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Publicação
Strong Light-Matter Coupling for Improved Organic Photovoltaics
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Organic photovoltaic technology is a very promising area of research - potentially able to balance the current energy demand the world requires every day. Organic materials in-herit fascinating properties like tailorable optical properties, adjustable optical bandgap and electrical conductivity, and easy and cheap processing among others. These materials also present short exciton diffusion lengths, low charge mobilities and weak absorption, negatively impacting the short-circuit current (Jsc) and open-circuit voltage (Voc) of organic solar cells and their performance. Light-matter coupling is an exponentially growing field of research, which focuses on the coupling of photonic modes and excitonic states of matter. This interaction results in the formation of hybrid states of matter - polaritons - with interesting new properties. The pioneer work of incorporating this concept in optoelectronic devices has allowed for improved photoconductivity, long-range energy transfer, reduced optical losses, higher harvesting rates and enhanced power conversion efficiencies. The work of this thesis focuses on the simulation, fabrication, and characterization of organic solar cells with a nanostructured layer to optimize its short-circuit current, as well as simpler systems of metallic lattices to study strong coupling between collective plasmonic resonances and organic excitons in standard donor-acceptor blends. Full solar cells devices containing square gold lattices were achieved. The open-circuit voltage and fill factor (FF) retrieved through J-V curves remained roughly unchanged whereas the short-circuit is slightly reduced. Although the investigated solar cells do not show evidence of strong coupling as they were not optimized, these measurements illustrate that it is possible to structure the electrode of the cell with a structure supporting optical modes without degrading the Voc. External quantum efficiency analysis provided an insight on how the gold lattices influence the quantum efficiency spectrum of the solar cells, allowing the absorption edge to be shifted towards lower energies in some cases.
A tecnologia de fotovoltaicos orgânicos é um campo de pesquisa bastante promissor - potencialmente capaz de equilibrar a atual procura energética a nível mundial. Os materiais orgânicos possuem propriedades fascinantes tais como a adaptabilidade de propriedades óticas, ajustabilidade do hiato ótico e condutividade elétrica, apresentando um custo reduzido e facilidade de fabrico, entre outros. Por outro lado, estes materiais também possuem cumprimentos de difusão de excitões bastante curtos, mobilidades de carga baixas e baixa absorção, o que influencia negativamente a corrente de curto-circuito (Jsc) e a tensão de circuito aberto (Voc) de uma célula solar orgânica e, consequentemente, o seu desempenho. A área da física que estuda o coupling entre luz e matéria encontra-se num crescimento exponencial, focando-se principal-mente no acoplamento de modos fotónicos e excitões. Esta interação resulta na formação de estados híbridos de matéria - polaritões - que possuem novas propriedades interessantes. O trabalho pioneiro de incorporar este conceito em dispositivos optoeletrónicos com matrizes nano estruturadas permitiu uma melhoria da fotocondutividade, uma transferência de energia a longo alcance, redução de perdas ópticas, recolhas de cargas mais altas e eficiências de conver-são de energia superiores nestes dispositivos. Este trabalho foca-se em simular, fabricar e caracterizar células solares orgânicas com um elétrodo nano estruturado, bem como sistemas mais simples de matrizes metálicas cujo objetivo é estudar o strong coupling entre ressonâncias coletivas e excitões orgânicos que resultam de misturas orgânicas de camadas doadoras e aceitadoras standard na industria. Neste trabalho foram realizados dispositivos de células solares contendo matrizes de ouro de forma a maximizar a Jsc destas, bem como sistemas mais simples de matrizes metálicas para estudar strong coupling entre estas e modos excitónicos. A tensão de circuito aberto e o fator de forma (FF), extraídos através das curvas J-V, permaneceram praticamente inalterados, enquanto que a corrente de curto-circuito sofreu uma ligeira redução. Apesar das células solares investigadas não apresentarem quaisquer evidência de strong coupling dado que estas não se encontram totalmente otimizadas, estas medições provam que é possível modificar um elétrodo, de forma a que este suporte modos óticos, sem que haja uma degradação da tensão de circuito aberto.A análise da eficiência quântica externa forneceu uma visão sobre como as matrizes de ouro influenciam fortemente a forma da eficiência quântica, permitindo que a fronteira de absorção se desloca-se para energias mais baixas em alguns casos.
A tecnologia de fotovoltaicos orgânicos é um campo de pesquisa bastante promissor - potencialmente capaz de equilibrar a atual procura energética a nível mundial. Os materiais orgânicos possuem propriedades fascinantes tais como a adaptabilidade de propriedades óticas, ajustabilidade do hiato ótico e condutividade elétrica, apresentando um custo reduzido e facilidade de fabrico, entre outros. Por outro lado, estes materiais também possuem cumprimentos de difusão de excitões bastante curtos, mobilidades de carga baixas e baixa absorção, o que influencia negativamente a corrente de curto-circuito (Jsc) e a tensão de circuito aberto (Voc) de uma célula solar orgânica e, consequentemente, o seu desempenho. A área da física que estuda o coupling entre luz e matéria encontra-se num crescimento exponencial, focando-se principal-mente no acoplamento de modos fotónicos e excitões. Esta interação resulta na formação de estados híbridos de matéria - polaritões - que possuem novas propriedades interessantes. O trabalho pioneiro de incorporar este conceito em dispositivos optoeletrónicos com matrizes nano estruturadas permitiu uma melhoria da fotocondutividade, uma transferência de energia a longo alcance, redução de perdas ópticas, recolhas de cargas mais altas e eficiências de conver-são de energia superiores nestes dispositivos. Este trabalho foca-se em simular, fabricar e caracterizar células solares orgânicas com um elétrodo nano estruturado, bem como sistemas mais simples de matrizes metálicas cujo objetivo é estudar o strong coupling entre ressonâncias coletivas e excitões orgânicos que resultam de misturas orgânicas de camadas doadoras e aceitadoras standard na industria. Neste trabalho foram realizados dispositivos de células solares contendo matrizes de ouro de forma a maximizar a Jsc destas, bem como sistemas mais simples de matrizes metálicas para estudar strong coupling entre estas e modos excitónicos. A tensão de circuito aberto e o fator de forma (FF), extraídos através das curvas J-V, permaneceram praticamente inalterados, enquanto que a corrente de curto-circuito sofreu uma ligeira redução. Apesar das células solares investigadas não apresentarem quaisquer evidência de strong coupling dado que estas não se encontram totalmente otimizadas, estas medições provam que é possível modificar um elétrodo, de forma a que este suporte modos óticos, sem que haja uma degradação da tensão de circuito aberto.A análise da eficiência quântica externa forneceu uma visão sobre como as matrizes de ouro influenciam fortemente a forma da eficiência quântica, permitindo que a fronteira de absorção se desloca-se para energias mais baixas em alguns casos.
Descrição
Palavras-chave
Organic photovoltaics Strong light-matter coupling Surface lattice resonances