دانلود رایگان ترجمه مقاله افزایش جذب با نانو ذرات طلایی پلاسمونیک (ACS سال 2015)

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب) 

 با AM1.5 طیف خورشیدی در یک محدوده معین در سطح زمین با واحدها . با این تعریف، ? > 1 اشاره به افزایش جذب داشته یعنی در برداشتن AuNPs بمنظور افزایش ضریب جذب پروسکایت سودمند بوده و ? < 1 اشاره به تاثیر مخرب ضریب جذب پروسکایت دارد. در محاسبات، حد بالاتر انتگرال 775nm بوده، همانطور که نشان داده شده ضریب جذب پروسکایت در طول موج های بزرگتر منجر به افزایش کارایی کوانتوم خارجی می گردد (EQE). بنابراین، محاسبات خود را به حیطه انتگرال 400,775 nm محدود می سازیم. مجموعه پارامترهای هندسی که حجم پروسکایت (?? = ?? × ?? × ??) را تعریف می نمایند، و اندازه گوی (شعاعr) بر اساس تحقق تجربی انتخاب می گردد. دلیل ایجاد شده در ضریب جذب پروسکایت را بوسیله قرار دادن AuNPs به عنوان تابع آنالیز می کنیم: اندازه ذره، با تغییر شعاع گوی؛ تراکم، بوسیله تغییر حجم پروسکایت مجاور؛ مکان ذره درون غشاء پروسکایت و شکل گیری دوپار. 

شکل 2 افزایش جذب خورشیدی پروسکایت، ?، به عنوان تابع شعاع NP، r، برای تراکم های مختلف مانند حجم های مختلف ?? × ?? × ??  (همانطور که در شکل اشاره شده) نشان می دهد، با توجه به (A) ?? = 200 nm, and (B) ?? = 300 nm، (شکل S2 در پشتیبانی از اطلاعات نتایج را برای سیستم های ?? = 100 nm نشان می دهد). یک مسیر کلی در تمام موارد مشاهده می گردد: ? تا زمانی که به حداکثر می رسد با شعاع ذرات افزایش میابد. بیشترین افزایش برای (A) AuNPs با شعاع 60nm در حجم پروسکایت 200×200×200 یافت گردید، که در هر دو مورد مربوط به کسر پر کننده   11.3% است (مقادیر کسر پر کننده مربوطه در جدول S1 و جدول S2 در اطلاعات پشتیبان ظاهر می گردد). در این مرحله، از جفت کردن پلاسمونیک با در نظر گرفتن فاصله جداسازی بین ذرات طلایی مجاور جلوگیری گردید. این امر بوسیله شبیه سازی های توسعه میدان در سیستم های ?? × ?? × ??   شامل دو گوی جداکننده ?? − 2?)) و (?? − 2?) در مسیرهای مرتبط می باشد. این سیستم ها مربوط به سیستم مشابهی بوده که سلول واحد شامل 2 سلول واحد برای گوی های تکی در حجم   است. افزایش زمینه مدلسازی و تاثیرات پراکنده و همچنین پروفایل های جذب حاصل در مقایسه با موارد مشاهده شده برای ذرات مستقل هیچ تفاوتی را نشان نمی دهند (شکل S3 در حمایت از اطلاعات). از اینرو، افزایش ظرفیت گزارش شده در شکل 2 را می توان بر اساس وجود گوی های جداگانه در نظر گرفت. 

