Органический солнечный элемент

Рис. 1. Схема пластиковых солнечных элементов. ПЭТ – полиэтилентерефталат , ITO – оксид индия и олова , ПЭДОТ:ПСС – поли(3,4-этилендиокситиофен) , активный слой (обычно смесь полимера и фуллерена), Al – алюминий .

Органический солнечный элемент ( OSC ) или пластиковый солнечный элемент — это тип фотоэлектрической батареи, в которой используется органическая электроника , отрасль электроники, которая имеет дело с проводящими органическими полимерами или небольшими органическими молекулами, для поглощения света и переноса заряда для производства электроэнергии из солнечного света за счет фотоэлектрического эффекта . Большинство органических фотоэлектрических элементов представляют собой полимерные солнечные элементы .

Рис. 2. Органические фотоэлектрические батареи производства компании Solarmer.

Молекулы, используемые в органических солнечных элементах, перерабатываются в растворе с высокой производительностью и дешевы, что приводит к низким производственным затратам при изготовлении больших объемов. В сочетании с гибкостью органических молекул органические солнечные элементы потенциально экономически эффективны для фотоэлектрических применений. инженерия ( например, изменение длины и функциональной группы полимеров Молекулярная ) может изменить ширину запрещенной зоны , обеспечивая электронную перестраиваемость. Коэффициент оптического поглощения органических молекул высок, поэтому большое количество света может быть поглощено небольшим количеством материалов, обычно порядка сотен нанометров. Основными недостатками органических фотоэлектрических элементов являются низкая эффективность , низкая стабильность и низкая прочность по сравнению с неорганическими фотоэлектрическими элементами, такими как кремниевые солнечные элементы .

По сравнению с устройствами на основе кремния , полимерные солнечные элементы легкие (что важно для небольших автономных датчиков), потенциально одноразовые и недорогие в изготовлении (иногда с использованием печатной электроники ), гибкие, настраиваемые на молекулярном уровне и потенциально оказывают менее неблагоприятное воздействие на окружающую среду. Полимерные солнечные элементы также могут проявлять прозрачность, что позволяет использовать их в окнах, стенах, гибкой электронике и т. д. Пример устройства показан на рис. 1. Недостатки полимерных солнечных элементов также серьезны: они обеспечивают около 1/3 эффективность твердых материалов и испытывают значительную фотохимическую деградацию.

Проблемы стабильности полимерных солнечных элементов, в сочетании с их обещанием низких затрат и потенциал для повышения эффективности сделали их популярной областью исследований солнечных батарей. В 2015 году полимерные солнечные элементы достигли эффективности более 10% за счет тандемной структуры. В 2023 году новый рекорд эффективности в 19,3% был достигнут Гонконгским политехническим университетом .

Физика

Рис. 3: Примеры органических фотоэлектрических материалов.

Фотоэлектрический элемент — это специализированный полупроводниковый диод, который преобразует свет в электричество постоянного тока (DC). В зависимости от ширины запрещенной зоны светопоглощающего материала фотоэлектрические элементы также могут преобразовывать низкоэнергетические инфракрасные (ИК) или высокоэнергетические ультрафиолетовые (УФ) фотоны в электричество постоянного тока. Общей характеристикой как малых молекул, так и полимеров (рис. 3), используемых в качестве светопоглощающего материала в фотоэлектрических устройствах, является то, что все они имеют большие сопряженные системы . Образуется сопряженная система, в которой углерода атомы ковалентно связаны чередующимися одинарными и двойными связями. этих углеводородов Электроны pz-орбиталей делокализуются и образуют делокализованную связывающую π-орбиталь с разрыхляющей π* -орбиталью. Делокализованная π-орбиталь является самой высокой занятой молекулярной орбиталью ( ВЗМО ), а π*-орбиталь является самой нижней незанятой молекулярной орбиталью ( НСМО ). В физике органических полупроводников ВЗМО играет роль валентной зоны , а НСМО — зоны проводимости . Энергетическое разделение между уровнями энергии HOMO и LUMO считается шириной запрещенной зоны органических электронных материалов и обычно находится в диапазоне 1–4. эВ .

Весь свет с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны материала, может быть поглощен, хотя существует компромисс в пользу уменьшения запрещенной зоны, поскольку фотоны, поглощенные с энергией, превышающей запрещенную зону, будут термически выделять свою избыточную энергию, что приводит к более низким напряжениям. и эффективность преобразования энергии. Когда эти материалы поглощают фотон , создается возбужденное состояние , которое ограничивается молекулой или участком полимерной цепи. Возбужденное состояние можно рассматривать как экситон или пару электрон-дырка, связанную электростатическими взаимодействиями. В фотоэлектрических элементах экситоны разбиваются на свободные электронно-дырочные пары под действием эффективных полей. Эффективные поля создаются путем создания гетероперехода между двумя разнородными материалами. В органических фотогальванике эффективные поля разрушают экситоны, заставляя электрон падать из зоны проводимости поглотителя в зону проводимости молекулы-акцептора. Необходимо, чтобы материал акцептора имел край зоны проводимости ниже, чем у материала поглотителя.

Рис. 4: Полимерная цепочка с диффундирующим поляроном, окруженным фуллеренов молекулами .

Полимерные солнечные элементы обычно состоят из слоя, блокирующего электроны или дырки, поверх проводящего стекла из оксида индия и олова (ITO), за которым следуют донор электронов и акцептор электронов (в случае солнечных элементов с объемным гетеропереходом), дырка или блокирующая электроны. слой и металлический электрод сверху. Природа и порядок блокирующих слоев, а также природа металлического электрода зависят от того, соответствует ли ячейка обычной или инвертированной архитектуре устройства. В перевернутой ячейке электрические заряды выходят из устройства в направлении, противоположном тому, что в обычном устройстве, поскольку положительный и отрицательный электроды поменяны местами. В инвертированных ячейках могут использоваться катоды из более подходящего материала; Инвертированные OPV имеют более длительный срок службы, чем OPV с регулярной структурой, и они обычно показывают более высокую эффективность по сравнению с традиционными аналогами.

В полимерных солнечных элементах с объемным гетеропереходом свет генерирует экситоны. Последующее разделение зарядов на границе между донорной и акцепторной смесью электронов внутри активного слоя устройства. Эти заряды затем передаются к электродам устройства, где заряды выходят за пределы ячейки, совершают работу и затем снова входят в устройство на противоположной стороне. Эффективность клетки ограничена несколькими факторами, особенно негеминной рекомбинацией . Мобильность дырок приводит к более быстрой проводимости через активный слой.

