Noble metal nanoparticles supporting tunable Fano resonances for improving plasmonic solar cells

Photovoltaic (PV) solar cell research is an increasingly growing field, largely due to the response to climate change. Many resources have been directed towards thin-film research specifically. Historically, thin-films have been held back by their inefficiency when absorbing and converting light. As a result, much thin-film research focuses on the improvement of absorbance efficiency. In particular, the use of nanoparticles supporting localized surface plasmon resonance (LSPR) in solar cells has been promising. The use of such plasmonic nanoparticles, termed “plasmonic solar cells” (PSCs), exploit the far field scattering and near electric field enhancement properties of nanoparticles in order to trap light and thus increase efficiency. These two key behaviors are strongest in the Fano resonance (FR) region of the spectrum. In this work, we studied Fano resonance that appear on MDM gold-silica-gold nanoparticles in water using scattnlay, a computational Mie theory program. A variety of configurations of MDM nanoparticles were analyzed for their far field efficiencies, Fano resonance, scattering behavior, near field enhancement, and power flow. Overall, results were found consistent with other studies. The Fano resonance occurs as a result of the interaction between the metal core and outer metal shell. The MDM nanoparticles were found to support Fano resonances for most cases, except for when the core-shell interaction was weak or when the core-shell energy modes did not spectrally overlap. The Fano resonance affected the response of the nanoparticles to radiation. For the far field, the Fano resonance was found to create local minima and maxima in the asymmetry parameter spectrum that favored forward scattering. In the near field, the Fano resonance was found to correspond to behaviors in the field enhancement. The FR center and maximum were found to correspond to the maximum field enhancement at the surface of the metal core and outer shell, respectively. In both cases, the MDM nanoparticles showed improvements over their monometallic counterparts. In addition, the presence of inward optical vortices was found to exist near the LSPR frequency. It was concluded that a plasmonic solar cell configuration exploiting far field scattering properties would likely yield the best improvements; they exhibit preferential forward scattering in a high-scattering region. The MDM nanoparticles could be tuned to the full solar spectrum, scattering light forward and trapping light inside the solar cell.

La ricerca e lo sviluppo di celle fotovoltaiche è un campo che sta crescendo principalmente come risposta ai cambiamenti climatici. Molte risorse sono state dirette verso la ricerca di celle solari a film sottile. Storicamente, questo tipo di cella è stata messa in secondo piano per la loro inefficienza nell’assorbire e convertire la luce. Come risultato, la maggior parte della ricerca è concentrata nel miglioramento dell’efficienza di assorbimento. In particolare, l’uso di nano-particelle che supportano la risonanza plasmonica di superficie localizzata (LSPR) è molto promettente. L’uso di suddette particelle, chiamate celle solari plasmoniche (PSCs), sfrutta il campo lontano della dispersione e l’incremento delle proprietà delle nano-particelle da campo elettrico vicino, per intrappolare la luce e quindi incrementare l’efficienza. Questi due comportamenti chiave sono i più forti nella zona di risonanza dello spettro di fano. In questo lavoro, l’efficienza del campo lontano, la risonanza di Fano, i fenomeni di dispersione, l’incremento di campo vicino, e il flusso di potenza delle nano-particelle di metallo-dielettrico-metallo (MDM) sono stati calcolati e il loro comportamento è stato studiato con l’uso della Mie theory software chiamata scattnlay. Le particelle scelte sono composte di oro-silicio-oro e hanno un raggio di 75nm. I calcoli sono stati effettuati variando i parametri geometrici in due configurazioni: (1) un guscio esterno fisso con il nucleo interno e lo strato dielettrico variabili e (2) uno strato dielettrico fisso con lo strato di metallo variabile. Per un confronto, le simulazioni sono state effettuate per più o meno le dimensioni. Complessivamente, i risultati trovati sono stati consistenti con quelli di altri studi. Le particelle MDM supportano la risonanza di Fano per la maggior parte dei casi, eccetto quando uno strato della particella ha raggiunto spessori sproporzionatamente più grandi o piccoli. La risonzanza di Fano avviene come risultato delle interazioni tra il nucleo di metallo e il guscio esterno, ma in casi estremi l’interazione è debole e disaccoppiata. La risonanza di Fano influisce la risposta delle nanoparticelle alla radiazione. Per il campo lontano, è stato trovato che la risonanza crea un minimo e massimo locale nel parametro di asimmetria dello spettro. Nel campo vicino, è stato trovato che la risonanza corrisponde ai comportamenti di incremento di campo. Il centro di fano ha corrisposto con il massimo incremento di campo trovato alla superficie del nucleo interno e il massimo di fano al massimo incremento di campo alla superficie del guscio metallico esterno. In entrambi i casi, le nano-particelle di MDM hanno manifestato miglioramenti rispetto le loro controparti monometalliche. Inoltre, è stata trovata la presenza di vortici ottici interiori vicino la frequenza di LSPR. In conclusione, la configurazione a cella solare plasmonica che sfrutta le proprietà del campo lontano della dispersione, è quella che potrebbe portare i più grandi margini di miglioramento. Le particelle di MDM potrebbero essere regolate per coprire una parte maggiore dello spettro solare, preferibilmente disperdendo la luce incidentente e intrappolandola all’interno della cella.