Дослідження фотовольтаїчного ефекту в структурі з скварилієвим барвником та фуллереном

Київський національний університет  імені Тараса Шевченка

Фізичний факультет

Кафедра фізики функціональних матеріалів

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему:

«Дослідження фотовольтаїчного ефекту в структурі з скварилієвим барвником та фуллереном

»

 

 

 

 

 

 

 

 

Студента третього курсу

Остапчука Назара Сергійовича

 

Науковий керівник:

кандидат фізико-математичних наук

доцент кафедри фізики

функціональних матеріалів

Дмитренко Оксана Петрівна,

інженер II к.

Гапонов Антон Миколайович

 

 

 

 

 

 

Київ – 2013 

 

ЗМІСТ

ВСТУП	3
ВИГЛЯД МОЛЕКУЛИ СКВАРИЛІЄВОГО  БАРВНИКА	4
МЕТОД ОТРИМАННЯ  ТА СТРУКТУРА  ЗРАЗКА	5
ВИНИКНЕННЯ ФОТОНАПРУГИ  В СТРУКТУРІ З СКВАРИЛІЄВИМ БАРВНИКОМ	7
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ РЕЗУЛЬТАТИ	8
ВИСНОВКИ	10
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ	11

 

1. Вступ

 

Органічні напівпровідники — органічні сполуки із характерною для напівпровідників залежністю провідності від температури й освітлення. Провідність органічних напівпровідників лежить в дуже широких межах. Органічні напівпровідники можуть бути як n-типу, так і p-типу. Домішки в них не відіграють настільки суттєвої ролі, як у неорганічних напівпровідниках. Рухливість носіїв заряду на кілька порядків нижча ніж у кремнії чи германії. 

Головна перевага органічних напівпровідників перед неорганічними - їх висока фотоелектрична чутливість. В останні роки відкрито декілька класів органічних сполук, електропровідність яких під дією світла зростає в сотні, тисячі разів; у неорганічних напівпровідників ця величина зазвичай набагато менша однієї тисячі. Можна уявити собі, наскільки слабкі сигнали вдасться зареєструвати за допомогою таких чутливих фотоелементів. До того ж деякі органічні сполуки мають максимум фоточутливості в ультрафіолетовій області, інші - в інфрачервоній. Проблема в тому, що речовини ці низькомолекулярні, маломіцні, тендітні, м'які і т. д. Щоб знайти їм практичне застосування, треба зуміти ввести їх до складу макромолекул.

Також до переваг різних типів приладів і інтегральних схем, виготовлених на основі органічних напівпровідникових матеріалів, належать висока механічна  й кліматична стійкість в умовах тропічного клімату та стійкість  при підвищених вібраційних і  ударних навантаженнях.

Сьогодні сонячні батареї  у всьому світі роблять з кристалічного кремнію.  Він дорогий (500 доларів на кіловат вироблюваної потужності), крихкий, в нього невисокий ККД.

На сьогоднішній день  актуальною є проблема виготовлення і створення нових, фотовольтаїчних елементів для перетворення енергії з високим коефіцієнтом корисної дії. На даний час найкраще себе проявляють сонячні елементи, створені на основі плівок з органічних матеріалів. Ефективність таких фотовольтаїчних елементів складає 4-8%, а за наступні 5 років їх коефіцієнт корисної дії за найбільш оптимістичних прогнозів, складатиме 15%. Причиною такої поганої ефективності  сонячних елементів є низька рухливість зарядів і порівняно низька провідність органічних фотоелементів, що є основною проблемою їх майбутнього застосування на практиці. Тому вивчення процесів що відбуваються під час переносу заряду в органічних матеріалах та  фотовольтаїчних властивостей сонячних елементів є однією з актуальних задач сьогодення.

 

2. Вигляд молекули скварилієвого барвника

 

Скварилієві барвники –  це клас органічних сполук, що проявляють інтенсивну флуоресценцію в червоній та близькій інфрачервоній області (максимуму поглинання знаходиться о області 630-670нм, а максимум випромінювання – 650-700нм). Вони характеризуються унікальною ароматичною чотирьохчленною кільцевою системою, що була отримана з квадратної кислоти. Молекули барвника являють собою структуру Д-А-Д,  їхня центральна кільцева група А проявляє акцепторні властивості, а кінцеві кільцеві групи Д – донорні (Рис. 1.)

 

Рис. 1. Структурна формула  скварилієвого барвника.

Оскільки інтенсивне поглинання світла для скварилієвого барвника припадає на видиму область (варіюючи кінцеві групи, можна змінити положення максиму поглинання) та є можливість транспортування як негативного так і позитивного заряду, то вони широко використовуються в якості фоточутливого шару органічних сонячних елементів.

Коли світло попадає на органічний барвник, електрон переходить з HOMO орбіталі (highest occupied molecular orbital - найвища заповнена молекулярна орбіталь в основному стані молекули, тобто орбіталь з найбільшою енергією) на LUMO орбіталь  (lowest unoccupied molecular orbital — найнижча незаповнена молекулярна орбіталь). При цьому молекула органічного барвника буде має ненульовий дипольний момент.

В якості транспортного шару для дірок використовувалась  плівка фуллерена , оскільки він є добре вивченим, а також відпрацьовані методи його нанесення у вигляді тонкої плівки.

