Dual Plasmonic Effects for Performance Enhancement of PBDD4T-Based Organic Solar Cells

材料科学 光电子学 能量转换效率 等离子体子 表面等离子共振 性能增强 有机太阳能电池 纳米颗粒 等离子太阳电池 量子效率 吸收(声学) 等离子纳米粒子 载流子 散射 光散射 光伏系统 纳米技术 量子点 电流密度 光伏 可见光谱 电子 俘获 光活性层 表面等离子体子 太阳能电池 混合太阳能电池 电荷(物理) 胶体 吸收光谱法 太阳能 图层(电子)
作者
Simenew A. Mulat,Leonato T. Nchinda,Mohammed S. G. Hamed,Thapelo E. Seimela,Fekadu G. Hone,Mmantsae Diale,Tjaart P. J. Krüger,Nika Bekri,Newayemedhin A. Tegegne
出处
期刊:Energy & Fuels [American Chemical Society]
卷期号:40 (29): 16034-16043
标识
DOI:10.1021/acs.energyfuels.6c00939
摘要

Limited light absorption constrains the power conversion efficiency of thin-film organic solar cells (OSCs). Plasmonic nanoparticles offer an effective strategy for enhancing light trapping without increasing absorber thickness. In this work, mixed cubic and ellipsoidal colloidal Cu nanoparticles (c-Cu NPs) were incorporated into the ZnO electron transport layer (ETL) of inverted PBDD4T:PC 71 BM-based OSCs at volume ratios of 0, 0.25, 0.5, and 1% to exploit their dual plasmonic response. An optimal loading of 0.5% c-Cu NPs increased the PCE from 5.05% in the pristine device to 9.11%, representing an improvement of over 80% through simultaneous enhancements in the open-circuit voltage, short-circuit current density, and fill factor. The external quantum efficiency was enhanced by more than 50%, which is attributed to the broadband localized surface plasmon resonance of mixed-shaped Cu nanoparticles, resulting from near-field enhancement and forward scattering effects. The overall performance improvement is ascribed to the synergistic enhancement of charge generation, carrier mobility, and charge collection. Furthermore, the reduced defect density and smoother morphology of the c-Cu NPs–embedded ZnO ETL facilitate more efficient charge transfer and collection in the devices.
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