Влияние легирования и молекулярной структуры компонентов активного слоя на эффективность органических солнечных фотоэлементов (1102560), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

В рамках разработанных моделей показано, что легирование можетповысить КПД органических СФ с объёмным гетеропереходом при малых либонесбалансированных подвижностях электронов и дырок, а также принеомических контактах. Легирование слоёв органического СФ с планарнымгетеропереходом основными носителями (донорный слой – p-тип легирования,акцепторный слой – n-тип легирования) ведёт к увеличению КПД за счётувеличения напряжённости электрического поля на границе донорного иакцепторного слоёв, способствующего разделению зарядов.3. Фактор заполнения вольтамперной характеристики органического СФ спланарным гетеропереходом может превышать теоретический предел ШоклиКвайссера для фактора заполнения неорганических СФ.4.

Наличие зависящей от напряжённости электрического полярекомбинации носителей заряда на границе донорного и акцепторного слоёв вдвухслойном органическом СФ приводит к превышению фактором заполненияпредела Шокли-Квайссера для фактора заполнения неорганических СФ.65. Для органических СФ с объёмным гетеропереходом на основе поли-3гексилтиофена в качестве донора и индолинон-содержащих производныхфуллерена с алкильными заместителями различной длины в качествеакцепторных компонентов зависимость КПД от длины цепи алкильногозаместителя имеет максимум при длине цепи в 12 атомов углерода.Апробация работыОсновные результаты, полученные в диссертационной работе, представленыв докладах на следующих международных конференциях и семинарах:1.

Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодыхучёных «Ломоносов 2010» (Москва, 12 – 15 апреля 2010)2. Международная конференция по когерентной и нелинейной оптикеICONO/LAT 2010 (Россия, Казань, 23 – 26 августа 2010)3. Весенняя конференция Европейского общества исследования материаловE-MRS 2011 (Франция, Ницца, 9 – 13 мая 2011)4. 24-й Семинар по преобразованию солнечной энергии QUANTSOL 2012(Австрия, Бадгастайн, 11 – 16 марта 2012)5. 5-й Международный симпозиум по гибкой органической электроникеISFOE12 (Греция, Салоники, 2 – 5 июля 2012)6.

25-й Семинар по преобразованию солнечной энергии QUANTSOL 2013(Австрия, Бадгастайн, 3 – 7 марта 2013)7. Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодыхучёных «Ломоносов 2013» (Москва, 8 – 13 апреля 2013)8. Международная конференция по когерентной и нелинейной оптикеICONO/LAT 2013 (Россия, Москва, 18 – 22 июня 2013)9. Международная конференция по синтетическим металлам ICSM 2014(Финляндия, Турку, 30 июня – 5 июля 2014)10. Международная школа-конференция по органической электроникеIFSOE 2014 (Россия, Московская область, 21 – 26 сентября 2014)По теме диссертации опубликовано 7 работ в ведущих российских изарубежных реферируемых журналах Physical Review B, Beilstein Journal ofOrganic Chemistry, Solar Energy Materials and Solar Cells, Scientific Reports иВысокомолекулярные соединения.Личный вкладВклад автора диссертационной работы заключается в непосредственном7участии в постановке задач, проведении численных расчётов, экспериментов иобсуждении результатов.

Все описанные в работе численные расчёты иэксперименты по изготовлению образцов и измерению их характеристиквыполнены автором лично, анализ и оформление результатов проведено авторомлично.Структура и объём работыДиссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и спискалитературы. Работа содержит 150 страниц основного текста, 71 рисунок, 13таблиц, 60 формул и 159 библиографических наименований.Содержание работыВо введении дано краткое описание проблематики работы, обосновываетсяактуальность темы, сформулированы основные цели работы и защищаемыеположения.Первая глава представляет собой литературный обзор, в котором описаноустройство основных типов органических СФ, рассмотрены различныечисленные модели органических СФ, обсуждается легирование органическихполупроводников, и рассмотрены возможности повышения КПД органическихСФ за счёт разработки новых компонентов активного слоя, таких как узкозонныесопряжённые полимеры и производные фуллеренов.Во второй главе приведены использованные в работе экспериментальныеметоды изготовления и измерения основных характеристик образцоворганических СФ, таких как ВАХ в темноте и при освещении имитаторомсолнечного излучения, спектры внешней квантовой эффективности (ВКЭ),импеданс, толщины и морфология поверхности активного слоя.

