поглощения для устройства A ( c ) и Устройство B ( d ). Пять пиков улучшения отмечены в c . с λ _1A =830 нм, λ _2A =724 нм, λ _3A =470 нм, λ _4A =440 нм и λ _5A =416 нм, а остальные пять помечены d с λ _1B =832 нм, λ _2B =720 нм, λ _3B =510 нм, λ _4B =498 нм и λ _5B =468 нм. Устройство A и устройство B - это устройства, обеспечивающие оптимальную η _Я на рис. 2

На краю полосы поглощения активного материала есть очевидный пик усиления с ∆ η намного больше 1 [т. е. λ _1A =832 нм (или λ _1B =830 нм) с ∆ η =222% (или 219%), как указано]. Когда длина волны становится короче, появляется еще один второстепенный пик усиления [т.е. λ _2A =720 нм (или λ _2B =724 нм) с ∆ η =4% (или 10%), как указано]. На рис. 4а, б показаны карты электрического и магнитного распределений (при ТМ поляризации) в различных сечениях при λ _1A и λ _2A , соответственно. С карт | E | в z = h _A (части i на рис. 4a, b), очевидно, что дипольные локализованные плазмонные резонансы (LPR) возбуждаются вдоль y -ось на λ _1A и вдоль x -ось на λ _2A , соответственно. Хотя падающая поляризация вдоль x -оси, мы видим, что дипольоподобный LPR на λ _1A поляризован по y -оси, потому что такая трехмерная структура может рассеивать электрическое поле в направлении y -ось. С карт | H | в y = p _A / 2 (части iii на рис. 4a, b), мы видим, что распространяющиеся поверхностные плазмон-поляритоны (SPP) возбуждаются на границе раздела металл / диэлектрик в плоскости z = h _A , будучи захваченным наверху металлического выступающего гребня из-за отражения от границы наноотверстий. Однако захваченные режимы | H | резонансы на этих двух пиках имеют разный порядок. Видно, что при λ _1A , | H | поле в точке z = h _A (участок ii на рис. 4a) имеет два узла (с минимальной амплитудой) вдоль x -ось и один узел по y -ось, а на λ _2A , есть только один узел по обеим сторонам x- и y -axes (участок ii на рис. 4b). Под влиянием распространяющихся SPP, | E | при λ _1A показывает расщепление по краю наноотверстия в x =0, что искажено по сравнению со стандартным дипольным профилем. Он отмечен на λ _2A , | E | внутри наноотверстия достаточно сильное, потому что возбуждение распространяющихся SPP на границе раздела металл / диэлектрик в плоскости z =0 (т.е. дно наноотверстия) вызывает конструктивную интерференционную картину | E | в активном слое (не показан). Для устройства B карты электрического и магнитного распределения при TM-поляризации в различных сечениях на λ _1B и λ _2B также показаны на рис. 4в, г соответственно. Это видно из | E | карты в z = h _B что (участки i на рис. 4c, d) для любого λ _1B или λ _2B , дипольоподобный LPR возбуждается вдоль x -axis, но есть дополнительное яркое пятно с центром в точке ( x =0, y =± p _B / 2) происходящее на λ _2B . Причина генерации этого дополнительного яркого пятна | E | при λ _2B аналогичен сильному | E | внутри наноотверстия на λ _2A . Здесь распространяющиеся ППП возбуждаются в нижней части наностолбика (в плоскости z =0) можно увидеть в | H | карта в y = p _B / 2 (части iii на рис. 4c, d), что приводит к узлу интерференции | H | с минимальной амплитудой (т.е. область конструктивной интерференции | E |) на определенном расстоянии от дна наноотверстия. Конструктивная интерференционная картина | E | отображается как яркое пятно при наблюдении в плоскости z = h _B и z =± p _B / 2 (не показано) на пике λ _2B . Иначе при λ _1B распространяющиеся ППП сильно захвачены в плоскости z =0 с двумя узлами, образованными вдоль x -ось (как показано на | H | карта в y = p _B / 2 на рис. 4c), который сильно связан с распространяющимися плазмонными плазмами, возбужденными на верхней поверхности металлического наностолба (как показано на | H | карта в z = h _B ) (части ii на рис. 4c, d). Хотя распространяющиеся ППП также возбуждаются на верхней поверхности металлического наностолбика на λ _2B , его амплитуда намного меньше, чем на λ _1B в плоскости z =0. Подводя итог, можно сказать, что на ранее исследованных двух пиках для устройства A и двух пиков для устройства B гибридизация между дипольноподобными LPR и распространяющимися SPP ответственна за захват света в устройствах OSC.

Карты поля при ТМ поляризации в разных сечениях на пиках λ _1A ( а ), λ _2A ( б ), λ _1B ( c ) и λ _2B ( д ). Первый ряд | E | в z = h _A или h _B , средний ряд | H | в z = h _A или h _B , и нижний ряд | H | в y = p _A / 2 или p _B / 2. Пики обозначены на рис. 3

