Low-Terahertz Transparent Graphene-Based Absorber

A new, transparent, metal-free absorber, based on the use of multilayer graphene/dielectric laminates (GLs), is proposed for applications in the low-terahertz frequency range. The designed absorber has a total thickness of around 70 µm and consists of a front matching dielectric layer followed by a GL, a dielectric spacer and a back GL. The laminates are periodic structures constituted of graphene sheets separated by 50-nm-thick polyethylene terephthalate (PET) interlayers, while the matching layer and the spacer are one-quarter-wavelength thick and made of PET. The GLs are modeled as homogeneous-equivalent single layers (ESLs) characterized by their sheet resistances Rs. An innovative analytical method is proposed in order to select Rs values optimizing the electromagnetic wave absorption either in low-gigahertz or low-terahertz frequency range. The frequency spectra of the absorption, reflection and transmission coefficients are computed in the range up to 4 THz by using different values of Rs. Then, realistic Rs values of chemically doped graphene monolayers over PET substrates are considered. The designed absorbers are characterized by an absorption coefficient with a peak value of about 0.8 at the first resonant frequency of 1.1 THz, and a 1.4 THz bandwidth centered at 1.5 THz with reflection coefficient below - 10 dB. Moreover, the optical transmittance of the proposed absorbers are computed by means of the optical matrix theory and it is found to be greater than 86% in all the visible ranges

INCREASING SOLAR ENERGY CONVERSION EFFICIENCY IN HYDROGENATED AMORPHOUS SILICON PHOTOVOLTAIC DEVICES WITH PLASMONIC PERFECT META – ABSORBERS

Solar photovoltaic (PV) devices are an established, technically-viable and sustainable solution to society’s energy needs, however, in order to reach mass deployment at the terawatt scale, further decreases in the levelized cost of electricity from solar are needed. This can be accomplished with thin-film PV technologies by increasing the conversion efficiency using sophisticated light management methods. This ensures absorption of the entire solar spectrum, while reducing semiconductor absorber layer thicknesses, which reduces deposition time, material use, embodied energy and greenhouse gas emissions, and economic costs. Recent advances in optics, particularly in plasmonics and nanophotonics provide new theoretical methods to improve the optical enhancement in thin-film PV. The project involved designing and fabricating a plasmonic perfect meta-absorber integrated with hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) solar PV device to exhibit broadband, polarization-independent absorption and wide angle response simultaneously in the solar spectrum. First, recent advances in the use of plasmonic nanostructures forming metamaterials to improve absorption of light in thin-film solar PV devices is reviewed. Both theoretical and experimental work on multiple nanoscale geometries of plasmonic absorbers and PV materials shows that metallic nanostructures have a strong interaction with light, which enables unprecedented control over the propagation and the trapping of light in the absorber layer of thin-film PV device. Based on this, the geometry with the best potential for the proposed device is identified and used for device modelling and, finally the plasmonic enhanced n-i-p a-Si:H solar cell with top surface silver (Ag) metallic structure is proposed. In order for the plasmonic enhanced PV device to be commercialized the means of nanoparticle deposition must also be economical and scalable. In addition, the method to fabricate silver nanoparticles (AgNPs) must be at lower temperatures than those used in the fabrication process for a a-Si:H PV device (less than 180 0C). The results indicate the potential of multi-disperse self-assemble nanoparticles (SANPs) to achieve broadband resonant response for a-Si:H PV devices. Finally a plasmonic enhanced a-Si:H PV using multi-disperse SANPs is realized when AgNPs are integrated to the commercially fabricated nip-a-Si:H PV devices. The devices are characterized for both quantum efficiency and light I–V to evaluate the cell parameters (Jsc, Voc, FF and η). Real–time spectroscopic ellipsometry (RTSE) data is used to model the device performance and the theoretical parameters are compared with the experimental data. Conclusions are drawn and recommendations and future work is suggested

