Double resonant character in an optical cavity for high performance and stable polymer solar cells

Cotutela Universitat Politècnica de Catalunya i Karlsruher Institut für Technologie
Solution-processed thin film solar cells emerged as very promising photovoltaic technologies suitable for a low cost roll-to-roll upscale production. Such thin film character also ensures lightweight and flexibility for the solar cell modules, making them ideal for a wide variety of applications where silicon panels cannot be used. In addition to the above-mentioned advantages, common in all solution-processed thin film technologies, polymer solar cells (PSCs) have a unique semitransparency, which makes them very useful for solar window applications and very competitive in building integrated photovoltaics. In recent years, a remarkable progress has been achieved in the field of PSCs. The power conversion efficiency of PSCs has already surpassed the 11% barrier. However, to be able to eventually compete with other solution-processed thin film technologies, such device efficiency must be further improved. Given the low charge carrier mobility in commonly used organic p-conjugated semiconductors, the tradeoff between optical absorption and charge collection, limits the thickness of the majority of photoactive layers currently being used to approximately 100 nm. To overcome the limited light absorption in such thin active layers, an adequate optical management becomes very important. Ideally, a light absorption or short-circuit current enhancement should be achieved without affecting the other photovoltaic parameters, such as the photovoltaic device open circuit voltage and fill factor. In this thesis, we implement a one-dimensional new optical planar cavity that exhibits a resonant character at two different nonharmonic frequencies of each other, which we named two-resonance tapping cavity (TRTC). With such TRTC we demonstrate that one may reach an optimal broadband light trapping in thin film cells, largely improving the photocurrent of the solar without sacrificing the device electrical properties. A limited stability is another obstacle that may prevent any industr
Las celdas solares de capa fina procesadas por métodos en solución surgieron como una interesante tecnología fotovoltaica para una producción roll-to-roll a bajo coste. El carácter de película delgada también asegura el bajo peso y la flexibilidad de los módulos solares, haciéndolos ideales para una gran variedad de aplicaciones donde los paneles de silicio no pueden ser usados. Además de las ventajas mencionadas, compartidas por todas las tecnologías de capa fina procesadas en solución, las celdas solares de polímero (PSCs) presentan propiedades únicas de semi-transparencia, lo que las hace útiles para aplicaciones en ventanas solares y muy competitivas como elementos integrados en edificios. En los últimos años, se ha logrado un progreso notable en el campo de las PSCs. La eficiencia de conversión de energía de las PSCs ha superado ya la barrera del 11%. Sin embargo, para poder competir finalmente con otras tecnologías de capa delgada procesadas en solución, la eficiencia del dispositivo debe mejorarse aún más. Debido a la baja movilidad de los portadores de carga para los típicos semiconductores orgánicos p-conjugados, el compromiso entre absorción óptica y recolección de carga limita el espesor de la mayoría de las capas fotoactivas que se utilizan actualmente a aproximadamente 100 nm. Para mejorar la limitada absorción de luz en dichas capas activas, el uso de estrategias ópticas adecuadas es muy relevante. Idealmente, se debería lograr un aumento de la absorción de la luz o de la corriente a cortocircuito sin afectar a los demás parámetros fotovoltaicos, tales como el voltaje a circuito abierto y el factor de llenado del dispositivo fotovoltaico. En esta tesis, incorporamos una nueva cavidad óptica planar unidimensional que presenta un carácter resonante en dos frecuencias no armónicas diferentes, y que llamamos two-resonance tapping cavity (TRTC). Con la TRTC demostramos que puede alcanzarse una captura óptima de la luz en celdas de capa fina sobre un amplio
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