Οι υψηλότερες αποδόσεις οργανικών ηλιακών κυττάρων φτάνουν το 11-12% και είναι
σημαντικά χαμηλότερες από αυτές των ανόργανων ηλιακών κυττάρων. Ωστόσο
βελτιώνονται συνεχώς. Επιπλέον βελτιώνεται και η σταθερότητά τους με ανάπτυξη νέων
οργανικών υλικών, ηλεκτροδίων, βοηθητικών στρωμάτων καθώς και με νέες μεθόδους
επεξεργασίας. Οι χαμηλές αποδόσεις των οργανικών ηλιακών κυττάρων αποδίδονται στις
χαμηλές ευκινησίες αγωγιμότητας των φορέων στα οργανικά υλικά σε συνδυασμό με
υψηλούς ρυθμούς επανασυνδυασμού φορέων. Οι δύο αυτοί παράγοντες περιορίζουν
σημαντικά το πάχος του φωτοενεργού στρώματος και συνεπώς το ποσό της
απορροφημένης ακτινοβολίας. Μια λύση σε αυτό το πρόβλημα μπορούν να δώσουν
τεχνικές παγίδευσης φωτός στο φωτοενεργό στρώμα χωρίς να απαιτείται αύξηση του
πάχους του. Τέτοιες τεχνικές είναι για παράδειγμα η χρήση φωτονικών δομών, ή
μεταλλικών νανοδομών. Από τις προηγούμενες τεχνικές, η πιο ευρέως διαδεδομένη είναι
η χρήση μεταλλικών νανοδομών, που εκμεταλλεύεται τα πλασμονικά φαινόμενα για
αύξηση της απόδοσης.
Στην παρούσα εργασία γίνεται πλήρης οπτοηλεκτρονική μελέτη της συμπεριφοράς δύο
διαφορετικών μεγεθών νανοσωματιδίων σε δύο διαμορφώσεις το καθένα μέσα στο
φωτοενεργό στρώμα, κρατώντας σταθερό το πάχος του ενεργού στρώματος. Σκοπός είναι
η μελέτη της επίδρασης της ευκινησίας των φορέων (ηλεκτρονίων και οπών, σε ένα εύρος
από 10-7 έως 10-10 m2/Vs για τον καθένα) στην πλασμονική ενίσχυση που προκαλεί η κάθε
πλασμονική διαμόρφωση. Τα αποτελέσματα συγκρίνονται κάθε φορά με τη διάταξη χωρίς
νανοσωματίδια. Βρίσκουμε ότι για διαφορετικές τιμές των δύο ευκινησιών είναι
διαφορετική η πλασμονική διαμόρφωση που δίνει την μέγιστη ενίσχυση στην απόδοση.
Γενικά, δεν υπάρχει συνδυασμός τιμών ευκινησιών για τον οποίο να μην μπορούμε να
βρούμε κατάλληλη πλασμονική διαμόρφωση. Στον αντίποδα, υπάρχουν περιπτώσεις που η
λάθος πλασμονική διαμόρφωση μπορεί να οδηγήσει σε σοβαρές απώλειες απόδοσης. Στις
περισσότερες περιπτώσεις τις μεγαλύτερες απώλειες προκαλεί η περίπτωση των μικρών
νανοσωματιδίων κοντά στην άνοδο, το οποίο έρχεται σε συμφωνία με τα οπτικά
αποτελέσματα που είχαν μελετηθεί ήδη.
(EL)
The maximum organic solar cell efficiencies are about 11-12%. Meanwhile the
inorganic solar cells have efficiencies of 25%. However the efficiency of organic solar
cells is constantly increasing, as well as their stability, through improvements in materials
(active polymers, electrodes’ materials etc.) and in their production processes. The low
OSCs efficiencies come from the low charge carrier mobilities in the organic
semiconductors and high recombination rates. These two factors limit the thickness of the
active layers and therefore the absorption. In order to increase the absorption within the
active layer, we use a variety of light trapping mechanisms like the use of photonic
structures, or metallic nanostructures. The most widespread technique is the usage of
plasmonic nanostructures, which takes advantage of the plasmonic phenomena in order to
enhance the efficiency.
In this work we perform a full optoelectronic study of the behavior of two different
nanoparticle sizes under two configurations each inside the active layer, keeping the active
layer thickness fixed. The target is to study the effect of carrier mobility (electrons and
holes, in the range from 10-7 to 10-10 m2/Vs for each carrier) on the plasmonic enhancement
each plasmonic configuration causes. The results are always compared to a device without
nanoparticles. We find that for different mobility values there is a different plasmonic
configuration that yields the highest performance enhancement. In general, there is no
mobility value combination for which we cannot find a proper plasmonic configuration.
On the flip side, there are cases where the wrong plasmonic configuration can lead to
serious performance losses. In most cases the largest losses are caused by small
nanoparticles close to the anode side, a fact that is in agreement with recent optical
simulations.
(EN)
University of Ioannina