Органические фотоэлектрические элементы состоят из материалов-доноров и акцепторов электронов, а не из полупроводниковых p-n-переходов . Молекулы, образующие электронодонорную область органических фотоэлектрических ячеек, где экситон генерируются пары -электрон-дырка, обычно представляют собой сопряженные полимеры, обладающие делокализованными π-электронами , образующимися в результате гибридизации p-орбитали углерода. Эти π-электроны могут возбуждаться светом в видимой части спектра или вблизи нее от самой высокой занятой молекулярной орбитали (ВЗМО) до самой нижней незанятой молекулярной орбитали (НСМО), что обозначается переходом π-π*. Энергетическая запрещенная зона между этими орбиталями определяет, какая длина волны света может быть поглощена .

В отличие от неорганического кристаллического материала фотоэлектрических элементов с его зонной структурой и делокализованными электронами, экситоны в органических фотоэлектрических элементах прочно связаны с энергией от 0,1 до 1,4 эВ . Эта сильная связь возникает потому, что электронные волновые функции в органических молекулах более локализованы, и электростатическое притяжение, таким образом, может удерживать электрон и дырку вместе как экситон. Электрон и дырку можно диссоциировать, создав границу раздела, на которой химический потенциал электронов уменьшается. Материал, поглощающий фотон, называется донором, а материал, приобретающий электрон, называется акцептором. На рис. 3 полимерная цепь является донором, а фуллерен – акцептором. Даже после диссоциации электрон и дырка все еще могут соединиться как « близнецовая пара », и электрическое поле тогда для их разделения потребуется . Электрон и дырка должны быть собраны на контактах. Если подвижность носителей заряда недостаточна, они не достигнут контактов, а вместо этого рекомбинируются в ловушках или остаются в устройстве в виде нежелательных объемных зарядов, препятствующих потоку новых носителей. Последняя проблема может возникнуть, если подвижности электронов и дырок не совпадают. В этом случае фототок, ограниченный пространственным зарядом (SCLP), снижает производительность устройства.

Органические фотоэлектрические элементы могут быть изготовлены с использованием активного полимера и акцептора электронов на основе фуллерена. Освещение этой системы видимым светом приводит к переносу электрона от полимера к молекуле фуллерена. В результате происходит образование фотоиндуцированной квазичастицы , или полярона (P ⁺ ), возникает в полимерной цепи, и фуллерен становится анион- радикалом ( C ⁻
₆₀ ). Поляроны очень подвижны и могут рассеиваться.

Типы соединений

В органических солнечных элементах соединения — это интерфейсы между различными слоями или материалами внутри структуры устройства. Эти интерфейсы способствуют разделению и сбору носителей заряда (электронов и дырок), которые генерируются при поглощении солнечного света. Свойства и структура этих переходов влияют на эффективность, стабильность и общую производительность органических солнечных элементов.

Простейшее органическое фотоэлектрическое устройство имеет планарный гетеропереход (рис. 1). Между контактами зажата пленка органического активного материала (полимера или небольшой молекулы) донорного или электроноакцепторного типа. Экситоны, созданные в активном материале, могут диффундировать перед рекомбинацией и разделяться, дырки и электроны диффундируют к определенному собирающему электроду. носители заряда имеют диффузионную длину всего 3–10 нм Поскольку в типичных аморфных органических полупроводниках , плоские ячейки должны быть тонкими, но тонкие ячейки хуже поглощают свет. Объемные гетеропереходы (BHJ) устраняют этот недостаток. В BHJ смесь материалов донора и акцептора электронов представляет собой смесь, которая затем разделяется на фазы. Области каждого материала в устройстве разделены всего несколькими нанометрами — расстоянием, подходящим для диффузии носителей. BHJ требуют чуткого контроля над морфологией материалов на наноуровне. Важные переменные включают материалы, растворители и массовое соотношение донор-акцептор.

Следующим логическим шагом после BHJ являются упорядоченные наноматериалы для солнечных элементов или упорядоченные гетеропереходы (OHJ). OHJ минимизируют изменчивость, связанную с BHJ. OHJ обычно представляют собой гибриды упорядоченных неорганических материалов и органических активных областей. Например, фотоэлектрический полимер может быть нанесен в поры керамики, такой как TiO ₂ . Поскольку отверстия по-прежнему должны рассеивать длину поры через полимер до контакта, OHJ имеют аналогичные ограничения по толщине. Устранение «узкого места» мобильности отверстий является ключом к дальнейшему повышению производительности устройств OHJ.

Один слой

Рис. 5: Эскиз однослойного органического фотоэлектрического элемента.

Однослойные органические фотоэлектрические элементы представляют собой простейшую форму. Эти элементы изготавливаются путем размещения слоя органических электронных материалов между двумя металлическими проводниками, обычно слоем оксида индия-олова (ITO) с высокой работой выхода и слоем металла с низкой работой выхода, такого как алюминий, магний или кальций. Базовая структура такой ячейки показана на рис. 5.

Разница работ выхода двух проводников создает электрическое поле в органическом слое. Когда органический слой поглощает свет, электроны возбуждаются в НСМО и оставляют дырки в ВЗМО, образуя тем самым экситоны . Потенциал, создаваемый различными работами выхода, помогает расщеплять пары экситонов, притягивая электроны к положительному электроду (электрический проводник, используемый для контакта с неметаллической частью цепи), а дырки — к отрицательному электроду.

Примеры

В 1958 году фотоэлектрический эффект или создание напряжения в ячейке на основе фталоцианина магния (MgPc) — макроциклического соединения, имеющего чередующуюся кольцевую структуру атомов азота и атомов углерода, — имел фотонапряжение 200 мВ. Ячейка Al/MgPc/Ag достигла фотоэлектрической эффективности 0,01% при освещении длиной волны 690 нм.

Сопряженные полимеры также использовались в фотоэлектрических элементах этого типа. В одном устройстве в качестве органического слоя использовался полиацетилен (рис. 1) с алюминием и графитом , обеспечивающий напряжение холостого хода 0,3 В и эффективность сбора заряда 0,3%. Ячейка Al/поли(3-этилтиофен)/Pt имела внешний квантовый выход 0,17%, напряжение холостого хода 0,4 В и коэффициент заполнения 0,3. Ячейка ITO/PPV/Al показала напряжение холостого хода 1 В и эффективность преобразования энергии 0,1% при освещении белым светом.

Проблемы

Однослойные органические солнечные элементы работают не очень хорошо. Они имеют низкую квантовую эффективность (<1%) и низкую эффективность преобразования мощности (<0,1%). Основная проблема с ними заключается в том, что электрическое поле, возникающее из-за разницы между двумя проводящими электродами, редко бывает достаточным для разделения экситонов. Часто электроны рекомбинируют с дырками, не достигая электрода.