Также описаныматериалы, использованные для изготовления образцов органических СФ.Третья глава посвящена теоретическому исследованию влияниялегирующих примесей на эффективность органических СФ [1]. Описаныразработанные численные модели для двух типов органических СФ: с планарными объёмным гетеропереходами (Рис. 1а,б).

В первом случае донорный иакцепторный компоненты активного слоя расположены в отдельныхпараллельных слоях, во втором случае донор и акцептор перемешаны и ихконтакт распределён по всему объёму активного слоя. В модели СФ с объёмнымгетеропереходом активный слой рассматривался как один полупроводник,8обладающий свойствами донорного и акцепторного компонентов, а именнодырочная подвижность и верхний край валентной зоны как у донора, аэлектронная подвижность и нижний край зоны проводимости как у акцептора.(а)(в)(б)(г)Рис.

1. Схемы органических СФ с планарным (а) и объёмным (б) гетеропереходами.Энергетическая диаграмма фотоэлемента на основе планарного гетероперехода, Lдиф –длина диффузии экситона (в), схематически показаны процессы, происходящие припоглощении света: образование (1), релаксация (2), диффузия (3) и разделение (4)экситона, транспорт (5) и сбор носителей зарядов на электродах (6). Блок-схема данныхпроцессов (г), D – донор, А – акцептор.Разработанные модели органических СФ описывают преобразование света вэлектричество, которое рассматривается как многоступенчатый процесс,схематически показанный на Рис. 1в,г.

Сначала при поглощении фотонов вдонорном (или акцепторном) компоненте активного слоя образуются экситоны(связанные пары электронов и дырок), которые в результате диффузии могутдостигнуть гетероперехода, где происходит перенос электрона на акцептор (илидырки на донор). В результате образуются связанные электронно-дырочные (e/h)пары на границе донора и акцептора, которые могут либо релаксировать косновному состоянию с вероятностью в единицу времени kрек, либодиссоциировать на свободные электрон и дырку с зависящей от напряжённостиэлектрического поля E вероятностью в единицу времени kдисс(Е). Далеесвободные электроны и дырки транспортируются по активному слою ксоответствующим электродам и дают вклад в фототок. Свободные электроны и9дырки, встретившись, могут также сформировать связанную e/h-пару, данныйпроцесс описывается скоростью бимолекулярной рекомбинации R.

Переносусвободных зарядов способствует электрическое поле внутри активного слоя,возникающее за счёт использования электродов с различными работами выхода.Генерация, транспорт и рекомбинация описываются системой уравнений,состоящей из уравнения Пуассона, уравнений непрерывности для плотностейтоков носителей зарядов, а также уравнений дрейфа и диффузии: d 2ϕe dx 2 = εε ( n − p + N a − N d )0 1 djn − e dx = U 1 dj p=Uedxdϕdnj=−en+kTµµnn ndxdx j = − epµ dϕ − µ kT dppp pdxdx(1)где e — заряд электрона, k — постоянная Больцмана, T — температура, µ n и µ p –подвижности электронов и дырок. Неизвестными функциями являютсяэлектрический потенциал φ, концентрации свободных электронов n и дырок p иих плотности токов jn и jp.

Параметр U характеризует разность скоростейгенерации и рекомбинации свободных носителей заряда в объёме активного слоя,в случае СФ с объёмным гетеропереходом параметр зависит от напряжённостиэлектрического поля E=-dφ/dx через вероятность диссоциации связанных e/h-парkдисс(Е), форма полевой зависимости которой взята из модели Онзагера-Брауна. Вмодели СФ с планарным гетеропереходом генерация свободных носителей имеетместо только на границе слоёв донора и акцептора, поэтому она учитываетсятолько в условиях сшивания неизвестных функций jn и jp, а параметр Uописывает только рекомбинацию в объёме слоёв.Система уравнений (1) дополняется граничными условиями (а такжеусловиями сшивания для СФ с планарным гетеропереходом). Напряжение V,приложенное к электродам, входит в граничные условия для потенциала φ.

