Влияние легирования и молекулярной структуры компонентов активного слоя на эффективность органических солнечных фотоэлементов (1102560), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Часто бывает, что в органическихполупроводниках, входящих в состав активного слоя, подвижности электронов μnи дырок μp сильно отличаются, различие может составлять несколько порядков.Это приводит к ухудшению характеристик СФ, из-за того, что электроны и дыркипокидают активный слой с различными скоростями, и образуется объёмныйэлектрический заряд, создающий электрическое поле, препятствующееразделению и транспорту носителей. На Рис.
2в приведены ВАХ фотоэлементапри дисбалансе подвижностей электронов и дырок, а именно, когда дырочнаяподвижность на два порядка снижена, а подвижность электронов и другиезадаваемые параметры такие же как у оптимизированного СФ, ВАХ которогопоказана штриховой чёрной линией на Рис 2в. При легировании СФ сдисбалансом подвижностей ток КЗ увеличивается, так как легирующие примесичастично компенсируют объёмный заряд, препятствующий разделению итранспорту электронов и дырок.Также был рассмотрен случай влияния легирования на параметрыорганических СФ с объёмным гетеропереходом, когда работы выхода электродовподобраны неправильно и контакты с активным слоем являются неомическимидля электронов или дырок. На Рис.
2г приведены ВАХ органических СФ собъёмным гетеропереходом с неомическим контактом анода (электрода сбольшей работой выхода, на котором собираются генерируемые в активном слоедырки), работа выхода анода снижена на 0.75 эВ по сравнению соптимизированным СФ. Все параметры СФ с таким неомическим контактом (JКЗ,VXX, FF, КПД) снижены по сравнению с оптимизированным СФ из-зауменьшения внутреннего электрического поля в активном слое, возникающего засчёт разницы работ выхода электродов и способствующего разделению итранспорту носителей заряда. Введение легирующих примесей акцепторноготипа в активный слой приводит к образованию барьеров Шоттки вблизи обоихконтактов, что ведёт к увеличению электрического поля в активном слое иэффективности генерации и транспорта зарядов.
Поэтому фотоэлектрическиепараметры (особенно VXX и FF) и КПД увеличиваются за счёт легирования.Далее было исследовано влияние легирования на двухслойные СФ спланарным гетеропереходом, результаты приведены на Рис. 3. Рассматривалось13два случая легирования слоёв донора и акцептора: основными и неосновныминосителями.
В первом случае слой донора (слой 1), по которомутранспортируются фотогенерируемые дырки,легируется примесямиакцепторного типа (p-типа) с концентрацией Na1, которые привносят свободныедырки; слой акцептора (слой 2) при этом легируется примесями n-типа с той жеконцентрацией Nd2=Na1. В случае легирования неосновными носителямидонорный слой легируется примесями n-типа, а акцепторный слой примесями pтипа с равными концентрациями Nd1=Na2.(а)(б)Рис. 3.
Рассчитанные ВАХ при освещении двухслойных органических СФ с планарнымгетеропереходом при легировании основными носителями и kдисс(0)/kрек=0.1 (а) и прилегировании неосновными носителями и kдисс(0)/kрек=100 (б).При легировании слоёв основными носителями все фотоэлектрическиепараметры существенно увеличиваются с концентрацией примесей (Рис.
3а).Показано, что причины повышения эффективности за счёт легированиязаключаются в следующем. В отсутствии легирования в активном слоесодержится очень малое число свободных носителей и электрическое полепостоянно во всём активном слое и равно приблизительно отношению разностиработ выхода электродов и толщины.
Вероятность диссоциации kдисс(Е) награнице слоев невелика. Однако при легировании слоёв примесями p- и n-типов вактивном слое присутствует большое число свободных электронов в одном слоеи дырок в другом, а вблизи границы слоёв образуется обеднённая носителямиобласть с некомпенсированным объёмным электрическим зарядом. Это явлениеаналогично образованию p-n-перехода. В результате на границе слоёвсущественно увеличивается напряжённость электрического поля Е, и вместе сней растёт и вероятность диссоциации связанных e/h-пар kдисс(Е).
Поэтому14становится больше эффективность разделения зарядов и фототок растёт, приводяк увеличению JКЗ, VXX, FF и КПД с концентрациями легирующих примесей Nd2 иNa1. На Рис. 3а ВАХ приведены для случая короткоживущих связанных e/h-пар смалой вероятностью диссоциации по сравнению с вероятностью релаксацииkдисс(0)/kрек=0.1, так как при этом повышение КПД за счёт легирования более ярковыражено. В случае долгоживущих пар, например при kдисс(0)/kрек=100, изменениефотоэлектрических характеристик более слабое, рост КПД с концентрациямиобусловлен в основном увеличением VXX и FF. Нужно заметить, что FF можетдостигать значений более 90% и быть выше теоретического предела ШоклиКвайссера для FF неорганических СФ; данный эффект подробно рассмотрендалее.При легировании неосновными носителями в случае kдисс(0)/kрек=0.1 токкороткого замыкания и КПД быстро убывают с концентрациями. Приkдисс(0)/kрек=100 сначала уменьшается FF, а VXX и JКЗ начинают быстро убыватьпри более высоких концентрациях легирующих примесей.