برای حالت  ???? = 300 nm طیف های ظرفیت جذب پروسکایت و طلا در شکل 3A و 3B برای چندین شعاع NP نشان داده شده است. بمنظور مقایسه، نتایج بدست آمده برای سیستم مرجع یعنی حجم پروسکایت مربوطه بدون هیچ AuNP را نشان می دهیم که با مدل های FDTD و نیمه تحلیلی محاسبه شده است. طبق پیش بینی، AuNP تاثیر بسیاری بر ضریب جذب پروسکایت در طول موج های بلند قابل دیدن دارد. در پانل A مشاهده می گردد که برای تمام ذرات، جذب نور بوسیله ماده پروسکایت یدید متیل آمونیوم سرب برای طول موج کوتاه تر از 500nm با افزایش شعاع ذرات کاهش میابد. برای ? ≥ 500 nm، ظرفیت افزایش پروسکایت برای تمام اندازه ها افزایش یافته که حداکثر میزان یافت شده برای ? = 90 nm  است. برای پانل B که تنها نور جذب شده توسط فلز در نظر گرفته شده، شکل منحنی ظرفیت جذب نشان می دهد که میزان نور جذب شده توسط فلز بطور پیوسته با اندازه ذرات در تمام طول موج ها افزایش میابد. رقابت بین این دو مواد جذب کننده منجر به ظرفیت پذیرش طلا در طول موج های بسیار کوتاه و بلند می گردد، از اینرو طیف های جذب نمونه نانو ذرات طلایی که همنوایی پلاسمون را در   نشان می دهد مشاهده نمی گردد. این نتیجه مستقیم در نظر گرفتن وسیله جذب حول ذرات طلا محسوب می گردد. در سیستم هایی با حجم کمتر پروسکایت، رقابت بین این دو ماده متعادل تر بوده و همنوایی پلاسمونی مانند آنچه در شکل S4  در پشتیبانی از اطلاعات برای مورد= 200 nm   نشان داده شده مشهود است. در این مورد که صفحه پروسکایت بدلیل مقدار کمتر مواد کمتری جذب می کند ، جذب طلا یک همنوایی پلاسمونی به میزان   نشان می دهد (سرخ سویی حاصل بدلیل قسمت واقعی شاخص انکساری وسیله خارجی) که با شعاع گوی به شدت آن افزوده می گردد. نقشه های گوی مرئی در شکل 3 (از بالا به پایین) پروفایل جذب به میزان ? = 450 nm, ? = 600 nm, ? = 750 nm (حداکثر ظرفیت جذب) را بطور نسبی برای? = 90 nm AuNP  نشان می دهد. آنالیز نتایج به میزان ? = 750 nm  نشان می دهد که سهم دوگانه از تاثیرات میدانی نزدیک و پراکنده بوسیله وجود NPs در غشاء پروسکایت منجر به جذب نور تقویت شده بوسیله نیمه هادی ها می گردد. در مقابل، طول موج هایی که بزرگی پراکندگی بر محل یابی میدان نزدیک چیره شده، تاثیر افزایش بطور قابل توجهی کمتر یا صفر بوده است. توجه به این مهم برای استفاده احتمالی از ذرات فلزی به عنوان فزاینده جذب نور در دستگاه های الکترونیک نوری از اهمیت بالایی برخوردار است. رویکردهای مبتنی بر ذرات پلاسمونی جهت افزایش ظرفیت جذب در سلول های خورشیدی پروسکایت AuNPs22,28, پوشش داده با سیلیکا را در نظر میگیرد، بنابراین، تحت فشار قرار دادن اثرات میدان نوری نزدیک جهت بهبود جذب مولد سلول ضروری بوده است. نتایج ما مطابق با کارهای قبلی بوده که در آن هیچ افزایش جذب برای اندازه ذراتnm   مشاهده نشده است. سهم نسبی این دو تاثیر اصلی که بر جذب پروسکایت، مکان یابی میدان نزدیک و پراکنده تاثیر گذاشته، با توجه به ضخامت صفحه مد نظر بطور قابل توجهی تغییر می کند. بعلاوه، نتایج نه تنها بدلیل حجم اشغالی به ازای ماده پروسکایت وابسته به اندازه ذرات بوده بلکه تاثیرات میدان نزدیک و پراکندگی نور پلاسمونی کاملا به قطر گوی وابسته هستند. تمام این بررسی ها توضیح می دهد که چرا مقدار حداکثر در شکل 2 در ذرات با اندازه و تراکم های مختلف به عنوان تابع ضخامت سطح یافت میشود. 

