Влияние легирования и молекулярной структуры компонентов активного слоя на эффективность органических солнечных фотоэлементов (1102560)
Текст из файла
На правах рукописиТруханов Василий АндреевичВЛИЯНИЕ ЛЕГИРОВАНИЯ И МОЛЕКУЛЯРНОЙ СТРУКТУРЫКОМПОНЕНТОВ АКТИВНОГО СЛОЯ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬОРГАНИЧЕСКИХ СОЛНЕЧНЫХ ФОТОЭЛЕМЕНТОВСпециальность 01.04.07 ― физика конденсированного состоянияАвтореферат диссертации на соискание ученой степени кандидатафизико-математических наукМосква– 2015Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессовфизического факультета Московского Государственного Университета имениМ.
В. Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наук, профессорПаращук Дмитрий ЮрьевичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук, старший научный сотрудникИнститута элементоорганических соединений им. А. Н. Несмеянова РАНГодовский Дмитрий Юльевичдокторфизико-математическихнаук,профессорисследовательского ядерного университета «МИФИ»Никитенко Владимир РоленовичНациональногоВедущая организация:Институт физической химии и электрохимии им. А.
Н. ФрумкинаЗащита состоится 17 декабря 2015 г в 16 час. 30 мин. на заседаниидиссертационного совета Д 501.002.01 при Московском государственномуниверситете имени М. В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва,Ленинские горы, д.1, стр. 2, Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова,ЮФА.С диссертацией можно ознакомиться в Отделе диссертаций Научнойбиблиотеки МГУ имени М.В. Ломоносова (Ломоносовский просп., д.27) и настранице в интернете:http://phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501-002-01/Автореферат разослан __________ 201_ г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.002.01кандидат физико-математических наукЛаптинская Т. В.2Общая характеристика работыАктуальность работыРастущая глобальная энергетическая потребность, ограниченность запасовтрадиционных источников энергии, их вредное влияние на окружающую среду –всё это делает актуальным разработку полупроводниковых солнечныхфотоэлементов (СФ).
Наиболее широко используемые СФ выполнены на основекремния, эффективность лучших образцов которых достигает 24%. Однако из-заособенностей технологии производства стоимость таких СФ высока.Перспективной альтернативой кремниевым фотоэлементам являются СФ наоснове органических полупроводниковых материалов – низкомолекулярныхсоединений и полимеров, содержащих π-сопряжённые цепи атомов углерода.Основные преимущества органических СФ перед неорганическими — простотапроизводства, низкая стоимость, механическая гибкость, малый вес иполупрозрачность. Наиболее перспективные органические фотоэлементыоснованы на гетеропереходе II типа, когда активный слой состоит из двухорганических полупроводников с различными значениями электронного сродства– донора электронов и акцептора электронов.
Гетеропереход необходим дляразделения экситонов, образующихся при поглощении фотонов в органическихполупроводниках, на свободные электроны и дырки. Гетеропереход может бытьпланарным, когда донор и акцептор представляют два отдельных параллельныхслоя, либо объёмным, когда донор и акцептор перемешаны, и их контактраспределён по всему активному слою. В качестве донорных компонентовприменяются сопряжённые полимеры и низкомолекулярные соединения, а вкачестве акцепторных – главным образом производные фуллеренов.Однако эффективность органических фотоэлементов невелика – КПДнаилучших лабораторных образцов достигает 12%. Относительно низкий КПДорганических СФ в заметной степени связан с недостаточным пониманиемфакторов, влияющих на эффективность преобразования энергии оптическогоизлучения в электричество в данных устройствах.Современные достижения полупроводниковой индустрии во многом связаныс реализацией управляемого легирования неорганических полупроводников, так,например, успехи кремниевой электроники во многом связаны с разработкойметодов легирования кремния.
Однако применение легирующих примесей дляорганических СФ почти не изучено, хотя известно, что многие3полупроводниковые полимеры обычно изначально содержат легирующиепримеси. Таким образом, актуальной задачей является исследование влияниялегирования на фотоэлектрические характеристики органических СФ, что и былопроведено в данной работе путём численного моделирования.Эффективность органических СФ в основном определяют свойствакомпонентов активного слоя, в частности сопряжённых полимеров ипроизводныхфуллеренов.Перспективным подходомк повышениюэффективности органических СФ является разработка новых сопряжённыхполимеров с относительно малой шириной запрещённой зоны (оптимальнойсчитается ширина 1.3 – 1.7 эВ), способных поглощать более низкоэнергетическиефотоны солнечного излучения, что ведёт к повышению фототока.