двухслойный

Рис. 6: Эскиз многослойного органического фотоэлектрического элемента.

Двухслойные ячейки содержат два слоя между проводящими электродами (рис. 6). Два слоя имеют разное сродство к электрону и энергии ионизации , поэтому на границе раздела между двумя слоями возникают электростатические силы. Свет должен создавать экситоны в этой небольшой заряженной области для эффективного разделения и сбора зарядов. Материалы выбираются так, чтобы различия были достаточно большими, чтобы эти локальные электрические поля были сильными, что расщепляет экситоны гораздо эффективнее, чем однослойные фотоэлектрические элементы. Слой с более высоким сродством к электрону и потенциалом ионизации является акцептором электронов, а другой слой — донором электронов. Эту структуру еще называют планарным донорно-акцепторным гетеропереходом .

Примеры

C ₆₀ имеет высокое сродство к электрону, что делает его хорошим акцептором. Двухслойная ячейка AC ₆₀ /MEH-PPV имела относительно высокий коэффициент заполнения 0,48 и эффективность преобразования энергии 0,04% при монохроматическом освещении. Ячейки PPV/C ₆₀ продемонстрировали монохроматический внешний квантовый выход 9%, эффективность преобразования энергии 1% и коэффициент заполнения 0,48.

Производные перилена обладают высоким сродством к электрону и химической стабильностью. Слой фталоцианина меди (CuPc) в качестве донора электронов и производного тетракарбоксила перилена в качестве акцептора электронов, позволяющий изготавливать ячейку с коэффициентом заполнения до 0,65 и эффективностью преобразования энергии 1% при моделируемом освещении AM2. Холлс и др. изготовили ячейку со слоем бис(фенетилимидо)перилена поверх слоя ППВ в качестве донора электронов. Эта ячейка имела пиковую внешнюю квантовую эффективность 6% и эффективность преобразования энергии 1% при монохроматическом освещении, а также коэффициент заполнения до 0,6.

Проблемы

Диффузионная длина экситонов в органических электронных материалах обычно составляет порядка 10 нм. Чтобы большинство экситонов диффундировало к границе раздела слоев и расщеплялось на носители, толщина слоя должна находиться в том же диапазоне, что и длина диффузии. Однако полимерный слой обычно должен иметь толщину не менее 100 нм, чтобы поглощать достаточно света. При такой большой толщине лишь небольшая часть экситонов может достичь границы раздела гетероперехода.

Дискретный гетеропереход

Трехслойная (два акцептора и один донор) безфуллереновая стопка достигла эффективности конверсии 8,4%. Реализация привела к высоким напряжениям холостого хода и поглощению в видимом спектре, а также к высоким токам короткого замыкания. Квантовая эффективность превышала 75% в диапазоне длин волн от 400 до 720 нм при напряжении холостого хода около 1 В.

Объемный гетеропереход

Рис. 7: Эскиз фотоэлектрического элемента с дисперсным переходом.

Объемные гетеропереходы имеют поглощающий слой, состоящий из наноразмерной смеси донорных и акцепторных материалов. Размеры доменов этой смеси составляют порядка нанометров, что позволяет экситонам с коротким временем жизни достигать границы раздела и диссоциировать из-за большой площади донорно-акцепторной границы. Однако эффективные объемные гетеропереходы должны поддерживать достаточно большие размеры доменов, чтобы сформировать перколяционную сеть, которая позволяет донорным материалам достигать электрода, транспортирующего дырки (электрод 1 на рис. 7), а акцепторным материалам - достигать электрода, транспортирующего электроны (электрод 2). . Без этой просачивающейся сети заряды могли бы оказаться в ловушке в домене, богатом донорами или акцепторами, и подвергнуться рекомбинации. Объемные гетеропереходы имеют преимущество перед слоистыми фотоактивными структурами, поскольку их можно сделать достаточно толстыми для эффективного поглощения фотонов без сложной обработки, необходимой для ориентации слоистой структуры, сохраняя при этом аналогичный уровень характеристик.

Объемные гетеропереходы чаще всего создаются путем формирования раствора, содержащего два компонента, литья ( например, капельного литья и центрифугирования ), а затем разделения двух фаз, обычно с помощью этапа отжига. Два компонента самособираются во взаимопроникающую сеть, соединяющую два электрода. Обычно они состоят из донора на основе сопряженной молекулы и акцептора на основе фуллерена . Наноструктурную морфологию объемных гетеропереходов трудно контролировать, но она имеет решающее значение для фотоэлектрических характеристик.

После захвата фотона электроны перемещаются в акцепторные домены, затем проносятся через устройство и собираются одним электродом, а дырки движутся в противоположном направлении и собираются на другой стороне. Если дисперсия двух материалов слишком мелкая, это приведет к плохой передаче заряда через слой.

В большинстве ячеек объемного гетероперехода используются два компонента, хотя были исследованы и трехкомпонентные ячейки. Третий компонент, вторичный донорный полимер p-типа, поглощает свет в другой области солнечного спектра. Теоретически это увеличивает количество поглощаемого света. Эти тройные ячейки действуют посредством одного из трех различных механизмов: переноса заряда, передачи энергии или параллельного соединения.

При переносе заряда оба донора вносят непосредственный вклад в создание свободных носителей заряда. Дырки проходят только через один донорный домен перед сбором на аноде. При передаче энергии в образовании дырок участвует только один донор. Второй донор действует исключительно для поглощения света, передавая дополнительную энергию первому донорскому материалу. При параллельном соединении оба донора независимо производят экситоны, которые затем мигрируют к соответствующим границам раздела донор/акцептор и диссоциируют.

Примеры

Фуллерены, такие как C ₆₀ и его производные, используются в качестве материалов-акцепторов электронов в фотоэлектрических элементах с объемным гетеропереходом. Ячейка со смесью MEH-PPV и метанофункционализированного производного C ₆₀ в качестве гетероперехода, ITO и Ca в качестве электродов. показал квантовую эффективность 29% и эффективность преобразования энергии 2,9% при монохроматическом освещении. Замена MEH-PPV на P3HT дала квантовый выход 45% при обратном смещении 10 В. Дальнейшие успехи в модификации акцептора электронов привели к созданию устройства с эффективностью преобразования энергии 10,61% со смесью PC ₇₁ BM в качестве акцептора электронов и PTB7-Th в качестве донора электронов.

