[論文レビュー] Light trapping in a 30-nm organic photovoltaic cell for efficient carrier collection and light absorption

Cheng‐Chia Tsai, Richard R. Grote+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2012

Organic Electronics and Photovoltaics被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、パターン加工されたITO上電極を有する30-nm P3HTベースの有機太陽電池を提案し、設計されたギャッププラズモンモードとフォトニック結晶共鳴を用いて光吸収およびキャリア収集を向上させる。2次元のコーン型ITOナノ構造を最適化することで、最大50%の光子収集効率を達成し、これはパターンなしのセルと比較して3.7倍の向上を示す。また、高い角度耐性と偏光に依存しない性能を維持している。

ABSTRACT

We describe surface patterning strategies that permit high photon-collection efficiency together with high carrier-collection efficiency in an ultra-thin planar heterojunction organic photovoltaic cell. Optimized designs reach up to 50% photon collection efficiency in a P3HT layer of only 30 nm, representing a 3- to 5-fold improvement over an unpatterned cell of the same thickness. We compare the enhancement of light confinement in the active layer with an ITO top layer for TE and TM polarized light, and demonstrate that the light absorption can increase by a factor of 2 due to a gap-plasmon mode in the active layer.

研究の動機と目的

• 励起子の拡散長（約10–15 nm）と光学的吸収長の間の根本的トレードオフを解消する。
• 超薄膜活性層（例：30 nm P3HT）における限られた光子吸収を、厚さを増さずに光トラップを強化することで克服する。
• 平面ヘテロジャンクション構造において、光子収集効率とキャリア収集効率の両方を同時に向上させる。
• ギャップモード、グレーティング共鳴、フォトニック結晶モードを同時に支持するトップ表面のITOパターンを設計する。
• 実用的な太陽光発電に適した、偏光に依存しないおよび角度に強い吸収強化を実現する。

提案手法

• 2次元フォトニック結晶構造として、ITOのコーン、シリンダー、ブロックを正方格子に配置し、波長未満の光学モードを設計する。
• 有限差分時間法（FDTD）シミュレーションを用いて、P3HT層内の電磁界分布および吸収をモデル化する。
• 高屈折率のITO（n≈2.0）と金属バックコンタクトの間に、低屈折率の活性層（P3HT、n≈1.7）をはさみ、ギャッププラズモンモードを励起する。
• 周期、高さ、直径、エッチング深さといった幾何的パラメータを最適化し、フォトニック結晶モードおよびギャップモードへの結合を最大化する。
• TEおよびTM偏光に対する応答を比較し、偏光依存性を評価し、最適な幾何形状を同定する。
• 入射角が70°まで範囲で吸収の角度依存性を評価し、実用的性能を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 30-nmのP3HT層は、ITO上電極の表面パターニングによって高い光子収集効率を達成できるか？
• RQ2 高屈折率のITOと金属接触の間に位置する低屈折率の活性層におけるギャッププラズモンモードは、光吸収をどの程度向上できるか？
• RQ3 ITOパターンの幾何形状（シリンダー、ブロック、コーン）は、ギャップモードおよびフォトニック共鳴への結合効率にどのように影響するか？
• RQ4 2次元周期的構造は、超薄膜OPVにおいて偏光依存性を排除し、角度耐性を向上させることができるか？
• RQ5 フォトニックおよびプラズモン的工学を組み合わせることで、30-nm活性層で達成可能な最大の光子収集効率は何か？

主な発見

• 最適な2次元コーンアレイ構造は、光子収集効率49.46%を達成し、これはパターンなしの基準（13.33%）と比較して3.7倍の向上を示す。
• 2次元コーンアレイは、対角方向12°入射角で最大55.80%の吸収率を示し、70°までの入射角で50%を超える。
• P3HT層内のギャッププラズモンモードは、吸収をほぼ2倍に増大させ、パターンなしセルと比較して2倍の増加を示す。
• ブロックおよびコーン形状は、面内非対称性により、シリンダーマトリックスよりもギャップモードへの結合効率が高く、25%高い吸収率を達成する。
• この構造は広い角度範囲で高い性能を維持し、入射角が70°を超えるまで、パターンなし基準と比較して吸収率が50%以上高い。
• 光を活性層内に閉じ込めると同時に効率的な電荷抽出を維持することで、光子収集とキャリア収集の両方を同時に向上させることができる。