"Ultrathin, high-efficiency, broad-band, omni-acceptance, organic
solar cells enhanced by plasmonic cavity with subwavelength hole array". S. Y. Chou, W. Ding. OPTICS EXPRESS 21, A60 (2013). DOI: 10.1364/OE.21.000A60
Three of central challenges in solar cells are high light coupling into
solar cell, high light trapping and absorption in a
sub-absorption-length-thick active layer, and replacement of the
indium-tin-oxide (ITO) transparent electrode used in thin-film devices.
Here, we report a proposal and the first experimental study and
demonstration of a new ultra-thin high-efficiency organic solar cell
(SC), termed “plasmonic cavity with subwavelength hole-array
(PlaCSH) solar cell”, that offers a solution to all three issues with
unprecedented performances. The ultrathin PlaCSH-SC is a thin plasmonic
cavity that consists of a 30 nm thick front metal-mesh electrode with subwavelength hole-array
(MESH) which replaces ITO, a thin (100 nm thick) back metal electrode,
and in-between a polymer photovoltaic active layer (P3HT/PCBM) of 85 nm
thick (1/3 average absorption-length). Experimentally, the PlaCSH-SCs
have achieved (1) light coupling-efficiency/absorptance as high as 96%
(average 90%), broad-band, and Omni acceptance (light coupling nearly
independent of both light incident angle and polarization); (2) an
external quantum efficiency of 69% for only 27% single-pass active layer
absorptance; leading to (3) a 4.4% power conversion efficiency (PCE) at
standard-solar-irradiation, which is 52% higher than the reference
ITO-SC (identical structure and fabrication to PlaCSH-SC except MESH
replaced by ITO), and also is among the highest PCE for the material
system that was achievable previously only by using thick active
materials and/or optimized polymer compositions and treatments. In
harvesting scattered light, the Omni acceptance can increase PCE by
additional 81% over ITO-SC, leading to a total 175% increase (i.e. 8%
PCE). Furthermore, we found that (a) after formation of PlaCSH the light
reflection and absorption by MESH are reduced by 2 to 6 fold from the
values when it is alone; and (b) the sheet resistance of a 30 nm thick
MESH is 2.2 ohm/sq or less–4.5 fold or more lower than the best reported
value for a 100 nm thick ITO film, giving a lowest
reflectance-sheet-resistance product. Finally, fabrication of PlaCSH has
used nanoimprint on 4” wafer and is scalable to roll-to-roll
manufacturing. The designs, fabrications, and findings are applicable to
thin solar cells in other materials.
Tres de los retos centrales que existen en la fabricación de celdas solares son un alto acoplamiento de la luz a la celda solar, un alto atrapamiento de luz y una alta absorción en una capa activa de espesor sumamente pequeño, y el reemplazo del óxido de indio estaño (ITO) como electrodo transparente en los dispositivos de películas delgadas. Aquí se reporta una propuesta y el primer estudio experimental que demuestra una nueva celda solar (SC) orgánica ultradelgada de alta eficiencia, nombrada "celda solar de cavidad plasmónica con arreglo de huecos de dimensión inferior a la longitud de onda (PlaCSH)", que ofrece una solución sin precedentes a los tres retos mencionados. Las PlaCSH-SC ultradelgadas son cavidades plasmónicas delgadas que consisten de un electrodo de 30 nm de espesor, hecho de un enrejado metálico con un arreglo de huecos de dimensiones inferiores a la longitud de onda (MESH), que reemplaza al ITO, de un contraelectrodo metálico delgado (100 nm de espesor), y entre los electrodos, de una capa activa de 85 nm de espesor hecha de un polímero fotovoltaico (P3HT/PCBM) (en promedio, con 1/3 de profundidad de absorción). Experimentalmente las PlaCSH-SC logran (1) una eficiencia de acoplamiento/absorción de luz de hasta un 96% (90% en promedio), una amplia banda espectral, y una omni-aceptación (acoplamiento de luz independiente del ángulo de incidencia y de la polarización de la luz); (2) una eficiencia cuántica externa del 69% para tan sólo el 27% de la absorbancia sencilla de la capa activa; llevando a (3) una eficiencia de conversión energética del 4.4% (PCE) ante iluminación solar estándar, la cual es 52% mayor que las de las ITO-SC de referencia (con fabricación y estructura idénticas que las PlaCSH-SC, salvo por el ITO reemplazado por MESH), y también su PCE se encuentra entre las más altas reportadas para sistemas obtenidos previamente a partir de el uso exclusivo de capas activas gruesas y/o compuestos de polímeros optimizados. En cuanto a la colección de luz esparcida, la omni-aceptación puede incrementar la PCE en un 81% adicional por encima de las de ITO-SC, llevando a un incremento total del 175% (i.e. 8% PCE). Además, se encontró que (a) después de la formación de PlaCSH la reflexión y la absorción de la luz por MESH se reduce en un factor que va de 2 a 6 respecto a cuando se encuentra aislada; y (b) la resistencia de la capa de MESH de 30 nm es de 2.2 ohm/sq o menor - 4.5 veces menor que el mejor valor reportado para una película de ITO de 100 nm de espesor, dando lugar a un material con el menor valor del producto reflectancia-resistencia. Finalmente, durante la fabricación de PlaCSH se ha hecho uso de nanoimpresión sobre una oblea de 4", pero es escalable a una manufactura hecha por rodillos. Los diseños, la fabricación y los resultados también se aplican a celdas solares delgadas hechas con otros materiales.
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