Optically transparent UWB antenna for wireless application & energy harvesting

This thesis was submitted for the degree of Doctor of Philosophy and awarded by Brunel University.Transparent UWB antennas have been the focus of this PhD research. The use of transparent UWB antennas for stealth and energy harvesting has been the underlying applications that have given impetus to this research. Such transparent antennas being built on materials that are discreet, flexible, conformal, conductive and having the ability to provide good antenna performance on glass to serve as the ‘last mile’ link in subsequent generation communications after 4G have been the basis for this contention. UWB in this regard is able to provide the transmission and reception of high data rates and fast video transmission that is an elementary demand of even a 4G wireless communications system. The integration of UWB antennas with photovoltaic to provide integral energy harvesting solutions that will further enhance the value of the UWB system in terms of cost effectiveness and performance are thus the basis of this work. This work hence starts with the study of a transparent conductive oxide polymer, AgHT and its properties, and culminates in the development of a transparent UWB antenna, which can be integrated with photovoltaic for window glass applications on homes and buildings. Other applications such transparent antennas can find use for like on-body wireless communications in healthcare monitoring was also analysed and presented. The radar absorbing material (RAM) property of the AgHT was investigated and highlighted using CST simulation software, as no measurement facilities were available. The transparent UWB antenna in lieu of the inherent absorbent property of the AgHT material is thus able to exhibit stealth characteristics, a feature that would be much desired in military communications. Introduction of a novel method of connecting the co-axial connector to the feed of the antenna to improve gain and efficiency of transparent polymer based antennas and the development of a UWB antenna that maintains its Omni-directional characteristic instead of becoming directional on an amorphous silicon solar cell are presented as some of the contributions for this research work. Some preliminary analysis on the impact of glass on UWB antennas for video transmission and how to improve transmission is presented. The ability of the conductive part of the antenna radiator to be used as a RF and microwave harvester and how it can further add value to a transparent UWB antenna is presented by way of experimental data. Finally yet importantly, this thesis presents some insight into how transparent antennas may be used in Green Technology Buildings to provide an integrated solution for both wireless communications and energy harvesting as part of the future work. Improvement to the aesthetics of the external appearance of residential buildings through the integration of transparent satellite dish onto solar panels on rooftops is also discussed and illustrated as part of this future work

Light trapping substrates and electrodes for flexible organic photovoltaics

Organic solar cells are one of the most promising candidates for future solar power generation. They are thin and lightweight with several additional advantages such as scalability, environmental sustainability and low cost for processing and installation. However, the low charge carrier mobility of the absorbing material for organic solar cells requires thin absorber layers, limiting photon harvesting and the overall power conversion efficiency. Several attempts, e.g., periodically patterned structures and scattering layers have been tried to enhance the absorption of thin-film solar cells as light trapping elements. However, much effort is required to introduce light trapping structures to conventional rigid metal oxide electrodes and glass substrate. For instance, almost 13 hours are required to fabricate micro structures of 1 m2 area on glass, in contrast, 1 minute on PET using a same laser set-up and an additional scattering layers are demanded for providing light trapping effects to solar cells. In the last years, flexibility is emerging as the one of the major advantages of organic solar cells. To realize flexibility of solar cells, the classically used glass substrates and ITO electrodes are too brittle. Therefore, polymer materials are promising candidates to replace them as flexible electrodes and substrates. In this thesis, the highly transparent conducting polymer, PEDOT:PSS