ULTRATHIN, HIGH-EFFICIENCY, BROAD-BAND, OMNI-ACCEPTANCE, ORGANIC SOLAR CELLS ENHANCED BY PLASMONIC CAVITY WITH SUBWAVELENGTH HOLE ARRAY

 "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.

http://dx.doi.org/10.1364/OE.21.000A60 

CONTROLLED-REFLECTANCE SURFACES WITH FILM-COUPLED COLLOIDAL NANOANTENNAS

 

"Controlled-reflectance surfaces with film-coupled colloidal nanoantennas". A. Moreau, C. Ciraci, J. J. Mock, R. T. Hill, Q. Wang, B. J. Wiley, A. Chilkoti, D. R. Smith. NATURE 492, 86 (2012). DOI: 10.1038/nature11615

Efficient and tunable absorption is essential for a variety of applications, such as designing controlled-emissivity surfaces for thermophotovoltaic devices, tailoring an infrared spectrum for controlled thermal dissipation and producing detector elements for imaging. Metamaterials based on metallic elements are particularly efficient as absorbing media, because both the electrical and the magnetic properties of a metamaterial can be tuned by structured design. So far, metamaterial absorbers in the infrared or visible range have been fabricated using lithographically patterned metallic structures, making them inherently difficult to produce over large areas and hence reducing their applicability. Here we demonstrate a simple method to create a metamaterial absorber by randomly adsorbing chemically synthesized silver nanocubes onto a nanoscale-thick polymer spacer layer on a gold film, making no effort to control the spatial arrangement of the cubes on the film. We show that the film-coupled nanocubes provide a reflectance spectrum that can be tailored by varying the geometry (the size of the cubes and/or the thickness of the spacer). Each nanocube is the optical analogue of a grounded patch antenna, with a nearly identical local field structure that is modified by the plasmonic response of the metal’s dielectric function, and with an anomalously large absorption efficiency that can be partly attributed to an interferometric effect. The absorptivity of large surface areas can be controlled using this method, at scales out of reach of lithographic approaches (such as electron-beam lithography) that are otherwise required to manipulate matter on the nanoscale. 

La absorción eficiente y modulable es esencial para toda una variedad de aplicaciones tales como el diseño de superficies con emisión controlada para dispositivos termofotovoltaicos, el diseño dirigido en el espectro infrarrojo para la disipación térmica controlada, y la producción de elementos de detección para imagenología. Los metamateriales hechos de elementos metálicos son particularmente eficientes como medios de absorción, porque tanto sus propiedades eléctricas como magnéticas pueden modificarse por medio de su diseño estructural. Desde hace tiempo los metamateriales usados para absorción en el infrarrojo o en el visible se han fabricado realizando litografía en base a máscaras con estructuras metálicas, lo cual los vuelve difíciles de producir a gran escala, reduciendo así sus posibles aplicaciones. Aquí se muestra un método sencillo para crear un metamaterial que absorbe luz, por medio de la síntesis de nanocubos de plata, a través de adsorción química aleatoria, sobre una capa de polímero de grosor nanométrico depositada sobre una película de oro, sin necesidad de controlar el arreglo espacial de los cubos sobre la película. Se muestra que los nanocubos acoplados a la película proporcionan un espectro de reflectancia que puede modificarse de manera controlada a partir de la modificación de la geometría (del tamaño de los cubos y/o del grosor del espaciador). Cada nanocubo es el análogo óptico de una antena aterrizada, con una estructura del campo local casi idéntica, la cual es modificada por la respuesta plasmónica de la función dieléctrica del metal, y con una enorme y anómala eficiencia de absorción, la cual se puede atribuir parcialmente a un efecto de interferencia. La absortividad de superficies extensas puede controlarse utilizando este método, en escalas que sobrepasan a los métodos litográficos (tales como la litografía por haces de electrones), y que de otra manera se requerirían para manipular a la materia en la nanoescala.

http://dx.doi.org/10.1038/nature11615

NANOFOCUSING IN A METAL-INSULATOR-METAL GAP PLASMON WAVEGUIDE WITH A THREE-DIMENSIONAL LINEAR TAPER

 