 

3.  Метод отримання  та структура зразка

 

Досліджуваний зразок було отримано за допомогою методу  вакуумного напилення. Вакуумне напилення - це процес перенесення частинок напилюваної речовини від джерела (місця його випаровування) до поверхні деталі здійснюється за прямолінійними траєкторіями при вакуумі 10^-2 Па і нижче (вакуумне випаровування). Схема установки приведена на Рис. 2. Доля кожної з частинок напилюваної речовини при зіткненні з поверхнею експериментального зразка залежить від її енергії, температури поверхні і хімічної спорідненості матеріалів плівки і зразка. Атоми або молекули, які досягли поверхні, можуть відбитися від неї, адсорбуватися і через деякий час покинути її (десорбція) або адсорбуватися і утворювати на поверхні конденсат (конденсація).

 

 

1. Скляний циліндричний ковпак.
2. Нагрівач підкладки.
3. Тримачі.
4. Підкладка
5. Заслінка
6. Випаровувач
7. Опора 
   

Рис. 2. Робоча камера вакуумної установки.

При високих енергіях частинок, великій температурі поверхні і  малій хімічній спорідненості частка відбивається поверхнею. Температура поверхні деталі, вище якої всі частинки відбиваються від неї і плівка не утворюється, називається критичною температурою вакуумного напилення; її значення залежить від природи матеріалів плівки і поверхні деталі, від стану поверхні. При дуже малих потоках випаровуваних частинок, навіть якщо ці частинки на поверхні адсорбуються, але рідко зустрічаються з іншими такими ж частками, вони десорбуються і не можуть утворювати зародків, тобто плівка не росте. Критичною щільністю потоку випаровуваних часток для даної температури поверхні називається найменша щільність, при якій частинки конденсуються і формують плівку. Структура напилених плівок залежить від властивостей матеріалу, стану і температури поверхні, швидкості напилення.

Досліджуваний зразок являє собою шарувату сандвіч-структуру (Рис. 3.). В якості підкладки якої використовують скло, на яке нанесено прозорий електропровідний шар ITO (SnO₂:In₂O₃). Гетероструктура органічний барвник / фуллерен виготовляється послідовним нанесенням шарів барвника та фуллерена.

 

 

Рис. 3. Схематичний вигляд зразка та його підключення:1 – скляна підкладка, 2 – ITO, 3 – скварилієвий барвник, 4 – , 5 – алюміній, R – опір навантаження.

На поверхню зразка було нанесено алюмінієві контакти методом  термічного напилення в вакуумній  камері. Зразок повинен освітлюватися зі сторони скляної підкладки. Генерація носіїв заряду відбувається в шарі з барвником.

 

4. Виникнення фотонапруги в структурі з скварилієвим барвником 
   

 

Рис. 5. Енергетична діаграма, та електронні переходи при освітленні.

Для пояснення процесу  виникнення фотонапруги зручно користуватися моделлю (Рис. 5.), яка побудована на процесах транспортування та фотогенерації носіїв заряду. При опроміненні світлом барвника в ньому відбувається перехід електрона з HOMO на LUMO орбіталь, внаслідок цього в шарі барвника виникає зміна дипольного моменту молекул барвника таким чином, що з’являється певний сумарний дипольний момент. На наступному кроці електрони на границі - барвник захоплюються що аналогічне переходу дірки з HOMO на HOMO барвника. Далі відбувається транспорт електронів і дірок у структурі, а саме дірки рухаються до ІТО електрода, а електрони до алюмінієвого електрода

 

5. Експериментальні результати

 

У даній роботі було виміряно та проаналізовано спектр поглинання у видимій області (Рис. 5.) та спектральні залежності сигналу фото-ЕРС (Рис. 6.).

Рис. 5. Спектр поглинання гетероструктури - скварилієвий барвник.

Рис. 6.Спектральна залежність сигналу фото-ЕРС.

 

6. Висновки

В даній роботі були виготовлені та досліджені двошарові структури сонячних елементів на основі скварилієвого барвника та фуллерена С60. Були отримані дані залежності фото ЕРС даної структури в залежності від довжини хвилі падаючого світла і показано, що максимум фотоЕРС співпадає з максимумом поглинання барвника. Також видно, що в області більш коротких довжин хвиль де відсутнє поглинання барвника спостерігається відносно велике значення фотоЕРС. Ми пов’язуємо це з поглинанням безпосередньо С60 та переносом дірки від  С60 до молекули барвника. 

7. Список використаних джерел
1. Avinash L. Puyad,  Gunturu Krishna Chaitanya,  Chetti Prabhakar, Kotamarthi Bhanuprakash. J. Mol. Model. 19, 275-287 (2013).
2. Devi DG, Cibin TR, Ramaiah D, Abraham A (2008) J Photo Chem Photo Biol B 92:153–159
3. Law KY (1987) J Phys Chem 91:5184–5193
4. D. Bagnis, L. Beverina, H. Huang, F. Silvestri, Y. Yao, H. Yan, G. A. Pagani, T. J. Marks and A. Facchetti, J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 4074.
5. U. MayerhoЁffer,K.Deing,K.GruЯ, H. Braunschweig, K.Meerholz and F. WuЁ rthner, Angew. Chem., Int. Ed., 2009, 48, 8776