and PET equipped with an AlOx encapsulation layer are used as electrode and substrate, respectively. Besides the flexibility, additional light trapping elements, e.g. scattering particles, nano- and microstructures can be easily applied to the polymer materials since they have the potential for easier shaping and processing. In this study, we apply different light trapping and in-coupling approaches to organic solar cells. First, PET substrates are structured with a direct laser interference patterning system, which is a powerful and scalable one-step technique for patterning polymers. Almost 80 % of the light is diffracted by these patterned PET substrates and thereby the light path in the absorption layer is increased. Optical display films, commercially developed to be used as back light units of liquid crystal displays are also examined as light trapping substrates and exhibit similar enhancement as patterned PET. Moreover, since PEDOT:PSS is prepared by a solution-based process, TiO2 nanoparticles are added as light scattering elements to the PEDOT:PSS electrodes. Consequently, those electrodes provide a dual function as electrical contact and light trapping element. Finally, 2- or 3-dimensional nanostructures are printed by a nano-imprinting technique onto the surface of PEDOT:PSS with PDMS stamps. By controlling the temperature and the time of PEDOT:PSS during an annealing step, nanostructures are transferred from PDMS masks to PEDOT:PSS. To evaluate the effects of light trapping for all above mentioned approaches, flexible organic solar cells are produced by vacuum evaporation using blends of DCV5T-Me and C60 as absorber layer. The substrates are optically characterized using UV-vis spectrometer and goniometer measurements. The topography of the samples is measured by atomic force microscopy, scanning microscopy and optical microscopy. Bending tests with various radii are performed to test the flexibility of the substrates. In summary, light trapping effects are successfully implemented in the electrodes and substrates for OPVs, giving efficiency improvements of up to 16 %. The light trapping mechanisms in our approaches are extensively discussed in this thesis.Organische Photovoltaik ist einer der vielversprechendsten Kandidaten für die zukünftige Solarstromgewinnung auf flexiblen Substraten. Um diese Flexibilität zu ermöglichen, sind herkömliche Glassubstrate mit ITO-Elektroden zu spröde. Ein vielversprechender Kandidat, um sowohl flexible Elektroden als auch flexible Substrate herzustellen, sind Polymere, da diese sehr biegsam und leicht zu verarbeiten sind. Deshalb wird in dieser Arbeit das hoch transparente, leitfähige Polymer PEDOT:PSS als Elektrode und PET (mit einer AlOx Verkapselungsschicht) als Substrat untersucht. Aufgrund der guten Prozessierbarkeit der Polymere konnten wir zusätzlich zu den eigentlichen Funktionen des Substrates und der Elektrode noch den Mechanismus des Lichteinfangs hinzufügen. Zusätzlich zu ihrer Flexibilität haben organische Solarzellen noch weitere Vorteile: sie sind dünn, leicht, skalierbar und verursachen vergleichsweise geringe Kosten für Herstellung und Installation. Ein Nachteil organischer Solarzellen ist die vergleichsweise geringe Ladungsträgerbeweglichkeit der Absorbermaterialien, welche oft die Schichtdicke der Absorbermaterialien begrenzt. Dies hat weniger absorbierte Photonen, weniger Stromdichte und somit einen geringeren Wirkungsgrad zur Folge. In den letzten Jahren wurden periodisch strukturierte Substrate und streuende Schichten als Lichteinfangelemente eingesetzt, um den Wirkungsgrad organischer Solarzellen mit dünnen Absorberschichten zu erhöhen. Gestaltungsregeln für solche Lichteinfangelemente sind noch weitestgehend unbekannt. Im Rahmen dieser Arbeit strukturieren wir PET Substrate mit einem direkten Laserinterferenzsystem, welches ein leistungsfähiges, skalierbares Einschrittverfahren zur Polymerstrukturierung ist. Da PEDOT:PSS aus der Lösung prozessiert wird, können wir weiterhin Nanopartikel hinzufügen, die der Elektrode zusätzlich noch lichtstreuende Eigenschaften geben. Außerdem können 2- bzw. 3-dimensionale Nanostrukturen leicht mithilfe einer Stempeltechnik eingeprägt werden. Um die Effekte des Lichteinfangs, welcher durch die oben genannten Methoden erzeugt wird, zu untersuchen, werden flexible organische Solarzellen mittels Vakuumverdampfung prozessiert. DCV5T-Me und C60 bilden dabei die photoaktive Schicht. Somit werden die Licht fangenden Eigenschaften dieser flexiblen Solarzellen ausgenutzt und ausführlich in der Arbeit diskutiert