"Nanofocusing in a metal–insulator–metal gap plasmon waveguide with a three-dimensional linear taper". H. Choo, M.-K. Kim, M. Staffaroni, T. J. Seok, J. Bokor, S. Cabrini, P. J. Schuck, M. C. Wu, E. Yablonovitch. NATURE PHOTONICS 6, 838 (2012). DOI: 10.1038/nphoton.2012.277

The development of techniques for efficiently confining photons on the deep sub-wavelength spatial scale will revolutionize scientific research and engineering practices. The efficient coupling of light into extremely small nanofocusing devices has been a major challenge in on-chip nanophotonics because of the need to overcome various loss mechanisms and the on-chip nanofabrication challenges. Here, we demonstrate experimentally the achievement of highly efficient nanofocusing in an Au–SiO₂–Au gap plasmon waveguide using a carefully engineered three-dimensional taper. The dimensions of the SiO₂ layer, perpendicular to the direction of wave propagation, taper linearly below 100 nm. Our simulations suggest that the three-dimensional linear-tapering approach could focus 830 nm light into a 2 × 5 nm² area with ≤3 dB loss and an intensity enhancement of 3.0 × 10⁴. In a two-photon luminescence measurement, our device achieved an intensity enhancement of 400 within a 14 × 80 nm² area, and a transmittance of 74%.

El desarrollo de técnicas que permitan una confinación eficiente de fotones en regiones espaciales de dimensiones inferiores a la longitud de onda pudieran revolucionar la manera en que se hace investigación científica y de ingeniería. El acoplamiento eficiente de la luz en dispositivos de nanoenfoque extremadamente pequeños ha sido un reto importante para la nanofotónica integrada, debido a la necesidad de superar varios mecanismos de pérdidas y varios retos de nanofabricación integrada. Aquí se demuestra experimentalmente que se pueden lograr nanoenfoques muy eficientes en la brecha plasmónica de una guía de onda hecha de Au–SiO₂–Au, utilizando cuidadosamente un reductor tridimensional. Las dimensiones de la capa de SiO₂, en la dirección perpendicular a la propagación de la onda, se reduce linealmente por debajo de los 100 nm. Las simulaciones sugieren que la reducción lineal tridimensional puede enfocar luz de 830 nm en un área de 2 x 5  nm², con pérdidas  ≤3 dB y un aumento de intensidad del 3.0 × 10⁴. En una medición de luminiscencia a dos fotones, el dispositivo logró un aumento de intensidad de 400 en un área de 14 × 80 nm², así como una transmitancia del 74%.

http://www.nature.com/nphoton/journal/v6/n12/full/nphoton.2012.277.html 

THREE-DIMENSIONAL STRUCTURES SELF-ASSEMBLED FROM DNA BRICKS

"Three-Dimensional Structures Self-Assembled from DNA Bricks". Y. Ke, L. L. Ong, W. M. Shih, P. Yin. SCIENCE 338, 1177 (2012). DOI: 10.1126/science.1227268

 http://www.sciencemag.org/content/338/6111/1177

Translation to spanish:

Los avances recientes en nanotecnología permiten la elaboración de estructuras tridimensionales utilizando como elementos de construcción al ADN. Estos elementos de construcción funcionan como piezas de LEGO que se interconectan. Cada uno estos nuevos elementos de nanoconstrucción están hechos de hélices sencillas de ADN, y cada hélice está hecha de 32 nucleótidos. Se pueden pensar como piezas de LEGO que tienen dos patas y dos huecos; una pata de una pieza es capaz de embonar en un hueco de otra pieza, pero sólo si las secuencias de ADN de las dos hélices que forman a la pata y al hueco son complementarias.

Los elementos de construcción pueden embonar en formando ángulos rectos, ésto permite formar estructuras tridimensionales, y bajo ciertas condiciones los elementos de construcción se autoorganizan. 

Aquí se muestra la construcción de un cubo. Cada elemento de construcción puede embonar con otro único elemento de construcción que tiene una única secuencia de ADN que es compatible con sólo una posición dentro del elemento de construcción. Se puede pensar al cubo como una estructura tridimensional consistente de 1000 voxels. Cada voxel está formado por 8 parejas de nucleótidos y mide aproximadamente 2.5 nanómetros. Para generar una estructura en particular se puede restringir la ubicación de los voxels antes de que se autoorganicen. 