Случай легированиянеосновными носителями при kдисс(0)/kрек =100 приведён на Рис. 3б, прилегировании с концентрациями Nd1=Na2=1.5 1023 м-3 FF уменьшается почти в 3раза и ВАХ становится S-образной. Это объясняется, во-первых тем, что притаком легировании напряжённость электрического поля на границе слоёвуменьшается или даже меняет знак, подавляя диссоциацию связанных e/h-пар;во-вторых, генерируемые свободные носители могут бимолекулярнорекомбинировать с неосновными носителями, привнесёнными легированием, вобъёме слоёв.
Всё это ведёт к снижению фототока вблизи точки максимальноймощности и соответственно FF.Также был рассмотрен случай двухслойного фотоэлемента с планарнымгетеропереходом с неомическими контактами, а именно, когда работы выходаэлектродов равны, а их уровни Ферми лежат в запрещённой зоне компонентовактивного слоя. При этом КПД такого фотоэлемента оказывается сниженным (восновном за счёт FF) по сравнению с СФ с омическим контактами. В этом случаебыло показано, что легирование основными носителями увеличиваетэффективность СФ и может компенсировать снижение КПД из-за неомическихконтактов.Также в третьей главе приведено обоснование факта превышения FFорганических СФ предела Шокли-Квайссера (ШК) [7], обнаруженного ранее для15двухслойного органического СФ с планарным гетеропереходом в случаелегирования основными носителями и долгоживущих связанных e/h-пар приkдисс(0)/kрек=100.
В модели ШК для идеального неорганического СФ на основе p-nперехода ВАХ даётся выражением eVJ (V ) = J 0 exp kT exp(eV kT ) − 1 − 1, − 1 − J ф = J КЗ exp(eV ХХ kT ) − 1 (2)где J0 — плотность тока насыщения и Jф — плотность фототока, которые могутбыть выражены однозначно через JКЗ и VXX. Из данного выражения получаетсяуравнение для FF идеального СФ (предел ШК для FF), причём предельный FFбудет зависеть от напряжения холостого хода VXX.С помощью модели двухслойного органического СФ были получены ВАХ сFF, превышающим предел ШК, в четырёх различных случаях: при легированииосновными носителями, при высоких подвижностях заряда, при уменьшеннойтолщине активного слоя и при уменьшенной разности энергетических уровнейдонора и акцептора.
На Рис. 4а показаны соответствующие ВАХ, плотность токанормирована на скорость генерации связанных e/h-пар на границе донорного иакцепторного слоёв. Для сравнения дана ВАХ идеального неорганического СФ наоснове p-n-перехода (розовая штриховая линия), рассчитанная по формуле (2) с Т,JКЗ и VXX, такими же, как у легированного органического СФ.На Рис. 4б показана диаграмма, на которой построен предел ШК для FF взависимости от напряжения холостого хода VXX (синяя сплошная линия) иприведены FF различных СФ. Видно, что FF легированного органического СФ(точка 1), СФ с высокими подвижностями (точка 2), с тонким активным слоем(точка 3) и с узкой энергетической щелью (точка 4) превышают предел ШК.Наиболее выраженное превышение наблюдается у легированного органическогоСФ (FF=91.6%), поэтому эффект превышения предела ШК был исследован вданной работе на примере такого СФ со слоями, легированными основныминосителями.Чтобы выявить происхождение высокого FF, нужно провести сравнениепроцессов генерации, транспорта и рекомбинации зарядов в двухслойноморганическом СФ и неорганическом СФ с p-n-переходом.
Для этой цели в даннойработе была разработана численная модель неорганического СФ на основе p-nперехода (далее – модель p-n-перехода) путём модификации моделидвухслойного органического СФ, описанной в начале третьей главы.16Рис. 4. ВАХ двухслойных органических СФ с различными задаваемыми параметрами иВАХ идеального неорганического СФ (а) и их факторы заполнения на диаграмме FF-VXX (б).Синяя кривая обозначает предел ШК для FF, точки 1-14 соответствуют моделированным СФ,описанным в диссертации, черными сферами показаны наиболее высокие значения FF,достигнутые в эксперименте.Для нахождения причин превышения FF предела ШК, заменялось по одномупараметру в одной модели (по которому она отличается от другой модели) насоответствующий параметр другой модели и наоборот, и исследовалось, как приэтом будет изменяться FF относительно предела ШК (Рис. 4б, точки 5-12).Следуя таким путём, было найдено основное свойство органического СФ,ответственное за превышение FF предела ШК.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