Смеси полимер/полимер также используются в фотоэлектрических элементах с дисперсными гетеропереходами. Смесь CN-PPV и MEH-PPV с Al и ITO в качестве электродов дала пиковую эффективность монохроматического преобразования энергии 1% и коэффициент заполнения 0,38.

Сенсибилизированные красителем фотоэлектрические элементы также можно считать важными примерами этого типа.

Проблемы

Фуллерены, такие как PC ₇₁ BM, часто являются материалами-акцепторами электронов, встречающимися в высокопроизводительных солнечных элементах с объемными гетеропереходами. Однако эти материалы-акцепторы электронов очень слабо поглощают видимый свет, уменьшая объемную долю, занимаемую сильно поглощающим материалом-донором электронов. Кроме того, фуллерены имеют плохую электронную перестраиваемость, что накладывает ограничения на разработку сопряженных систем с более привлекательной электронной структурой для более высоких напряжений. Недавние исследования были проведены с целью заменить эти фуллерены органическими молекулами, которые можно настраивать электронно и способствовать поглощению света.

Градуированный гетеропереход

Донор и акцептор электронов смешиваются таким образом, что градиент является постепенным. Эта архитектура сочетает в себе короткое расстояние перемещения электронов в дисперсном гетеропереходе с преимуществом градиента заряда двухслойной технологии.

Примеры

Ячейка со смесью CuPc и C ₆₀ показала квантовую эффективность 50% и эффективность преобразования энергии 2,1% при использовании 100 мВт/см. ² имитированное солнечное освещение AM1.5G для градуированного гетероперехода.

Непрерывное соединение

Подобно градуированному гетеропереходу, концепция непрерывного перехода направлена ​​​​на реализацию постепенного перехода от донора электронов к акцептору электронов. Однако акцепторный материал готовят непосредственно из донорного полимера на стадии постполимеризационной модификации.

Производство

Поскольку его активный слой во многом определяет эффективность устройства, морфологии этого компонента уделялось большое внимание.

Если один материал более растворим в растворителе, чем другой, он сначала отложится на поверхности подложки , вызывая градиент концентрации в пленке. Это было продемонстрировано на устройствах с поли-3-гексилтиофеном (P3HT) и _{фенил-C 61} метиловым эфиром -масляной кислоты ( PCBM ), где PCBM имеет тенденцию накапливаться ближе к нижней части устройства при центрифугировании из растворов ODCB. Этот эффект проявляется потому, что более растворимый компонент имеет тенденцию мигрировать в сторону «богатой растворителем» фазы во время процедуры нанесения покрытия, накапливая более растворимый компонент ближе к нижней части пленки, где растворитель остается дольше. Толщина образующейся пленки влияет на разделение фаз, поскольку динамика кристаллизации и осаждения различна для более концентрированных растворов или более высоких скоростей испарения (необходимых для создания более толстых устройств). Кристаллическое обогащение P3HT ближе к электроду, собирающему дырки, может быть достигнуто только для относительно тонких (100 нм) слоев P3HT/PCBM.

Градиенты исходной морфологии в этом случае в основном генерируются скоростью испарения растворителя и различиями в растворимости донора и акцептора внутри смеси. Эта зависимость от растворимости была четко продемонстрирована на примере производных фуллерена и P3HT. При использовании растворителей, которые испаряются медленнее (например, хлорбензола (ХБ) или дихлорбензола (ДХБ)) вы можете получить более высокую степень вертикального разделения или агрегации, в то время как растворители, которые испаряются быстрее, производят гораздо менее эффективное вертикальное разделение. Большие градиенты растворимости должны приводить к более эффективному вертикальному разделению, тогда как меньшие градиенты должны приводить к более гомогенным пленкам. Эти два эффекта были проверены на солнечных элементах P3HT:PCBM.

Также были изучены скорость испарения растворителя, а также последующие процедуры паров растворителя или термического отжига. Смеси, такие как P3HT:PCBM, по-видимому, выигрывают от процедур термического отжига, в то время как другие, такие как PTB7:PCBM, похоже, не дают никаких преимуществ. Преимущество P3HT, по-видимому, связано с увеличением кристалличности фазы P3HT, которая генерируется за счет изгнания молекул PCBM из этих доменов. Это было продемонстрировано исследованиями смешиваемости PCBM в P3HT, а также изменений состава доменов в зависимости от времени отжига.

Вышеупомянутая гипотеза, основанная на смешиваемости, не полностью объясняет эффективность устройств, поскольку исключительно чистые аморфные фазы материалов донора или акцептора никогда не существуют в устройствах с объемным гетеропереходом. Статья 2010 года предположил, что современные модели, предполагающие наличие чистых фаз и дискретных интерфейсов, могут потерпеть неудачу из-за отсутствия чистых аморфных областей. Поскольку современные модели предполагают разделение фаз на границах раздела без учета чистоты фаз, возможно, эти модели придется изменить.

Процедура термического отжига варьируется в зависимости от того, когда именно она применяется. Поскольку вертикальная миграция частиц частично определяется поверхностным натяжением между активным слоем и воздухом или другим слоем, отжиг до или после нанесения дополнительных слоев (чаще всего металлического катода) влияет на результат. В случае солнечных элементов P3HT:PCBM вертикальная миграция улучшается, когда элементы отжигаются после осаждения металлического катода.

Накопление доноров или акцепторов рядом с соседними слоями может быть полезным, поскольку эти накопления могут привести к эффектам блокировки дырок или электронов, что может улучшить производительность устройства. В 2009 году было показано, что разница в вертикальном распределении солнечных элементов P3HT: PCBM вызывает проблемы с подвижностью электронов, что приводит к очень низкой эффективности устройства. Простые изменения в архитектуре устройства — нанесение тонкого слоя PCBM поверх P3HT — значительно повышают воспроизводимость ячеек, обеспечивая воспроизводимое вертикальное разделение между компонентами устройства. Поскольку для повышения эффективности требуется более тесный контакт между печатной платой и катодом, это в значительной степени увеличивает воспроизводимость устройства.

Согласно анализу рассеяния нейтронов, смеси P3HT:PCBM были описаны как «реки» (области P3HT), прерываемые «потоками» (области PCBM).

Прогресс в технологиях роста

В основном органические пленки для фотоэлектрических применений наносятся методом центрифугирования и осаждения из паровой фазы. Однако каждый метод имеет определенные недостатки: метод центрифугирования позволяет покрывать большие площади поверхности с высокой скоростью, но использование растворителя для одного слоя может разрушить уже существующий полимерный слой. Другая проблема связана с формированием рисунка на подложке устройства, поскольку в результате центрифугирования вся подложка покрывается одним материалом.

