Влияние легирования и молекулярной структуры компонентов активного слоя на эффективность органических солнечных фотоэлементов (1102560), страница 4
Текст из файла (страница 4)
В диссертации показано, чтотаким свойством является зависимость от напряжённости электрического поляповерхностной рекомбинации свободных зарядов на границе донорного иакцепторного слоёв. Чем больше электрическое поле на гетеропереходе, темменьше скорость поверхностной рекомбинации, в результате зависимостьфототока от напряжения (ВАХ) вблизи VXX становится более резкой и FFувеличивается.
Кроме того, было показано, что превышение FF предела ШКвозможно при других формах зависимости kдисс(Е) (Рис. 4б, точки 13, 14).Дляобоснованиярезультатовмоделирования,былопроведеноэкспериментальное исследование влияния легирования на фотоэлектрическиехарактеристики органических СФ. В качестве объекта исследования быливыбраны органические СФ с объёмным гетеропереходом на основе P3HT иPCBM. В качестве легирующей примеси выступает кислород: из литературныхданных известно, что P3HT легко легируется кислородом на воздухе (p-тип), иуровень легирования можно менять путём термического отжига в инертнойатмосфере.
Для измерения концентрации легирующих примесей применялся17метод импеданс-спектроскопии, изменение уровня легирования проводилось спомощью термического отжига в инертной атмосфере. Для образца,подвергнутого отжигу, концентрация легирующих примесей оказалась в два разаниже по сравнению с образцом, не подвергавшемуся отжигу. При этом ток КЗ иКПД почти в два раза выше у отожжённого образца – это качественносогласуется с результатами моделирования. Однако количественно повышениеКПД в результате снижения уровня легирования в эксперименте выше, чемпредсказывает моделирование.
Это возникает из-за того, что отжиг не толькоприводит к уменьшению содержания кислорода в полимере, а также можетоптимизировать морфологию активного слоя (создавать оптимальный масштабразделения фаз донора и акцептора), изменять спектр поглощения активногослоя, увеличивать подвижность носителей заряда. Выделить именно вкладлегирования в изменение фотоэлектрических характеристик при отжиге в даннойработе не удалось.Четвёртая глава посвящена исследованию свойств органических СФ наоснове новых узкозонных бензодитиофен-содержащих сопряжённых полимерови индолинон-содержащих производных фуллеренов. Первая часть главыпосвящена донорным компонентам – новым узкозонным сопряжённымполимерам на основе бензодитиофена [2, 3], вторая – акцепторным компонентамна основе новых индолинон-содержащих производных фуллерена [4].Были исследованы шесть новых сопряжённых полимеров П1 – П6 на основебензодитиофена, их структурные формулы приведены на Рис.
5. Полимерыпредоставлены группой д.х.н. М.Л. Кештова из Института элементоорганическихсоединений РАН. Одним из основных свойств исследуемых сопряжённыхполимеров, обусловливающих перспективность их применения в качествематериалов активного слоя СФ, выступает сильное оптическое поглощение ввидимом и в ближнем ИК диапазонах.На основе смеси полимеров П1 – П6 в качестве доноров и фуллерена PCBMв роли акцептора (1:1 по массе) были созданы полимерные СФ с объемнымгетеропереходом. Основные параметры образцов разработанных СФ приведены вТабл.
1, а соответствующие ВАХ представлены на Рис. 6.18, где Y=П1П3Рис. 5. СтруктурныеП4формулы новыхП2П5П6узкозонных бензодитиофен-содержащихсопряжённых полимеров П1 – П6.Из данных атомно-силовой микроскопии (АСМ) по шероховатостиповерхности активного слоя Ra видно, что у образцов на основе П3 и П5 снаиболее низким КПД Ra велика. Низкий КПД для данных полимеров , скореевсего, связан со слишком грубой морфологией фаз донора и акцептора дляэффективного разделения экситонов из-за плохой растворимости исмешиваемости П3 и П5 с PCBM.Акт. слой0,5J, мА/см20,0-0,5-1,0-1,5-2,0-2,5-0,20,00,20,40,6П1П2П3П4П5П60,8Ra,Jкз,2Vхх,FF,КПД,В%%нммА/смП1:PCBM0.762.070.54044.40.49П2:PCBM0.471.940.46440.30.37П3:PCBM42.391.010.60728.20.15П4:PCBM0.532.090.65436.50.48П5:PCBM12.630.810.50827.40.11П6:PCBM0.842.060.51726.00.25P3HT:PCBM 0.824.440.591 64.7 1.55V, BРис.
6. ВАХ органических СФ на основе Табл. 1. Среднеквадратичная шероховатостьузкозонных полимеров П1 – П6 в смеси с активного слоя Ra и фотоэлектрическиеPCBM (1:1)характеристики органических СФ на основеузкозонных полимеров П1 – П6 в смеси сPCBM (1:1 по массе).ДляполимераП4,показавшегонаилучшиефотоэлектрическиехарактеристики среди остальных полимеров, был проведён поиск оптимальныхсоотношений донора к акцептору и толщины активного слоя. Зависимости19фотоэлектрических характеристик от соотношения и от толщины активного слоянемонотонны, причины немонотонности обсуждаются. Максимальных КПДравного 0.51% и JКЗ=2.7 мА/см2 удалось достичь при соотношении П4 к PCBM1:2 и толщине активного слоя 80 нм.Далее в четвёртой главе рассмотрены индолинон-содержащие производныефуллерена ИФ1 – ИФ5 в качестве акцепторных компонентов активного слоя,обсуждаются результаты исследования зависимости эффективности СФ наоснове данных производных фуллерена от длины алкильного заместителя ивлияние отжига данных СФ на их фотоэлектрические характеристики.
Общаяструктурная формула индолинон-содержащих производных фуллерена приведенана Рис. 7а. Образцы производных фуллерена были предоставлены группой И.П.Романовой из Института органической и физической химии им. А.Е. Арбузова.Были изготовлены образцы органических СФ с объёмным гетеропереходом сактивным слоем на основе смеси полимера P3HT с каждым из индолинонфуллеренов ИФ1 – ИФ5. На Рис. 7б представлены ВАХ образцов на основеP3HT:ИФ1 – 5 при соотношении донор : акцептор 1:1 по массе.20J, мА/см2-2-4ИФ1ИФ2ИФ3ИФ4ИФ5PCBM-6-8-10-0,1 0,00,10,20,30,40,50,60,7V, В(а)Рис.7.Общаяструктурнаяформула(б)индолинон-содержащихпроизводныхфуллерена, где R=C9H19, C10H21, C12H25, C14H29, C16H33, для ИФ1 – ИФ5 соответственно (а).ВАХ СФ на основе P3HT:ИФ1 – 5 и опорного образца на основе P3HT:PCBM присоотношении полимер : фуллерен 1:1 при отсутствии отжига.Как видно из Рис.
7б, фотоэлектрические характеристики максимальны дляИФ3 при длине цепи алкильного заместителя в 12 атомов углерода.Растворимость индолинон-фуллеренов возрастает с длиной алкильного20заместителя, начиная с ИФ1 и заканчивая ИФ5, следует ожидать и увеличениеКПД с растворимостью. Однако рост растворимости индолинон-фуллеренов неприводит к увеличению их смешиваемости с кристаллической фазой P3HT.
Болеетого, увеличение длины цепи алкильного заместителя может затруднятьтранспорт электронов (уменьшать подвижность µ n) в фуллереновой фазеактивного слоя с объёмным гетеропереходом. Этим можно объяснить, чтозависимость КПД образцов от длины цепи заместителя немонотонна (присоотношении донора к акцептору 1:1).Также были исследованы различные массовые соотношения P3HT и ИФ3,ИФ5, оптимальным оказалось соотношение 1:0.4 (с меньшим содержаниемпроизводного фуллерена). Причём для ИФ3 дальнейшее повышение егосодержания до соотношения 1:1 не приводит к существенному изменениюфотоэлектрических характеристик, а для ИФ5 напротив фототок и КПД убываютпри увеличении массовой доли ИФ5. Кроме того, было исследовано влияниетермического отжига на эффективность СФ. Если для СФ на основе PCBMтермический отжиг в инертной атмосфере существенно повышает КПД, то дляСФ на основе индолинон-фуллеренов все рабочие характеристики ухудшаютсяпосле термического отжига (Табл.
13), даже пятиминутная обработка при 60оСуменьшает КПД. Путём анализа спектров поглощения активного слоя в вдиссертации обсуждаются гипотезы, объясняющие такое поведение. Во-первых,это более низкая смешиваемость индолинон-фуллеренов с P3HT по сравнению сPCBM. Во-вторых, меньшая склонность самих индолинон-фуллеренов кагрегации и, следовательно, меньшая подвижность электронов.21Основные результаты и выводы работы1. Предложена численная модель органических солнечных фотоэлементов(СФ) с объемным и планарным гетеропереходом, учитывающая присутствиелегирующих примесей в активном слое, влияние объёмного заряда нанапряжённость электрического поля, дрейф и диффузию носителей заряда, атакже зависимость генерации и рекомбинации носителей заряда отнапряжённости электрического поля в активном слое.
Модель позволяетрассчитывать вольтамперные характеристики СФ, а также зависимости токакороткого замыкания, напряжения холостого хода и фактора заполнения и КПДот концентраций легирующих примесей. На основе разработанной моделипоказано, что для оптимизированного СФ с объёмным гетеропереходом наоснове поли-3-гексилтиофена и PCBM КПД уменьшается с 4.5% до 1% приувеличении концентрации примесей донорного либо акцепторного типов до 1024м-3 за счёт уменьшения тока короткого замыкания и фактора заполнения,напряжение холостого хода меняется слабо.
Однако для неоптимизированногофотоэлемента КПД и другие параметры могут быть увеличены при легировании.Так, в случае низких подвижностей носителей заряда (10-11 м2/(В·с)) КПДувеличивается в четыре раза при концентрации легирующих примесей донорногоили акцепторного типов 3·1024 м-3. При дисбалансе подвижностей электронов идырок (μp/μn=10-2) КПД также может быть увеличен за счёт легирования. Вслучае, когда один из контактов неомический, показано, что КПД может бытьувеличен в 3.5 раза при введении легирующих примесей с концентрацией 1023 м-3.2. На основе разработанной модели для двухслойного СФ показано, что прилегировании слоёв основными носителями ток короткого замыкания, напряжениехолостого хода, фактор заполнения и КПД увеличиваются.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
