Light harvesting in fiber array organic solar cells
Authors:   , Mariano Juste Marina 
Published: October 2023

Considering that the most abundant renewable energy source is the Sun, photovoltaic technology possesses one of the highest potentials to provide environmental benign and sustainable energy worldwide. Currently, most of commercial available modules are fabricated from crystalline silicon because of its high efficiency. To lower fabrication costs and increase the functionality of the solar modules, several thin film technologies are under development. Among them, organic photovoltaics has created large expectations provided it possesses some intrinsic advantages, such as light weight, flexibility or semi-transparency.
However, the low charge mobility in the majority of the organic semiconductor materials prevents the use of active layers thicker than a few hundred nanometers. This leads to a limited light harvesting capacity and, consequently, a limited conversion efficiency. Different optical approaches have been considered to enhance the absorption of organic solar cells and increase their efficiency. In this thesis, we propose a novel configuration based on the use of fiber arrays to effectively trap light and efficiently couple it into the active layer to enhance absorption.

The thesis work is presented in five chapters. After an introductory chapter, in chapter 2 light absorption of an organic solar cell deposited on the backside of a fiber array is studied theoretically. A strong enhancement in light harvesting is predicted using such configuration. For small diameter fibers the enhancements originated from light coupling to some low quality whispering gallery modes, while for large diameter fibers light seemed to be effectively trapped inside the fiber structure.

In chapter 3 and 4, we consider the dip-coating procedure, a fabrication technique that can be applied to deposit from a precursor solution, layers on a substrate irrespective of its shape. Its viability is demonstrated by applying it to different device architectures. The deposition on such non-flat substrates of the rest of the layers forming an organic solar cell is also examined. For instance, several relevant changes that had to be introduced to the ITO sputtering to obtain transparent electrodes with an optimal quality, both, optically and electrically, are discussed.

Once the layer deposition is optimized to fulfill the electrical and optical requirements of organic solar cells, in chapter 5, we experimentally demonstrate that an enhanced light absorption can be achieved from such organic solar cells when deposited on fiber arrays. Optical fibers of 80 µm in diameter were used to fabricate the arrays to be used as the cell substrate. Such substrates were coated with an organic solar cell of evaporated small molecules. The implemented fiber array configuration is seen to be an effective light trapping method. Indeed, the photogenerated current from such devices is shown to increase by a 26%, which is a considerable percentage when compared to the majority of the optical approaches that were considered in the past to enhance absorption in organic cells.

Si considerem que la font d'energia renovable més a abundant és el Sol, la tecnologia fotovoltaica posseeix un dels potencials més alts per poder produir l'energia mundial de forma sostenible i benigne amb el medi ambient. Actualment la majoria dels mòduls comercials estan fabricats de silici cristal.lí ja que aquest material té una gran eficiència. Per tal de rebaixar els costos de producció i incrementar la funcionalitat d'aquest panells solars, diverses tecnologies de capa prima s'estan desenvolupant. Entre elles, la tecnologia fotovoltaica amb materials orgànics ha creat grans expectatives gràcies a les seves propietats intrínseques, com per exemple la seva lleugeresa, flexibilitat o bé semi transparència. Per altra banda, la baixa mobilitat de les càrregues en la majoria dels semiconductors orgànics impedeix l'ús de capes actives no molt més gruixudes que uns pocs nanòmetres. Això provoca que tinguin una capacitat de col.lecció lumínica limitada i com a conseqüència, la eficiència de conversió energètica també ho és. S'han considerat diferents estratègies òptiques per tal de millorar l'absorció en les cel.les solars orgàniques i incrementar la seva eficiència. En aquesta tesi proposem una configuració innovadora basada en l'ús d'una matriu de fibres, les quals atrapen i acoblen la llum en la capa activa per millorar l'absorció d'aquesta. La present tesi consta de cinc capítols. Després d'un capítol introductori, en el capítol 2 s'estudia teòricament l'absorció de llum d'una cel·la solar orgànica dipositada en la part posterior de la matriu de fibres. Per diàmetres de fibra petits, les millores són degudes a l'acoblament d'uns modes recirculants de llum de baixa qualitat. Mentre que per diàmetres grans, la llum sembla estar atrapada de forma efectiva dins de l'estructura formada per les fibres. En els capítols 3 i 4 hem considerat el recobriment per immersió, aquesta tècnica de fabricació pot ser aplicada per dipositar capes des d'una solució precursora a un substrat, independentment de la seva forma. La validesa de la tècnica es demostra quan s'aplica a diferents arquitectures de cel·la. El dipòsit en aquestes estructures no planes de la resta de les capes que formen la cel·la solar orgànica també s'ha investigat. Per exemple, es discuteixen varis canvis rellevants, els quals s'han tingut que introduir per la polvorització catòdica del ITO, per tal d'obtenir elèctrodes transparents amb unes qualitats òptiques i elèctriques òptimes.