Вакуумное термическое испарение

Рис. 9: Вакуумное термическое испарение (а) и осаждение органической фазы из паровой фазы (б)

Другой метод осаждения — вакуумное термическое испарение (ВТЕ), которое включает нагрев органического материала в вакууме. Подложку размещают на расстоянии нескольких сантиметров от источника, чтобы испаряемый материал мог быть нанесен непосредственно на подложку, как показано на рис. 9(а). Этот метод полезен для нанесения множества слоев разных материалов без химического взаимодействия между разными слоями. Однако иногда возникают проблемы с однородностью толщины пленки и равномерным легированием подложек большой площади. Кроме того, материалы, оседающие на стенках камеры, могут загрязнять последующие отложения. Этот метод «прямой видимости» также может создавать дыры в пленке из-за затенения, что приводит к увеличению последовательного сопротивления устройства и короткому замыканию.

Органическое осаждение из паровой фазы

Органическое осаждение из газовой фазы (OVPD), показанное на рис. 9(б), позволяет лучше контролировать структуру и морфологию пленки, чем вакуумное термическое испарение. Процесс включает испарение органического материала над подложкой в ​​присутствии инертного газа-носителя. Полученную морфологию пленки можно регулировать, изменяя скорость потока газа и температуру источника. Однородные пленки можно вырастить за счет снижения давления газа-носителя, что приведет к увеличению скорости и длины свободного пробега газа и, как следствие, к уменьшению толщины пограничного слоя. Клетки, полученные методом OVPD, не имеют проблем, связанных с загрязнениями хлопьями, выходящими из стенок камеры, поскольку стенки теплые и не позволяют молекулам прилипать и образовывать на них пленку.

Еще одним преимуществом перед ВТЭ является однородность скорости испарения. Это происходит потому, что газ-носитель насыщается парами органического материала, выходящего из источника, и затем движется в сторону охлаждаемой подложки, рис. 9(б). В зависимости от параметров роста (температуры источника, базового давления и потока газа-носителя) осаждаемая пленка может иметь кристаллическую или аморфную природу. Устройства, изготовленные с использованием ОВПД, демонстрируют более высокую плотность тока короткого замыкания, чем устройства, изготовленные с использованием ВТЭ. Дополнительный слой донорно-акцепторного гетероперехода в верхней части клетки может блокировать экситоны, обеспечивая при этом проводимость электронов; что приводит к повышению эффективности клеток.

Эффекты растворителя

Условия центрифугирования и испарения влияют на эффективность устройства. Растворитель и добавки влияют на донорно-акцепторную морфологию. Добавки замедляют испарение, что приводит к образованию более кристаллических полимеров и, таким образом, к улучшению дырочной проводимости и эффективности. Типичные добавки включают 1,8-октандитиол, орто-дихлорбензол , 1,8-дийодооктан (ДИО) и нитробензол . Эффект DIO объясняется селективной солюбилизацией компонентов PCBM, которая фундаментально изменяет среднее расстояние прыжка электронов и, таким образом, улучшает подвижность электронов. Добавки также могут привести к значительному повышению эффективности полимеров. Для солнечных элементов HXS-1/PCBM эффект коррелировал с генерацией заряда, транспортировкой и стабильностью при хранении. Другие полимеры, такие как PTTBO, также значительно выигрывают от DIO, достигая значений PCE более 5% по сравнению с примерно 3,7% без добавки.

Полимерные солнечные элементы, изготовленные из хлорнафталина (CN) в качестве сорастворителя, обладают более высокой эффективностью, чем те, которые изготовлены из более традиционного чистого раствора хлорбензола. Это связано с изменением донорно-акцепторной морфологии, что уменьшает фазовое разделение между донорным полимером и фуллереном. В результате это приводит к высокой подвижности дырок. Без сорастворителей образуются большие домены фуллеренов, снижающие фотоэлектрические характеристики элемента из-за агрегации полимера в растворе. Эта морфология возникает в результате разделения фаз жидкость-жидкость во время сушки; Раствор испарения приводит к попаданию смеси в спинодальную область, в которой наблюдаются значительные тепловые флуктуации. Большие домены препятствуют эффективному сбору электронов (снижение PCE).

Небольшие различия в структуре полимера также могут привести к значительным изменениям в упаковке кристаллов, что неизбежно влияет на морфологию устройства. PCPDTBT отличается от PSBTBT, что вызвано разницей в мостиковом атоме между двумя полимерами (C и Si), что означает, что лучшие морфологии достижимы с помощью солнечных элементов PCPDTBT: PCBM, содержащих добавки, в отличие от системы Si, которая обеспечивает хорошую морфологию без помощи со стороны дополнительные вещества.

Самособирающиеся клетки

Была исследована супрамолекулярная химия с использованием донорных и акцепторных молекул, которые собираются при центрифугировании и нагревании. В большинстве супрамолекулярных ансамблей используются небольшие молекулы. Донорные и акцепторные домены в трубчатой ​​структуре кажутся идеальными для органических солнечных элементов.

Диблочные полимеры, содержащие фуллерен, при термическом отжиге дают стабильные органические солнечные элементы. Солнечные элементы с заранее разработанной морфологией возникают при введении соответствующих супрамолекулярных взаимодействий.

Прогресс в разработке BCP, содержащих производные политиофена, позволил создать солнечные элементы, которые собираются в четко определенные сети. Эта система демонстрирует PCE 2,04%. Водородная связь определяет морфологию.

Эффективность устройств, основанных на подходах сополимеров, еще не преодолела барьер в 2%, тогда как устройства с объемным гетеропереходом демонстрируют эффективность> 7% в конфигурациях с одним переходом.

-сополимеры стержень-спираль с привитыми фуллеренами Блок использовались для изучения организации доменов.

Супрамолекулярные подходы к органическим солнечным элементам дают понимание макромолекулярных сил, которые приводят к разделению доменов.

