1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки
  4. T. 492, № 1, 2020

Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, 2020, T. 492, № 1, стр. 54-57

ТАММОВСКИЕ ПЛАЗМОН-ПОЛЯРИТОНЫ ДЛЯ ЗАХВАТА СВЕТА В ОРГАНИЧЕСКИХ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ

Р. Г. Бикбаев 1, 2, *, С. Я. Ветров 1, 2, И. В. Тимофеев 1, 2, академик РАН В. Ф. Шабанов 1, 3

1 Институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук
Красноярск, Россия

2 Сибирский федеральный университет
Красноярск, Россия

3 Сибирский государственный университет науки и технологий им М.Ф. Решетнева
Красноярск, Россия

* E-mail: bikbaev@iph.krasn.ru

Поступила в редакцию 20.02.2020
После доработки 19.03.2020
Принята к публикации 20.03.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Предложена модель органического солнечного элемента, в которой фоточувствительный слой принимает участие в формировании таммовского плазмон-поляритона, локализованного на ее границе с многослойным зеркалом. Показано, что при конструировании таких солнечных элементов можно полностью отказаться от использования металлических контактов, что позволяет избежать нежелательных потерь в системе. Установлено, что интегральное поглощение в активном слое может быть увеличено на 10% по сравнению с оптимизированным планарным солнечным элементом.

Ключевые слова: таммовский плазмон-поляритон, органический солнечный элемент, фоточувствительный слой, локализация света

Органические солнечные элементы (ОСЭ) на основе сопряженных полимеров привлекают к себе все большее внимание в связи с их низкой стоимостью, легкостью изготовления, малым весом и механической гибкостью солнечных панелей, полученных с помощью технологий рулонной печати [1, 2]. Подобные ОСЭ содержат объемный гетеропереход, вследствие чего идет поиск компромисса между эффективностями поглощения фотонов и транспортировки носителей заряда. Толщина фоточувствительного слоя (ФЧС) в этом случае составляет не больше 100 нм, что значительно ограничивает эффективность поглощения падающего света. В связи с этим широкое распространение получили методы манипуляции светом для увеличения поглощения в фоточувствительном слое. Введение периодических или случайных структур в ФЧС или в интерфейсы ОСЭ приводит к перераспределению оптического поля в них и усилению поглощения фотонов за счет внутреннего рассеяния или эффекта плазмонного резонанса. Так, в 2010 г. в оптически тонких пленках поли(3-гексилтиофен-2,5-диил)/ [6, 6 ]-фенил-С61-метиловый эфир масляной кислоты (P3HT:PC61BM) с плазмонно-резонансными серебряными нанопризмами наблюдалось трехкратное усиление генерации носителей заряда [3]. Впоследствии это направление получило широкое развитие благодаря активному освоению технологий изготовления наномасштабных объектов. Другим перспективным направлением является внедрение в ОСЭ одномерных фотонных кристаллов (ФК). Расположение ФК за металлическим контактом приводит к тому, что практически 100% излучения, падающего на него, отражается и проходит через активный слой вторично, тем самым увеличивая эффективность ОСЭ [4]. В этом случае открывается возможность использования более тонких металлических пленок в качестве контактов и, как следствие, уменьшения потерь в ОСЭ. Замена прозрачного контакта ФК-структурой приводит к тому, что активный слой остается между металлической пленкой и ФК. Как известно, в подобных структурах могут возбуждаться таммовские плазмон-поляритоны (ТПП) [5], на длине волны которых возникают дополнительные линии поглощения излучения в активном слое. Этот механизм увеличения эффективности ОСЭ был продемонстрирован в работе [6]. В рассмотренных моделях фоточувствительный слой является пассивным поглощающим элементом, не принимающим участие в формировании локализованных состояний. Новой является идея использования допированного фоточувствительного слоя в качестве зеркала, ограничивающего одномерный фотонный кристалл. В этом случае на их границе раздела локализуется ТПП [7–9], что приводит к возникновению дополнительной полосы поглощения падающего на структуру излучения и, как следствие, увеличению эффективности ОСЭ. Привлекательность такой структуры заключается в том, что можно полностью отказаться от металлического контакта, обеспечив поглощение только в ФЧС-слое.

ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ

Модель органического солнечного элемента, предложенного нами, изображена на рис. 1б.

Рис. 1.

a – Схематичное изображение органического солнечного элемента, допированного плазмонными наночастицами [10], б – схематическое изображение солнечного элемента на основе таммовского плазмон-поляритона.

В отличие от ранее изученного солнечного элемента (рис. 1a) [10], в нашей модели фоточувствительный слой ограничивает не металлическую пленку, а одномерный фотонный кристалл. Слой P3HT:PC61BM толщиной 50 нм допирован серебряными наношарами с объемной концентрацией 20%. Толщина слоя поли(3,4-этилендиокситиофен) полистиролсульфоната (PEDOT:PSS) равна 20 нм. В качестве контактов использованы пленки ITO с толщинами 15 нм и 45 нм. Элементарная ячейка фотонного кристалла сформирована из двуокиси кремния (SiO2) и диоксида титана (TiO2) с толщинами dSiO$_{{_{2}}}$ = 75 нм, dTiO$_{{_{2}}}$ = 40 нм и диэлектрическими проницаемостями εSiO$_{{_{2}}}$ = 1.45 и εTiO$_{{_{2}}}$ = 2.4 соответственно. Мнимая часть показателя преломления ФЧС-слоя принимает максимальное значение в интервале длин волн от 350 до 600 нм и, как следствие, падающее на структуру излучение будет поглощаться ею в этом спектральном диапазоне. В длинноволновой области спектра поглощение близко к нулю. Эффективная диэлектрическая проницаемость ФЧС-слоя, допированного плазмонными наночастицами, определяется с помощью модели эффективной среды [11].

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА

Зависимости действительной и мнимой части эффективной диэлектрической проницаемости, рассчитанные с помощью модели эффективной среды, показали, что ее мнимая часть достигает максимального значения на длине волны 600 нм, что обусловлено плазмонным резонансом в наночастицах. Также отметим, что действительная часть принимает отрицательные значения в широком интервале длин волн (от 360 до 570 нм), и, как следствие, в этом интервале активный слой выступает в качестве металлического зеркала. Сопряжение активного слоя, обладающего подобными спектральными характеристиками, с фотонным кристаллом приведет к формированию на их границе раздела таммовского плазмон-поляритона. Для подтверждения этого факта методом трансфер-матрицы [12, 13] был произведен расчет интегрального поглощения в ФЧС-слое для классического планарного солнечного элемента и солнечного элемента, сопряженного с ФК. Результаты расчета изображены на рис. 2а. Расчеты показали, что в предложенной модели ОСЭ интегральное поглощение в исследуемом интервале длин волн увеличивается на ≈10% (c 50.52% до 55.36%), в сравнении с аналогичным планарным ОСЭ (рис. 1a). Это достигается за счет формирования ТПП, локализованного на границе фотонного кристалла и активного слоя, допированного плазмонными наночастицами. На длине волны ТПП (λТПП = 400 нм) эффективная диэлектрическая проницаемость фоточувствительного слоя равна εeff = −1.007 + 2.716i. Пространственное распределение поля на длине волны ТПП изображено на рис. 3 б. Из рисунка видно, что поле локализовано на границе ФК и фоточувствительного слоя и экспоненциально затухает по обе стороны от их границы раздела. При этом поле локализовано в области, соизмеримой с длиной волны света. Важно отметить, что интенсивность поля на длине волны ТПП лишь в 3.5 раза больше интенсивности падающего поля.

Рис. 2.

а – Интегральное поглощение в фоточувствительном слое в структурах, изображенных на рис. 1а (1) и рис. 1б (2); б – пространственное распределение показателя преломления в структуре (1) и локальной интенсивности поля на длине волны ТПП (2).