Из спектров усиления, показанных на рис. 3c, d, видно, что в диапазоне длин волн короче 600 нм наблюдается широкий выступ усиления с множеством пиков. Если периодичность паттерна PME уменьшается, множественные пики исчезают, а остается только широкий выступ усиления. Таким образом, прежде чем изучать распределения поля на пиках поглощения в коротковолновом диапазоне, необходимо рассмотреть влияние периодичности диаграммы PME ( p _A или p _B ) на характеристики поглощения, при этом высота решетки и коэффициент заполнения PME для устройства A (или устройства B) такие же, как у соответствующей оптимальной конструкции. На рис. 5а, б показаны спектры поглощения с настроенной периодичностью для устройства A и устройства B соответственно. Обнаружено, что для каждого устройства из-за локализованных резонансных мод (например, гибридизации между дипольноподобными LPR и распространяющимися SPP, как представлено в этой статье) возникают множественные прямые полосы поглощения, нечувствительные к импульсу решетки. Это и есть происхождение широкого пика усиления, наблюдаемого на длинах волн короче 600 нм. В то же время, есть также некоторые изогнутые полосы поглощения, которые чувствительны к импульсу решетки, особенно когда периодичность становится большой. Само собой разумеется, что эти изогнутые полосы поглощения возникают из-за фазового синхронизма между константами распространения SPP-мод и обратными векторами 2D-решетки (здесь отсутствует импульс падающих фотонов в плоскости при нормальном падении). Чем больше длина падающей волны, тем меньше постоянная распространения определенной моды SPP, соответственно, тем больше период решетки, чтобы получить меньший обратный вектор для фазового синхронизма. Когда изогнутые полосы поглощения пересекают прямые полосы, происходит расщепление мод, вызывающее широкий выступ усиления с множеством пиков. Интегрированная эффективность поглощения оптимальна при p _A (или p _B ) =350 нм, когда локализованные резонансные моды гибридизируются с модами изогнутой поверхности только в коротковолновом диапазоне для устройства A (или устройства B), как показано на фиг. 5c (или фиг. 5d). При падении, отличном от нормального, поверхностные моды смещаются в зависимости от угла падения, чтобы выполнить условие фазового синхронизма (не показано), даже несмотря на то, что наше исследование отражает, что интегральные эффективности поглощения при TM или TE поляризации практически нечувствительны к углу для обоих устройств, поскольку показано на рис. 5д, е.

а , b Спектры поглощения при настройке периодичности диаграмм PME при нормальном падении для Устройства A ( a ) и Устройство Б ( b ). Интегральная эффективность поглощения в активном слое ( η _Я ) по сравнению с периодичностью для устройства A ( c ) и Устройство B ( d ) с пунктирной линией, представляющей η _Я для устройства управления. η _Я от угла падения θ при поляризации TM или TE для оптимального устройства A ( e ) и Устройство B ( f )

Здесь мы исследуем распределения поля трех выбранных пиков усиления в коротковолновом диапазоне для каждого устройства, то есть λ _3A =470 нм, λ _4A =440 нм и λ _5A =416 нм, как показано на рис. 3c и λ _3B =510 нм, λ _4B =498 нм и λ _5B =468 нм, как показано на рис. 3d. На рисунке 6a показаны карты поля (при TM поляризации) в разных сечениях на трех пиках для оптимального устройства A. Видно, что сходство карт на разных пиках лежит в дипольных LPR (как показано на | E | карты в z = h _A ) (участки i – iii на рис. 6a), а также распространяющиеся ППП, захваченные на поверхности металлического выступающего гребня (как видно из | H | карты в z = h _A ) (участки iv – vi на рис. 6а). Здесь мы видим, что распространяющиеся СПП на поверхности металлического гребня имеют только один узел вдоль x -ось, но нет узла вдоль y -ось на λ _3A , λ _4A , и λ _5A , которые отличаются от случаев при λ _1A и λ _2A . Различия между резонансами на λ _3A , λ _4A , и λ _5A можно четко найти в | H | карты в z =0 (участки vii – ix на рис. 6a). Огибающая распространяющихся ППП на дне наноотверстия ( z =0) кажется кольцом на λ _3A , а эллиптический стержень с длинной осью, направленной вдоль y -ось на λ _5A и кольцо плюс два эллиптических стержня с длинными осями вдоль y -ось на λ _4A . На рисунке 6b показаны карты поля (при TM поляризации) в различных сечениях на λ _3B , λ _4B , и λ _5B для оптимального устройства B. На всех пиках дипольные LPR возбуждаются на верхней поверхности металлического наностолба, как показано на | E | карты в z = h _B (участки i – iii на рис. 6b). Кроме того, распространяющиеся SPP на верхней поверхности металлических наностолбиков (как показано на | H | карты в z = h _B ) (участки iv – vi на рис. 6b) аналогичны при λ _3B , λ _4B , и λ _5B . Помимо яркого пятна внутри наностолбика, есть еще яркое кольцо, образовавшееся на границе наностолбика при λ _3B , λ _4B , и λ _5B , которые отличаются от случаев при λ _1B и λ _2B . Как и в случае с устройством A, различия между пиками λ _3B , λ _4B , и λ _5B для устройства B также лежат на огибающих распространяющихся SPP на границе раздела металл / диэлектрик в плоскости z =0 (участки vii – ix на рис. 6b). Для обоих устройств именно возбуждение различных распространяющихся мод SPP в нижней части PME вызывает широкий эффект усиления в коротковолновом диапазоне, наложенный на несколько крошечных пиков.

Карты поля при ТМ поляризации в разных сечениях на пиках λ _3A , λ _4A , и λ _5A ( а ) и λ _3B , λ _4B , и λ _5B ( б ). Первый ряд | E | в z = h _A или h _B , средний ряд | H | в z = h _A или h _B , и нижний ряд | H | в z =0. Пики обозначены на рис. 3