Прозрачные полимерные ячейки

Прозрачные или полупрозрачные PSC позволяют поглощать фотоны низкой или высокой энергии за пределами видимого спектра, тем самым оптимизируя возможности использования солнечного света и охватывая более широкий спектр поглощения. Эти типы PSC идеально подходят для захвата фотонов ближнего инфракрасного или ультрафиолетового диапазона из-за своей низкой чувствительности к фотонам видимого спектра. В типичных PSC используются непрозрачные металлические электроды, которые ограничивают его прозрачность и, следовательно, его производительность. Поглощающий слой PSC по своей природе полупрозрачен. Таким образом, один из подходов к достижению визуально прозрачного PSC состоит в модификации верхнего электрода, чтобы сделать его более прозрачным. Такие материалы, как ITO, ультратонкие металлы, металлические сетки, графен и углеродные нанотрубки, использовались для изготовления полупрозрачных верхних электродов. Тем не менее, эффективность прозрачных PSC оказалась ниже, чем у их аналогов PSC с непрозрачными электродами. Когда верхний электрод делается прозрачным, способность ячейки улавливать электромагнитное поле в слое поглотителя снижается, что приводит к низкому PCE. В настоящее время проводится обширное исследование по улучшению PCE таких клеток. Эти типы PSC применяются в фотоэлектрических системах, интегрированных в здания, тандемных устройствах и портативной электронике.

Инфракрасные полимерные ячейки

Инфракрасные клетки преимущественно поглощают свет в инфракрасном диапазоне, а не в видимых длинах волн. В ходе исследования 2010 года были разработаны прозрачные для инфракрасного излучения PSC с верхним электродом из пленки УНТ на задней стороне и слоем стекла ITO на передней стороне, обеспечивающим оптическое пропускание с обеих сторон ячейки. Слой ZnO был помещен поверх ITO, а к ZnO был добавлен слой P3HT:PCBM, создав таким образом ячейку ITO/ZnO/P3HT:PCBM/CNT (снизу вверх). Было замечено, что верхний электрод из УНТ и нижний электрод из ITO продемонстрировали коэффициент пропускания 80% в спектрах от 500 нм до 2,5 мкм. Сама ячейка имела оптическое пропускание 80% в диапазоне от 670 нм до 1,2 мкм и 60% в диапазоне от 1,2 до 2,5 мкм. И наоборот, контрольная ячейка с верхним электродом из серебра не привела к отсутствию пропускания в этом спектре. Кроме того, клетка имела относительно низкий коэффициент пропускания в видимой области из-за высокого поглощения видимой области слоя P3HT:PCBM. Такие ячейки могут применяться для тандемных устройств и вертикальной сборки ЦОН.

По состоянию на 2012 год инфракрасные элементы были почти на 70% прозрачны для видимого света. Ячейки, как утверждается, могут быть изготовлены в больших объемах по низкой цене с использованием обработки раствором. В ячейках используются композитные пленки из нанопроволоки серебра и диоксида титана в качестве верхнего электрода , заменяющие традиционные непрозрачные металлические электроды. Благодаря этой комбинации был достигнут КПД преобразования энергии 4%.

В 2014 году были изготовлены полимерные солнечные элементы ближнего инфракрасного диапазона на основе сополимера нафтодитиофендиимида и битиофена (ПНДТИ-БТ-ДТ) в сочетании с ПТБ7 в качестве донора электронов. И PNDTI-BT-DT, и PTB7 образовывали в смешанных пленках кристаллическую структуру, аналогичную таковой в первичных пленках, что приводило к эффективной генерации заряда, вносимой обоими полимерами.

Много исследований было сосредоточено на разработке прозрачного верхнего электрода для PSC. Однако исследование 2017 года изучало возможность оптимизации активного слоя полупрозрачных PSC. Исследователи предложили полупрозрачный PSC с повышенной эффективностью, в котором используются как узкозонный полимерный донор PTB7-Th, так и нефуллереновый акцептор IHIC. Результаты этого исследования показали, что предложенный PSC обладает высоким коэффициентом пропускания и поглощения в инфракрасном спектре, но низким поглощением в видимом спектре. Эта ячейка оказалась относительно стабильной и имела максимальное значение PCE 9,77%, что по состоянию на 2017 год является самым высоким зарегистрированным значением PCE.

Типичное поведение тока-напряжения и эффективность преобразования мощности

Органические фотогальваники, как и неорганические фотогальваники, обычно характеризуются с помощью вольт-амперного анализа. Этот анализ предоставляет несколько значений показателей устройства, которые используются для понимания производительности устройства. Одним из наиболее важных показателей является эффективность преобразования энергии (PCE).

PCE (η) пропорционален произведению тока короткого замыкания (J _SC ), напряжения холостого хода (V _OC ) и коэффициента заполнения (FF), все из которых можно определить по кривой вольт-амперного напряжения. .

$\eta ={\frac {V_{\text{OC}}\times J_{\text{SC}}\times FF}{P_{\text{in}}}}$

Где P _in — это падающая солнечная энергия.

Ток короткого замыкания (Jsc) представляет собой максимальное значение генерации фототока. Это соответствует значению точки пересечения y стандартной кривой тока-напряжения, на которой ток отложен по оси y, а напряжение — по оси x. В органических солнечных элементах на ток короткого замыкания могут влиять различные материальные факторы. К ним относятся подвижность носителей заряда, профиль оптического поглощения и общие энергетические движущие силы, которые приводят к более эффективному извлечению носителей заряда.

Напряжение холостого хода (Voc) — это напряжение, при котором через устройство не протекает ток. Это соответствует пересечению оси x на кривой тока-напряжения. В органических фотоэлектрических устройствах с объемным гетеропереходом это значение сильно зависит от уровней энергии HOMO и LUMO и работы выхода материалов активного слоя.

Поскольку мощность является произведением напряжения и тока, точка максимальной мощности возникает, когда произведение напряжения и тока максимально.

Коэффициент заполнения FF можно рассматривать как «прямоугольность» кривой тока-напряжения. Это частное максимального значения мощности и произведения напряжения холостого хода и тока короткого замыкания. На изображении выше это показано как отношение площади желтого прямоугольника к площади большего синего прямоугольника. Для органических фотоэлектрических систем этот коэффициент заполнения, по сути, является мерой того, насколько эффективно генерируемые заряды извлекаются из устройства. Это можно рассматривать как «конкуренцию» между зарядами, проходящими через устройство, и зарядами, которые рекомбинируют.

Основной проблемой, связанной с полимерными солнечными элементами, является низкая эффективность преобразования энергии (PCE) изготовленных ячеек. Чтобы считаться коммерчески жизнеспособными, PSC должны быть в состоянии достичь эффективности не менее 10–15%. — это уже намного ниже, чем у неорганических фотоэлектрических систем. Однако из-за низкой стоимости полимерных солнечных элементов эффективность 10–15% коммерчески выгодна.