Столь незначительное усиление может быть объяснено формированием на границе ФЧС–ФК таммовского плазмон-поляритона с широкой спектральной линией. Формирование такого рода состояний возможно в системах с большими потерями, как это было продемонстрировано в работе [14]. В исследуемой структуре мы имеем аналогичную ситуацию, так как действительная часть эффективной диэлектрической проницаемости ФЧС на длине волны ТПП практически в 3 раза меньше ее мнимой части.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе предложена модель органического солнечного элемента, в котором фоточувствительный слой выступает не только в роли поглотителя, но и зеркала, принимающего участие в формировании локализованного состояния. Энергетические спектры структуры и распределение локальной интенсивности в ней рассчитаны методом трансфер матрицы. Показано, что в предложенной модели интегральное поглощение в фоточувствительном слое увеличивается на 10% в сравнении с ранее предложенными моделями ОСЭ. Установлено, что увеличение поглощения в этом случае достигается за счет формирования дополнительной полосы поглощения в ОСЭ и обусловлено формированием на границе фоточувствительного слоя и фотонного кристалла таммовского плазмон-поляритона.

Список литературы

  1. Atwater H.A., Polman A. Plasmonics for Improved Photovoltaic Devices // Nature Materials. 2010. V. 9. P. 205–213.

  2. Heeger A.J. Bulk Heterojunction Solar Cells: Understanding the Mechanism of Operation // Advanced Materials. 2014. V. 26. P. 10–28.

  3. Abhishek P. et al. Plasmon-Enhanced Charge Carrier Generation in Organic Photovoltaic Films Using Silver Nanoprisms // Nano Letters. 2010. V. 10. P. 1501–1505.

  4. Wenjuan Yu. et al. Semitransparent Polymer Solar Cells with One-Dimensional Photonic Crystals // Applied Physics Letters. 2012. V. 101. P. 153307.

  5. Kaliteevski M. et al. Tamm Plasmon-Polaritons: Possible Electromagnetic States at the Interface of a Metal and a Dielectric Bragg Mirror // Physical Review B. 2007. V. 76. P. 165415.

  6. Xu-Lin Zhang et al. Optical Tamm States Enhanced Broad-Band Absorption of Organic Solar Cells // Applied Physics Letters. 2012. V. 101. P. 243901.

  7. Ветров С.Я. и др. Оптические таммовские состояния на границе фотонного кристалла и нанокомпозита с резонансной дисперсией // ЖЭТФ. 2013. Т. 144. С. 1129–1139.

  8. Vetrov S.Ya. et al. The Optical Tamm States at the Edges of a Photonic Crystal Bounded by One or Two Layers of a Strongly Anisotropic Nanocomposite // Optics Communications. 2017. V. 395. P. 275–281.

  9. Bikbaev R.G. et al. Epsilon-Near-Zero Absorber by Tamm Plasmon Polariton // Photonics. 2019. V. 6. P. 3.

  10. Kim K., Carroll D. Roles of Au and Ag Nanoparticles Inefficiency Enhancement of Poly(3-octylthiophene)/C60 Bulk Heterojunction Photovoltaic Devices // Applied Physics Letters. 2005. V. 87. P. 203113.

  11. Maxwell-Garnett J.C. Colours in Metal Glasses, in Metallic Films, and in Metallic Solutions // II. Philos. R. Soc. London. 1906. V. 205. P. 237–288.

  12. Yeh P. Electromagnetic Propagation in Birefringent Layered Media // J. Optical Society of America. 1979. V. 69. P. 742.

  13. Коршунов М.А., Шабанов А.В., Буханов Е.Р., Шабанов В.Ф. Влияние длиннопериодической упорядоченности в структуре растений на первичные стадии фотосинтеза // ДАН. 2018. Т. 478. С. 280–283.

  14. Vyunishev A.M. et al. Broadband Tamm Plasmon Polariton // J. Optical Society of America B. 2019. V. 36. P. 2299–2305.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал