Silver nanoprisms in plasmonic organic solar cells

par Zhixiong Cao

Thèse de doctorat en Micro et Nanoélectronique

Sous la direction de Ludovic Escoubas et de Zhuoying Chen.

Soutenue le 15-12-2014

à l'Ecole centrale de Marseille , dans le cadre de Ecole Doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille) , en partenariat avec Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (Marseille, Bouches du Rhône) (laboratoire) , Equipe optoélectronique et photovoltaique (équipe de recherche) et de Institut des Matériaux- de Microélectronique et des Nanosciences de Provence / IM2NP (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Nanoprismes d'argent dans les cellules solaires organiques plasmoniques


  • Résumé

    On constate une forte demande mondiale d' énergie propre et renouvelable en raison de la consommation rapide des combustibles fossiles non renouvelables et l'effet de serre qui en résulte. Une solution prometteuse pour produire une énergie propre et renouvelable est d'utiliser des cellules solaires pour convertir l' énergie solaire directement en électricité. Comparativement à leurs homologues inorganiques, les cellules solaires organiques (OSCs) sont maintenant intensivement étudiées en raison des avantages tels que le poids léger, la flexibilité, la compatibilité avec les procédés de fabrication à faibles coûts. Malgré ces avantages, l'efficacité de conversion (PCE) des OSCs doit encore être améliorée pour la commercialisation à grande échelle. Les cellules solaires organiques sont réalisées en pile de couches minces comprenant des électrodes, la couche de transport d' électrons, la couche de polymère actif et la couche de transport de trous. Dans cette étude, nous sommes concernés par la couche de PEDOT:PSS qui est couramment utilisée comme une couche tampon entre l'électrode anodique et la couche de polymère actif de cellules solaires organiques. Cette étude vise à intégrer différentes concentrations de nanoprismes (NPSMs) d'argent de taille sub-longueur d'onde dans du PEDOT: PSS afin de profiter de leurs propriétés optiques uniques nées de résonances de plasmons de surface localisées (LSPR) pour améliorer la collecte lumineuse et l'efficacité de génération de charge en optimisant l' absorption et la diffusion de la lumière. Nous avons constaté que les facteurs clés qui contrôlent les performances des cellules solaires plasmoniques comprennent non seulement les propriétés optiques, mais également les propriétés structurelles et électriques des couches hybrides de PEDOT:PSS comprenant des NPSMs d' Ag. D'une part, l'ajout de NPSMs d' Ag conduit ¨¤ (1) une augmentation de l'absorption optique; (2) de la diffusion de la lumière ¨¤ de grands angles ce qui pourrait conduire ¨¤ un meilleur piégeage de la lumière dans les OSCs. D'autre part, (1) la rugosité de surface est augment¨¦e en raison de la formation d'agglomérats de NPSMs d' Ag, ce qui conduit ¨¤ une meilleure efficacité de collecte de charge; (2) la résistance globale des films hybrides est également augment¨¦e en raison de l'excès de PSS introduit par les NPSMs d' Ag incomplètement purifiées, inférieur courant de court-circuit (Jsc) qui en résulte; (3) les Ag NPSMs et leurs agglomérats ¨¤ l'interface PEDOT:PSS/couche photo-active pourraient agir comme des centres de recombinaison, conduisant ¨¤ une réduction de la résistance de shunt, du Jsc et de la tension en circuit ouvert (Voc). Afin de résoudre partiellement l'inconvénient (2) et (3), en intégrant des NPSMs d¡¯Ag davantage purifiés et une petite quantité de glycérol dans le PEDOT:PSS, la résistance des couches hybrides de PEDOT:PSS-Ag-NPSMs peut ¨être réduite à une valeur comparable ou inférieure ¨¤ celles couches vierges. Les futurs progrès en chimie de surface colloïdale et l'optimisation sur le processus d'incorporation des nanoparticules seront nécessaires pour produire des cellules solaires organiques plasmoniques de meilleures performances.


  • Résumé

    Nowadays there has been a strong global demand for renewable and clean energy due to the rapid consumption of non-renewable fossil fuels and the resulting greenhouse effect. One promising solution to harvest clean and renewable energy is to utilize solar cells to convert the energy of sunlight directly into electricity. Compared to their inorganic counterparts, organic solar cells (OSCs) are now of intensive research interest due to advantages such as light weight, flexibility, the compatibility to low-cost manufacturing processes. Despite these advantages, the power conversion efficiency (PCE) of OSCs still has to be improved for large-scale commercialization. OSCs are made of thin film stacks comprising electrodes, electron transporting layer, active polymer layer and hole transporting layer. In this study, we are concerned with PEDOT:PSS layer which is commonly used as a buffer layer between the anodic electrode and the organic photoactive layer of the OSC thin film stack. We incorporated different concentrations of silver nanoprisms (NPSMs) of sub-wavelength dimension into PEDOT:PSS. The purpose is to take advantage of the unique optical properties of Ag MPSMs arisen from localized surface plasmon resonance (LSPR) to enhance the light harvest and the charge generation efficiency by optimizing absorption and scattering of light in OSCs. We found that the key factors controlling the device performance of plasmonic solar cells include not only the optical properties but also the structural and electrical properties of the resulting hybrid PEDOT:PSS-Ag-NPSM-films. On one hand, the addition of Ag NPSMs led to (1) an increased optical absorption; (2) light scattering at high angles which could possibly lead to more efficient light harvest in OSCs. On the other hand, the following results have been found in the hybrid films: (1) the surface roughness was found to be increased due to the formation of Ag agglomerates, leading to increased charge collection efficiency; (2) the global sheet resistance of the hybrid films also increases due to the excess poly(sodium styrenesulphonate) introduced by incompletely purified Ag NPSMs, resulting in lower short circuit current (Jsc); (3) the Ag nanoprisms and their agglomerates at the PEDOT:PSS/photoactive layer interface could act as recombination centers, leading to reductions in shunt resistance, Jsc and open circuit voltage (Voc). In order to partially counteract the disadvantage (2) and (3), by incorporating further purified Ag NPSMs and/or a small amount of glycerol into PEDOT:PSS, the sheet resistance of hybrid PEDOT:PSS-Ag-NPSM-films was reduced to a resistance value comparable to or lower than that of pristine film.


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