Annealing Effects on the Optoelectronic Performance of Au and CuO Nanoparticles Incorporated P3HT/PCBM Solar Cells

Abstract

Перетворення сонячної енергії в електричну за допомогою наноструктурованих органічних/ неорганічних гібридних напівпровідників є одним з найкращих рішень сьогоднішньої енергетичної кризи. Зокрема, дослідники зосереджуються на мультитехніках для підвищення ефективності перетворення енергії полімерних сонячних елементів, включаючи термічний відпал та додавання наночастинок (NPs) оксиду металу або перехідного металу в активний шар полімерних сонячних елементів (PSCs). Конструктивні підходи до термічного відпалу спрямовані на покращення нанорозмірної морфології та оптичних властивостей активного шару. Впровадження металевих NPs базується на ефекті локалізованого поверхневого плазмонного резонансу (LSPR), який може бути використаний для посилення оптичного поглинання у фотоелектричних приладах. Тим часом NPs перехідного металу, такі як NPs оксиду міді (CuO) в активному шарі, відіграють ключову роль як центри акумулювання світлової енергії, центри стрибків заряджених частинок і проявники морфології поверхні, що дозволяє значно зменшити фізичну товщину шарів, які поглинають сонячну енергію. У дослідженні термічний відпал було використано для оптимізації ефективності перетворення енергії PSCs з об'ємними гетеропереходами P3HT/PC70BM, синтезованих шляхом включення наночастинок золота та наночастинок оксиду міді. Тепловий відпал збільшив ефективність перетворення енергії PSCs до 48,3 % порівняно з еталонним елементом. Оптимальна густина струму короткого замикання (Jsc) елементів склала 8,704 мА/см2 порівняно із густиною 5,838 мА/см2 в еталонному елементі; тим часом зовнішня квантова ефективність (EQE) зросла з 44 до 64 %.

Sun energy conversion to electrical energy using nanostructured organic/inorganic hybrid semiconductors is one of the best solutions for today’s energy crisis. In particular, researchers are focusing on multitechniques to increase the power conversion efficiency of polymer solar cells, including thermal annealing and the incorporation of metal or transition metal oxide nanoparticles (NPs) into the active layer of polymer solar cells (PSCs). The design approaches for thermal annealing are to improve the nanoscale morphology and optical properties of the active layer. The incorporation of metal NPs is based on localized surface plasmonic resonance (LSPR) effect which can be used to enhance the optical absorption in photovoltaic devices. Meanwhile, transition metal oxide NPs such as copper oxide (CuO) NPs in the active layer play a key role as light harvesting centers, charged particle hopping centers, and surface morphology developer, enabling a considerable reduction in the physical thickness of solar photovoltaic absorber layers. In this study, thermal annealing was used to optimize the power conversion efficiency of bulk heterojunction P3HT/PC70BM SCs synthesized by incorporating gold nanoparticles and copper oxide nanoparticles. Thermal annealing increased the power conversion efficiency by up to 48.3 % compared to the reference cell. The optimum short-circuit current (Jsc) of the cells was measured to be 8.704 mA/cm2 compared to 5.838 mA/cm2 in the reference cell; meanwhile, the external quantum efficiency (EQE) increased from 44 to 64 %.