Одними изнаиболее перспективных узкозонных полимеров выступают полимеры на основебензодитиофена. Кроме того, актуальной является разработка новых, болеедешёвых и простых в синтезе производных фуллерена; такими соединениямимогут стать индолинон-замещённые фуллерены. Для достижения максимальногоКПД СФ на основе новых органических полупроводников, как донорных, так иакцепторных, необходимо выяснить, как особенности их молекулярнойструктуры (например, типа акцепторного фрагмента в сополимере, длины цепиалкильных заместителей, и др.) влияют на фотоэлектрические параметры СФ. Вданной работе проведено исследование свойств органических СФ на основеновых бензодитиофен-содержащих узкозонных полимеров, а также новыхиндолинон-содержащих производных фуллеренов в зависимости от ихмолекулярной структуры.Целью работы является определение зависимости эффективностиорганических СФ от концентрации легирующих примесей в активном слое, атакже исследование влияния молекулярной структуры компонентов активногослоя органических СФ на их эффективность.Задачи работы.
Для достижения указанной цели были поставленыследующие задачи:1. Создание численных моделей органических СФ с объёмным ипланарным гетеропереходами, в которых учитывается легирование в активномслое.2. Расчёт и анализ вольтамперных характеристик (ВАХ) СФ на основеразработанных моделей при различных концентрациях легирующих примесей, а4также зависимостей тока короткого замыкания, напряжения холостого хода,фактора заполнения и КПД от концентрации примесей при различныхпараметрах СФ.3. Сравнение фактора заполнения ВАХ органических СФ с предельнымфактором заполнения неорганических СФ (предел Шокли-Квайссера), поискосновных причин превышения предела Шокли-Квайссера фактором заполнениядля органических СФ с планарным гетеропереходом.4.
Экспериментальное исследование зависимости фотоэлектрническиххарактеристик (тока короткого замыкания, напряжения холостого хода, факторазаполнения, КПД) СФ на основе производного фуллерена PCBM ибензодитиофен-содержащих донорно-акцепторных сопряжённых полимеров оттипа акцепторного фрагмента.5. Экспериментальное исследование зависимости фотоэлектрическиххарактеристик СФ на основе поли-3-гексилтиофена и индолинон-содержащихпроизводных фуллерена от длины алкильного заместителя.Научная новизна работыВпервые построена численная модель органических СФ, учитывающаяприсутствие легирующих примесей в активном слое, влияние объёмного зарядана напряжённость электрического поля, дрейф и диффузию носителей заряда, атакже зависимость генерации и рекомбинации носителей заряда отнапряжённости электрического поля в активном слое.
С помощью данной моделипроведено исследование влияния легирования на эффективность органическихСФ. Впервые показано, что легирование может приводить к увеличению КПДорганических СФ как с планарным, так и с объёмным гетеропереходом. Впервыепоказано, что фактор заполнения ВАХ органических СФ может превышатьтеоретический предел для неорганических СФ благодаря наличию зависящей отнапряжённости электрического поля рекомбинации свободных носителей награнице донорного и акцепторного слоёв. Впервые созданы и исследованыобразцы органических СФ на основе новых бензодитиофен-содержащихузкозонных полимеров и органических СФ на основе индолинон-содержащихпроизводных фуллерена.Научная и практическая значимостьПредложены численные модели органических СФ с планарным и объёмнымгетеропереходами, описывающие генерацию, транспорт и рекомбинацию5носителей зарядов и учитывающие легирование в активном слое.
Данные модели,а также полученные в данной работе с помощью них результаты могут бытьиспользованы для разработки различных типов органических СФ и оптимизацииих фотоэлектрических характеристик.Показано, что фактор заполнения ВАХ органического СФ может превышатьпредел Шокли-Квайссера для неорганических СФ. Данный результат открываетновые возможности для оптимизации фотоэлектрических характеристикорганических СФ.Для органических СФ на основе новых индолинон-содержащих фуллереновнайдены оптимальная длина алкильного заместителя и оптимальные условияизготовления образцов.
В результате удалось получить КПД, сравнимый стаковым для органических СФ на основе широко исследуемого производногофуллерена PCBM (Phenyl-C61-Butyric Methyl ester). Учитывая более простой именее энергозатратный синтез индолинон-содержащих производных фуллеренов,они могут стать перспективной заменой РСВМ.Основные положения, выносимые на защиту1. Разработанные модели позволяют получить зависимости основныхрабочих характеристик органических солнечных фотоэлементов (СФ) отконцентрации легирующих примесей.2.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
