Novel volumetric plasmonic resonator architectures for enhanced absorption in thin-film organic solar cells

Son zamanlarda, temiz yenilenebilir enerji kaynaklarının, özellikle güneş ışığını elektriğe dönüştürme için uygulanan fotovoltaik yaklaşımlarının, maliyetlerinin azaltılması ve/ya verimliliklerini arttırılması için artan bir ilgi vardır. Günümüzde, fotovoltaik, enerji kaynaklarının çeşitlendirilmesinde potansiyel bir aday olarak kabul edilmesine rağmen, bu sistemlerin fosil yakıt tabanlı enerji üretimi ile rekabet edebilmesi için maliyetinin birkaç kat azaltılması gerekmektedir. Bu amaçla yeni nesil güneş hücrelerinin aktif (soğurucu) malzemeleri çok ince (onlarca nanometre mertebesinde) tabakalar olarak tasarlanmaktadır. Bu yaklaşım güneş hücrelerinin maliyetini azaltmasına karşın bu ultra-ince emici tabakalar gelen fotonların optik soğurma performansını düşürmektedir. Son günlerde yüzey plazmon uyarılmaları aracılığı ile nanoboyutta şekillendirilmiş metal katmanlar kullanarak etkin fotovoltaik malzeme soğurulumu artırmak üzerine yapılan ilerici çalışmalar akademik topluluğun yanı sıra sanayiden de ilgi görmektedir. Bundan önceki çalışmalarda, aktif malzeme soğurulumu artırmak için emici tabakanın üst veya alt kısmına yerleştirilmiş plazmonik yapılar incelenmiştir. Ancak tüm bu önceki çalışmalar, sadece tek katmanlı plasmonik yapılar kullanılmasına dayanmaktadır. Bu tez çalışmasında, grubumuz ve başka grupların önceki çalışmalarından farklı olarak, organik güneş pillerinde yeni bir tasarım kavramı olan, iki (veya daha fazla) plazmonik yapıların birleştirilmesi fikrine dayanan hacimsel plazmonik rezonatörler üzerine odaklanılmıştır. Kavram ispatı gösterimi için, soğurucu tabakanın üstüne ve altına birer gümüş ızgara eklenerek, birbirlerinin etkileşimleri sayesinde oluşan elektrik alanın artışı aktif tabakanın hacmi içinde gözlenmiştir. Bu yaklaşım, metalik yapıların bireysel plazmonik rezonanslarına ek olarak, hacimsel rezonatör içinde oluşan dikey etkileşim avantajını kullanmaktadır. Hesaplamasal bulgularımız gösteriyor ki; optik soğrulma enine elektrik (TE) polarize ışık altında üst ızgara ile benzer düzeyde korunurken, enine manyetik (TM) polarize ışık altında artan bir soğurma performansı sergiler. Sonuç olarak, toplam film kalınlığı sabit tutulduğunda, aktif katmanda optik soğrulma tek başına ızgara iyileştirme sınırını aşarak %~67 artırılmıştır. Bu hacimsel etkileşim metalik olmayan (yalın) organik güneş pillerindeki sınırlı foton soğrulma miktarı ötesinde aktif katmandaki optik soğrulmanın artırılmasına ek katkıda bulunmaktadır.