Advanced light management concepts for perovskite photovoltaics

Um die rasante Zunahme der Treibhausgasemission zu bremsen und damit die globale Erderwärmung, ist ein schneller Umstieg von fossilen Brennstoffen auf erneuerbare Energien unabdingbar. In dieser Hinsicht spielt die Photovoltaik (PV) eine entscheidende Rolle, um eine effiziente Dekarbonisierung der globalen Stromerzeugung voranzutreiben. Dafür wird gegenwärtig sowohl an bestehender Silizium-PV, als auch an neuen PV-Technologien geforscht. Der prominenteste Kandidat unter den neuen Technologien sind die Perowskit-Solarzellen. Diese haben in den letzten 10 Jahren eine beispiellose Effizienzsteigerung durchlaufen und erzielen heute Rekordwirkungsgrade über 25%. Die rasche Entwicklung der Perowskit-basierten PV ist vor allem durch das Versprechen einer kostengünstigen, effizienten und skalierbaren Technologie motiviert. Sie gilt zum einen als Konkurrenz zur bestehenden Silizium-PV und zum anderen als Partner für die Anwendung in Perowskit/Silizium Tandem-PV. In dieser Hinsicht bietet die Perowskit-basierte Tandem-PV die Aussicht, den derzeitigen Rekordwirkungsgrad von Silizium (c-Si) Solarzellen (≈27%) und sogar die Shockley-Queisser-Grenze für Einfachsolarzellen (≈34%) zu übertreffen. Eine verbleibende Herausforderung, sowie ein aktuell stark untersuchtes Forschungsthema von Perowskit/c-Si-Tandemsolarzellen, ist ihre geringere Lichtausbeute im Vergleich zu konventionellen c-Si Solarzellen. Dies ist insbesondere auf zusätzlich erforderliche Funktionsschichten, wie die transparenten Elektroden, Ladungstransportschichten und Passivierungsschichten zurückzuführen, die gemeinsam zu Reflexionsverlusten und Verlusten durch parasitäre Absorption beitragen. Dies reduziert sowohl den Wirkungsgrad (PCE) als auch den Energieertrag (EY) der Tandem-Solarzelle. Um Reflexions- und Absorptionsverluste zu minimieren, ist ein fortschrittliches Lichtmanagement unerlässlich. Da sich die realistischen Einstrahlungsbedingungen stark von typischen Standardtestbedingungen unterscheiden (z.B. spektrale Variation und variabler Einfallswinkel des Sonnenlichts), ist es zwingend notwendig, PV-Module nicht nur für den PCE, sondern auch für den EY zu optimieren. Daher ist ein ausgeklügeltes Lichtmanagement nicht nur auf Tandem-Solarmodule beschränkt, sondern für jede Art von Solarmodul wichtig. In dieser Arbeit werden verschiedene Lichtmanagementkonzepte für die Perowskit-basierte-PV diskutiert und in Bezug auf den PCE und den jährlichen EY bewertet. In diesem Zusammenhang werden Mikrotexturen für eine verbesserte Lichteinkopplung an der Luft/Glas-Grenzfläche untersucht, was für alle PV-Technologien relevant ist. Die Mikrotexturen an der Vorderseite des Solarmoduls bieten die Möglichkeit, die Luft/Glas-Reflexion fast vollständig zu eliminieren und bei schrägen Einfallswinkeln (z.B. 80°) um ca. 80%rel zu reduzieren. Die experimentelle Realisierung zeigt die Erhöhung des PCE um 12%rel bzw. 5%rel für planare und texturierte Siliziumsolarzellen. Darüber hinaus werden Mikrotexturen auf Perowskit/c-Si-Tandem-Minimodulen realisiert, die den PCE um 10%rel verbessern. Aufgrund der ausgezeichneten Winkelstabilität der Mikrotexturen spiegelt sich die Verbesserung des PCE auch im EY wider, was durch Simulationen gezeigt wird, bei denen die Verbesserungen im EY die des PCE um 2%rel übertreffen. Zusätzlich zur ersten Grenzfläche jedes Solarmoduls werden die Reflexionsverluste an den vorderen halbtransparenten Indiumzinnoxid (ITO) Elektroden der Perowskit-Solarzellen untersucht. Mit Hilfe von nanotexturierten Glas/ITO-Grenzflächen können diese Verluste minimiert werden, was zu einem verbesserten Strom in der oberen Perowskit- und unteren c-Si-Solarzelle führt. Dies verbessert den Tandem-PCE um 2%rel. Darüber hinaus sind die nanotexturierten Elektroden winkelstabil und versprechen in den Simulationen eine Erhöhung des EY um 10%rel, was höher ist als die simulierte Verbesserung des PCE um 9%rel. Weitere nanophotonische Modifikationen der Absorberschicht der Perowskit-Solarzelle führen zu einer verbesserten Absorption in der Nähe der Bandlücke, indem das einfallende Licht in quasi-geführte Moden eingekoppelt wird. Simulationen zeigen, dass dies die Stromerzeugung in den Perowskit-Solarzellen um bis zu 6%rel verbessert. Erste experimentelle Ergebnisse demonstrieren eine Verbesserung um 2%rel. Darüber hinaus bieten die nanophotonischen Perowskit-Solarzellen eine einfache Möglichkeit, den um-weltschädlichen Bleigehalt in den Perowskit-Solarzellen bei gleichbleibendem Wirkungsgrad, um 30%rel zu verringern. Darüber hinaus verändert die nanophotonische Modifikation des Absorbers die Winkelabhängigkeit der Perowskit-Solarzellen nicht und führt zu den äquivalenten Verbesserungen des EY. Schließlich wird ein neuartiges Herstellungsverfahren für Perowskit-Solarzellen vorgestellt, dass eine einfache Laminierung der Perowskit-Solarzellen ermöglicht. Damit umgeht die Laminierung Inkompatibilitäten bei konventionellen Schichtabscheidungs-techniken und bietet somit mehr Flexibilität und Freiheit bei der Wahl der Ladungstransportmaterialien für die Perowskit-Solarzellenherstellung. Erste Prototypen zeigen eine ausgezeichnete Langzeit- und Temperaturstabilität der laminierten Perowskit-Solarzellen mit einem PCE über 14%. Das vorgestellte Laminierungskonzept bahnt damit den Weg für eine direkte Laminierung von Perowskit-Solarzellen auf die bestehende Siliziumtechnologie und hat so ein großes Potential für die aktuelle Perowskit-basierte Tandemforschung