Недавние достижения в области характеристик полимерных солнечных элементов стали результатом сжатия запрещенной зоны для увеличения тока короткого замыкания и одновременного снижения самой высокой занятой молекулярной орбитали (ВЗМО) для увеличения напряжения холостого хода. Однако PSC по-прежнему страдают от низкого коэффициента заполнения (обычно ниже 70%). Однако по состоянию на 2013 год исследователям удалось изготовить PSC с коэффициентом заполнения более 75%. Ученым удалось добиться этого с помощью перевернутого BHJ и использования нетрадиционных комбинаций донор/акцептор.

Коммерциализация

Количество научных публикаций по теме «полимерные солнечные элементы» по годам. Поиск осуществляется через ISI, Web of Science .

Полимерные солнечные элементы еще не могут составить коммерческую конкуренцию кремниевым солнечным элементам и другим тонкопленочным элементам . Нынешняя эффективность полимерных солнечных элементов составляет около 10%, что значительно ниже кремниевых элементов. Полимерные солнечные элементы также страдают от деградации окружающей среды из-за отсутствия эффективных защитных покрытий .

Необходимы дальнейшие улучшения производительности для содействия диффузии носителей заряда; транспорт должен быть улучшен за счет контроля порядка и морфологии; а инженерия интерфейсов должна быть применена к проблеме переноса заряда через интерфейсы.

В настоящее время проводятся исследования по использованию тандемной архитектуры для повышения эффективности полимерных солнечных элементов. Ожидается, что, как и в случае с неорганической тандемной архитектурой, органическая тандемная архитектура повысит эффективность. По сравнению с однопереходным устройством, в котором используются материалы с низкой запрещенной зоной, тандемная структура может снизить потери тепла во время преобразования фотонов в электроны.

Полимерные солнечные элементы не производятся в промышленных масштабах. С 2008 года компания Konarka Technologies начала производство полимерно-фуллереновых солнечных элементов. Первоначальные модули имели эффективность 3–5% и прослужили всего несколько лет. Konarka с тех пор подала заявление о банкротстве, поскольку эти полимерные солнечные элементы не смогли проникнуть на рынок фотоэлектрических систем.

PSC также по-прежнему страдают от низкого коэффициента заполнения (обычно ниже 70%). Однако по состоянию на 2013 год исследователям удалось изготовить PSC с коэффициентом заполнения более 75%. Ученым удалось добиться этого с помощью перевернутого BHJ и использования нетрадиционных комбинаций донор/акцептор.

Тем не менее, предпринимаются усилия по расширению производства полимерных солнечных элементов, чтобы снизить затраты, а также продвигать практический подход к производству PSC. Такие усилия включают полную комплексную обработку решения. Однако обработка рулонного раствора плохо подходит для производства электроэнергии в сети из-за короткого срока службы полимерных солнечных элементов. Таким образом, коммерческое применение полимерных солнечных элементов по-прежнему включает в себя в первую очередь бытовую электронику и бытовую технику.

Моделирование органических солнечных батарей

Как обсуждалось выше, органические полупроводники представляют собой сильно неупорядоченные материалы без дальнего порядка. Это означает, что края зоны проводимости и валентной зоны четко не определены. Более того, этот физический и энергетический беспорядок создает ловушки, в которых фотогенерированные электроны и дырки могут оказаться в ловушке, а затем в конечном итоге рекомбинировать.

Ключом к точному описанию органических солнечных элементов в модели устройства является включение захвата носителей и рекомбинации через ловушечные состояния. Обычно используемый подход заключается в использовании модели эффективной среды, в которой для описания переноса через устройство используются стандартные уравнения дрейфовой диффузии. Затем вводится экспоненциальный хвост ловушечных состояний, который распадается в запрещенную зону от краев подвижности. Для описания захвата/побега из этих состояний-ловушек метод Шокли-Рида-Холла (SRH) можно использовать . Было показано, что механизм Шокли-Рида-Холла способен воспроизводить поведение устройства полимер:фуллерен как во временной области, так и в устойчивом состоянии.

Проектирование органических солнечных элементов требует оптимизации большого количества структурных и композиционных параметров, таких как ширина запрещенной зоны и толщина слоев. Численное моделирование устройства может дать инструментальную информацию для определения оптимальной конфигурации стека. Это позволяет сократить требуемое время на разработку эффективных солнечных элементов.

Текущие проблемы и недавний прогресс

К трудностям, связанным с органическими фотоэлектрическими элементами, можно отнести их низкую внешнюю квантовую эффективность (до 70%). по сравнению с неорганическими фотоэлектрическими устройствами, несмотря на хорошую внутреннюю квантовую эффективность; это связано с недостаточным поглощением активных слоев порядка 100 нанометров. Нестабильность по отношению к окислению и восстановлению, рекристаллизации и изменениям температуры также может со временем привести к деградации устройства и снижению его производительности. Это происходит в разной степени для устройств разного состава, и в этой области ведутся активные исследования.

Другие важные факторы включают длину диффузии экситонов, разделение зарядов и сбор зарядов, на которые влияет присутствие примесей.

Мобильность и транспортировка носителей заряда

Понимание транспорта носителей заряда имеет жизненно важное значение для повышения эффективности органических фотоэлектрических элементов, особенно для солнечных элементов с объемными гетеропереходами. В настоящее время устройства с объемными гетеропереходами имеют несбалансированную подвижность носителей заряда, при этом подвижность дырок как минимум на порядок ниже подвижности электронов; это приводит к пространственного заряда и снижению коэффициента заполнения и эффективности преобразования энергии устройства. накоплению Из-за низкой подвижности эффективные фотоэлектрические элементы с объемным гетеропереходом должны быть разработаны с тонкими активными слоями, чтобы избежать рекомбинации носителей заряда, что вредно для поглощения и масштабируемости при обработке. Моделирование показало, что для того, чтобы иметь объемный гетеропереходный солнечный элемент с коэффициентом заполнения выше 0,8 и внешней квантовой эффективностью выше 90%, необходима сбалансированная подвижность носителей заряда для уменьшения эффекта пространственного заряда, а также увеличение количества носителей заряда. подвижность и/или уменьшение константы скорости бимолекулярной рекомбинации .

Влияние морфологии пленки

Рис. 8: Сильно свернутый гетеропереход (а); гетеропереход с контролируемым ростом (б)

Как описано выше, дисперсные гетеропереходы донорно-акцепторных органических материалов обладают высокой квантовой эффективностью по сравнению с плоским гетеропереходом, поскольку в дисперсных гетеропереходах экситон с большей вероятностью найдет интерфейс в пределах своей диффузионной длины. Морфология пленки также может существенно повлиять на квантовую эффективность устройства. Неровные поверхности и наличие пустот могут увеличить последовательное сопротивление, а также вероятность короткого замыкания. Морфологию пленки и, как следствие, квантовую эффективность можно улучшить путем отжига устройства после покрытия его металлическим катодом толщиной ~1000 Å. Металлическая пленка поверх органической пленки создает нагрузку на органическую пленку, что помогает предотвратить морфологическую релаксацию органической пленки. Это дает более плотно упакованные пленки и в то же время позволяет формировать межфазный взаимопроникающий донорно-акцепторный интерфейс внутри объема тонкой органической пленки.