در آنچه دنبال می کنیم، تاثیر بر واکنش نوری صفحه مشخصات دیگر که احتمالا در انتشار ذرات فلزی در یک غشاء محکم مانند مکان ذرات تصادفی درون صفحه پروسکایت و شکل گیری دوپارها حاضر گردیده مورد تجزیه و تحلیل قرار می دهیم. صفحه پروسکایت با در نظر گرفتن مکان ذرات مختلف و همراه با مسیر z گرفتن درون صفحه آنالیز می گردد. در شکل 4 بطور مفصل مواردی را که برای آنها افزایش حداکثری ظرفیت جذب خورشیدی پروسکایت در شکل 2 یافت میشود آنالیز می کنیم
. پانل A ? را به عنوان تابع مکان ذره در مسیر z را نشان می دهد. بیاد داشته باشیم که ? = 0 nm مربوط به ذره متمرکز شده درون صفحه بوده، z<0nm در سیستم هایی که ذره نزدیک زیر لایه شیشه ای قرار گرفته (مثلا نزدیک به منبع روشنایی) و z>0nm در مواردی که به پوشش spiro-OMeTAD نزدیک تر است (دور از منبع روشنایی). دایره ها نتایج را برای صفحه پروسکایت با ضخامت با گوی های طلایی r=60nm نشان می دهد، در حالیکه مربع ها نشان دهنده شامل گوی هایی با شعاع r=90 nm هستند. خطوط تیره میانگین افزایش قابل پیش بینی را نشان داده که توزیع ذره فلزی رندم را درون غشا نیمه هادی بطور نسبی برای را فرض می نماید. برای spiro-OMeTAD حداکثر افزایش برای گوی های موجود در z=+20 یافت می شود که منجر به افزایش %12 می گردد، در حالیکه غشاهای ضخیم تر افزایش حداکثری (%6) به مقدار ? = -10 nm بدست می آید. این بدان معناست که نور باید با سرعت 50nm درون غشاء پروسکایت حرکت نماید قبل از اینکه به پراکنده ساز پلاسمونی جهت بدست آوردن عملکرد بهینه برسد. بعلاوه، این نتایج نشان دهنده اینست که توزیع رندم ذرات در مسیر z منجر به افزایش میانگین %7 و %5 برای می گردد. پانل B طیف های ظرفیت جذب را برای سلول واحد که شامل AuNP of ?? = 90 nm در مکان های مختل بوده نشان می دهد
(? = -50 nm, ? = -10 nm, and ? = 50 nm)، که این مقایسه نشان می دهد که شکل منحنی به این پارامتر حساس است. نقشه تکمیلی برجسته و مرئی مربوط به پروفایل های جذب با ? = 750 nm بوده، طول موجی که حداکثر ظرفیت جذب درآن یافت می گردد. با توجه به آنها میتوان نتیجه گرفت که تاثیرات میدان نزدیک زمانی که ذره نزدیک به لایه فرعی بوده مسلط است، در حالیکه تاثیرات پراکنده زمانی که نزدیک پوشش spiro-OMeTAD بوده مسلط می باشد. این دقیقا سهم دوگانه میدان نزدیک پلاسمونی و تاثیرات پراکنده یافت شده است که ذره نزدیک به مرکز صفحه ای بوده که منجر به حداکثر افزایش ظرفیت پذیرش پروسکایت می گردد. نتایج مربوطه برای صفحه در شکل S5 در پشتیبانی از اطلاعات نشان داده شده است.
طول موج
شکل 4. (A) افزایش جذب خورشیدی پروسکایت، ?، به عنوان تابع مکان z AuNP درون صفحه پروسکایت. دایره ها در مورد سیستم با گوی شعاع r=60nnm و مجذورات برای با گوی به شعاع r= 90nm توضیح می دهد. خطوط تیره مربوط به مقدار میانگین برای تمام مکان های z در هر مورد بحساب می آید. (B) برای مورد طیف های ظرفیت جذب در چندین مکان جذب nm هستند. رنگ ها مربوط به مکان های اشاره شده در پانل A هستند. نقشه فرعی پروفایل جذب مربوطه به میزان λ = 750 nm را نشان می دهد.
گرچه به بررسی رقیق کردن تعلیق جامد ذرات فلزی در پروسکایت می پردازیم، از تشکیل دوپاهار در طول آماده سازی غشاها نمی توان صرفنظر کرد. آنالیز تاثیرات نوری این نتیجه نهایی لازم است. بدین منظور، در شکل 5 تاثیر تشکیل دوپار در غشاهای پروسکایت که تراکم یکسانی داشته با توجه به 2 AuNPs در حجم مضاعف پروسکایت مورد تجزیه و تحلیل قرار می دهیم. پانل A در شکل 5 افزایش جذب خورشیدی پروسکایت به عنوان فاصله بین دو ذره، ، برای حجم های پروسکایت که شامل دو گوی با شعاع r=60 nm و که شامل دو گوی با شعاع r=90 nm بوده(مجذور) را نشان می دهد. تشکیل دوپارها بطور قطع برای صفحات پروسکایت نازک (در مقایسه با نتایج برای 1 AuNP) مفید بوده، که به حداکثر افزایش %12 فاصله شکاف 20 nm می رسد اما تاثیر مغایر برای غشاهای ضخیم تر بدست می آید. خطوط نقطه چین و تیره نشان دهنده افزایش ظرفیت جذب مربوطه یک گوی در نصف حجم است. در هر دو مورد هنگامی که به فاصله جدایی یک سیستم برابر متشکل از دو سلول واحد با یک گوی در هر سلول نزدیک می شود، افزایش مشاهده شده تبدیل به یک گوی تکی در یک نیم حجم می گردد، تاثیرات آرایه در شبیه سازی ها حذف گردیده است. تاثیر مختلف دوپارها در جذب هر ضخامت صفحه در نظر گرفته شده دارای مبدا در واکنش های ناهمسان به غشاهای پروسکایت در طول موج های بلند است. این تاثیر بطور شفاف در شکل 6 نشان داده شده که در آنجا میزان بازتاب، عبور و ظرفیت جذب برای حضور دوپارها و همچنین گوی های واحد در دو نوع غشاء را طرح ریزی می کنیم. برای سیستم های مورد نظر و =10nm دوپارها نور را بیشتر در جهت روبه جلو برای مورد انتشار می دهند که منجر به انتقال بالاتر در مقایسه با گوی هایی تکی گردیده، در حالیکه برای مورد رفتار مغایر وجود داشته، مثلا انتقال بیشتر برای گوی های تکی در مقایسه با دوپارها یافت می شود. افزایش میدان مربوطه و پروفایل های جذب در طول موجی که ظرفیت جذب پروسکایت حداکثر بوده در اشکال S6 و S7 در اطلاعات حامی نشان داده شده، نقطه حساس ایجاد شده در شکاف بین-ذره ای چنین حجم کمی را اشغال نموده که تاثیر آن بر ظرفیت جذب پروسکایت بسیار کمتر از پراکندگی آن می باشد.