Se generaron hasta 100 estructuras distintas en el laboratorio, utilizando 1000 voxels. Aquí se presentan algunas de estas estructuras, generadas por computadora, y aquí se presenta una imagen microscópica de las estructuras reales. Se espera que la capacidad de generar distintos tipos de estructuras tridimensionales pueda aumentar las aplicaciones que tiene la nanotecnología que funciona a base de ADN, entre las que se pudieran encontrar la fabricación de dispositivos sofisticados que imitan a maquinarias biosintéticas y el arreglo tridimensional de moléculas de gas para la fabricación de materiales funcionales.

ULRICH AWARD 2013

https://www.isgs.org/index.php/component/communicator/view/112/19

THIRD NANO TODAY CONFERENCE 2013

http://www.nanotoday2013.com/

TUNING THE OPTICAL PROPERTIES OF MESOPOROUS TiO2 FILMS BY NANOSCALE ENGINEERING

"Tuning the Optical Properties of Mesoporous TiO₂ Films by Nanoscale Engineering". B. Schwenzer, L. Wang, J. S. Swensen, A. B. Padmaperuma, G. Silverman, R. Korotkov, D. J. Gaspar. LANGMUIR 28, 10072 (2012). DOI: 10.1021/la301450h

The optical properties of spin-coated titanium dioxide films have been tuned by introducing mesoscale pores into the inorganic matrix. Differently sized pores were templated using Pluronic triblock copolymers as surfactants in the sol–gel precursor solutions and adjusted by varying the process parameters, such as the polymer concentration, annealing temperature, and time. The change in refractive index observed for different mesoporous anatase films annealed at 350, 400, or 450 °C directly correlates with changes in the pore size. Additionally, the index of refraction is influenced by the film thickness and the density of pores within the films. The band gap of these films is blue-shifted, presumably due to stress the introduction of pores exerts on the inorganic matrix. This study focused on elucidating the effect different templating materials (Pluronic F127 and P123) have on the pore size of the final mesoporous titania film and on understanding the relation of varying the polymer concentration (taking P123 as an example) in the sol–gel solution to the pore density and size in the resultant titania film. Titania thin film samples or corresponding titanium dioxide powders were characterized by X-ray diffraction, cross-section transmission electron microscopy, nitrogen adsorption, ellipsometery, UV/vis spectrometry, and other techniques to understand the interplay between mesoporosity and optical properties.

 Las propiedades ópticas de películas de dióxido de titanio, depositadas mediante spin-coating, han sido modificadas mediante la formación de mesoporos en la matriz inorgánica. Poros de distintos tamaños han sido producidos utilizando como molde copolímeros Pluronic tribloque, los cuales funcionan como tensoactivos en las soluciones sol-gel precursoras, y se ajustaron mediante la modificación de los parámetros de procesado, tales como la concentración de polímero, la temperatura de recocido, y el tiempo. El cambio que se observa en el índice de refracción para diversas películas mesoporosas de anatasa, recocidas a 350, 400 ó 450°C, se relaciona directamente con los cambios en las dimensiones de los poros. Adicionalmente, el índice de refracción se ve afectado por el espesor de la película y por la densidad de poros en las películas. La brecha de energía de estas películas se desplaza hacia el azul, posiblemente por la tensión que induce la formación de los poros sobre la matriz inorgánica. Este trabajo se centra en el estudio del efecto debido a distintos materiales usados como molde (Pluronic F127 y P123) sobre el tamaño de poro de las películas mesoporosas de dióxido de titanio, y en el entendimiento de la relación existente entre la variación de la concentración del polímero (tomando al P123 como ejemplo) en la solución sol-gel y la densidad y el tamaño de los poros resultantes en las películas de dióxido de titanio. Se caracterizaron películas delgadas y polvos de dióxido de titanio mediante difracción de rayos X, microscopia electrónica de transmisión, adsorción de nitrógeno, elipsometría, espectroscopia UV/visible, y mediante otras técnicas que permiten entender la relación existente entre la mesoporosidad y las propiedades ópticas.

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/la301450h 

2013 NONLINEAR OPTICS MEETING

2013 OSA NONLINEAR OPTICS MEETING (JULY 21 -26, 2013; HAWAII)