Путёмчисленного решения системы уравнений (1) для различных значений V и расчёта10полной плотности тока J=jn+jp находятся ВАХ J(V) моделируемых органическихСФ.Задаваемыми параметрами моделей СФ являются концентрациилегирующих примесей Nd и Na, толщина активного слоя L, температура Т,ширины запрещённой зоны Eg и электронное сродство χ, работы выходаэлектродов Ф1 и Ф2, диэлектрическая проницаемость ε, подвижности электронови дырок µ n и µ p, плотности состояний электронов в зоне проводимости и дырок ввалентной зоне Nc и Nv, скорость генерации связанных e/h-пар G, размерсвязанной e/h-пары а0, вероятность релаксации связанных e/h-пар kрек. В случаеСФ с планарным гетеропереходом параметры Nd, Na, L, Eg, χ, ε, µ n, µ p, Nc, Nvзадаются для слоёв донора и акцептора отдельно, вместо а0 задаётся скоростьдиссоциации связанных e/h-пар при нулевом поле kдисс(0).

Численные значениязадаваемых параметров выбраны соответствующими фотоэлементам на основеодних из наиболее широко исследуемых органических полупроводников – поли3-гексилтиофена (P3HT) в качестве донора и производного фуллерена PCBM вкачестве акцептора.На Рис. 2а показаны рассчитанные ВАХ для фотоэлемента с объёмнымгетеропереходом на основе P3HT и PCBM при нулевом содержании легирующихпримесей и при введении легирующих примесей акцепторного типа сразличными концентрациями. Введение легирующих примесей снижаетплотность тока короткого замыкания JКЗ (плотность тока при V=0) и факторзаполнения FF ВАХ, напряжение холостого хода VXX (напряжение, при которомJ=0) при этом незначительно увеличивается, КПД при этом уменьшается. FFхарактеризует форму ВАХ в четвёртом квадранте и равен отношениюпроизведения J и V в точке максимальной мощности к произведению JКЗ и VXX.Такое снижение фототока объясняется тем, что легирующие примеси создаютсвободные заряды в активном слое, которые экранируют внутреннееэлектрическое поле, возникающее за счет различных работ выхода электродов испособствующее разделению зарядов.Для органических СФ с неоптимизированными параметрами, например,слишком низкими подвижностями электронов и дырок, сильно отличающимисяподвижностями, неоптимальными работами выхода одного из электродов(неомический контакт) было показано, что введение легирующих примесейможет увеличить КПД и другие фотоэлектрические характеристики (JКЗ, VXX, FF).11СФ при отсутствии легирования, ВАХ которого показана на Рис.

1а, далее будемназывать оптимизированным СФ. На Рис. 2б приведены ВАХ органического СФс параметрами как у оптимизированного СФ, за исключением пониженных начетыре порядка подвижностей µ n и µ p. Видно, что при введении легирующихпримесей с концентрацией до 2·1024 м-3 ток КЗ увеличивается в два раза, такжеулучшаются и другие фотоэлектрические характеристики. Увеличениеэффективности за счёт легирования в данном случае объясняется тем, что вблизиконтакта с одним из электродов образуется обеднённая носителями зарядовобласть (барьер Шоттки) с повышенной напряжённостью электрического поля,которое способствует разделению связанных e/h-пар и увеличению фототока.(б)(а)(г)(в)Рис. 2. Рассчитанные ВАХ при освещении (соответствующим стандартному солнечномуизлучению АМ1.5 с интенсивностью 1000 Вт/м2) для оптимизированного СФ с объёмнымгетеропереходом на основе P3HT:PCBM при отсутствии легирования и при различныхконцентрациях легирующих примесей (а), а также для неоптимизированных СФ: принизких подвижностях (б), при дисбалансе подвижностей (в) и неомических контактах (г).12Ещё один случай, когда легирующие примеси могут улучшитьхарактеристики органических СФ с объёмным гетеропереходом – это случайдисбаланса подвижностей электронов и дырок.

Характеристики

Список файлов диссертации