Гетеропереход с контролируемым ростом

Разделение зарядов происходит на границе донор-акцептор. На пути к электроду заряд может захватываться и/или рекомбинироваться в неупорядоченном взаимопроникающем органическом материале, что приводит к снижению эффективности устройства. Контролируемый рост гетероперехода обеспечивает лучший контроль над положением донорно-акцепторных материалов, что приводит к гораздо большей энергетической эффективности (отношению выходной мощности к входной мощности), чем у плоских и сильно дезориентированных гетеропереходов (как показано на рис. 8). . Таким образом, выбор подходящих параметров обработки для лучшего контроля структуры и морфологии пленки весьма желателен.

Световой захват

Для усиления эффекта захвата света (включения света) в тонких органических солнечных элементах применяются различные типы компонентов. В дополнение к гибкости органических солнечных элементов, за счет использования гибких электродов и субстраты вместо ITO и стекла соответственно можно производить полностью гибкие органические солнечные элементы. Благодаря использованию гибких подложек и подложек вводятся более простые методы обеспечения эффектов светоулавливания для OPV, такие как полимерные электроды со встроенными рассеивающими частицами, нано-отпечатанные полимерные электроды, узорчатые ПЭТ-основы и даже пленка для оптических дисплеев, коммерциализированная для жидкокристаллических дисплеев (ЖК-дисплеев) в качестве подложек. Будет проведено много исследований для улучшения характеристик OPV за счет упрощения обработки светоулавливающих структур.

Использование в тандемных фотоэлектрических системах.

Недавние исследования и исследования были проведены по использованию органического солнечного элемента в качестве верхнего элемента в гибридной тандемной батарее солнечных элементов . Поскольку органические солнечные элементы имеют более высокую запрещенную зону, чем традиционные неорганические фотоэлектрические элементы, такие как кремний или CIGS , они могут поглощать фотоны с более высокой энергией, не теряя при этом значительной части энергии из-за термализации, и, таким образом, работать при более высоком напряжении. Непоглощенные фотоны с более низкой энергией и фотоны с более высокой энергией проходят через верхний органический солнечный элемент, а затем поглощаются нижним неорганическим элементом. Органические солнечные элементы также можно обрабатывать при низких температурах с низкой стоимостью 10 долларов за квадратный метр, в результате чего получается печатный верхний элемент, который повышает общую эффективность существующих технологий неорганических солнечных элементов. Было проведено много исследований, чтобы обеспечить возможность формирования такого гибридного тандемного пакета солнечных элементов, включая исследования по нанесению полупрозрачных электродов, которые сохраняют низкое контактное сопротивление, обладая при этом высокой прозрачностью.

Механическое поведение

Понимание механических свойств органических полупроводников и, в частности, широкого спектра механизмов отказа работающих органических солнечных элементов имеет решающее значение для определения эксплуатационной стабильности органических солнечных элементов для различных применений. Механические свойства органических солнечных элементов можно отнести к межмолекулярным и поверхностные силы, присутствующие в материале. На эти характеристики не только влияет молекулярная структура, но они также весьма чувствительны к условиям обработки, что делает изучение механических свойств тонких полимерных пленок, таких как модуль упругости, пластичность и вязкость разрушения при деформации, довольно трудным. По этой причине нетривиально количественно определить «показатель качества», который будет предсказывать механическую стабильность устройства, а надежность устройства под нагрузкой будет зависеть от многих факторов.

Чаще всего подложка обеспечивает поддержку устройства, и механический отказ подложки приводит к неоптимальной эффективности преобразования энергии устройства. Следовательно, хотя необходимо, чтобы подложка обеспечивала механическую поддержку органического активного слоя, необходимо позаботиться о том, чтобы повышение прочности подложки на разрыв не происходило за счет разрушения пленки при низких деформациях. В общем, желательно, чтобы активный слой деформировался вместе с подложкой. Это стало возможным благодаря низкому модулю упругости и высокому пределу упругости. Пластичность тонкой пленки обычно измеряют как деформацию, при которой на пленке появляются трещины. Однако деформация возникновения трещины также зависит от других факторов, таких как степень сцепления/адгезии между пленкой и подложкой. Различные исследования связали энергию когезионного или адгезионного разрушения G _c , определяемую как работу, необходимую для разрушения границ раздела отдельных полимеров, с молекулярными параметрами и условиями обработки. Помимо сцепления, траектория распространения трещины после ее образования зависит от механических свойств материала, через который распространяется трещина. В полимерах типа P3HT, которые обладают хорошей пластичностью, пластическая зона образуется на вершине трещины при приложении растягивающей деформации, перпендикулярной плоскости устройства, и расширяется до тех пор, пока не будет ограничена либо кристаллическими доменами в пленке, либо жесткой подложкой. тем самым рассеивая энергию деформации и уменьшая сцепление между границами раздела. Метод механического выпучивания также оказался весьма успешным при определении модулей упругости различных органических тонких пленок. Метод основан на нестабильности изгиба, которая приводит к образованию морщин в пленке под действием сжатия. Длина волны морщин может быть связана с модулем растяжения пленки через толщину пленки и модуль упругости подложки. .

При проектировании устройств, включающих органические солнечные элементы, Gc и деформация при разрушении были определены как два показателя, которые важно учитывать. Слой объемного гетероперехода (BHJ) обычно является самым слабым слоем органического солнечного элемента, поэтому необходимо спроектировать материалы BHJ так, чтобы они были механически стабильными, с целевым G _c 5 Дж м-2 и целевой деформацией при разрушении 20-30%. Было показано, что акцепторы на основе полимеров демонстрируют превосходные механические свойства по сравнению с акцепторами на основе малых молекул и акцепторами на основе фуллеренов. Кроме того, на механические свойства акцепторов на основе полимеров влияет M _n , среднечисловая молекулярная масса молекул полимера. Было установлено, что механические свойства увеличиваются с увеличением Mn _, но только после того, как Mn превышает Mc _, критическую молекулярную массу, при которой переплетения вызывают увеличение скорости изменения вязкости с увеличением _Mn . Это явление происходит потому, что скорость перепутывания цепей и смешиваемость между полимерным акцептором и донором увеличиваются. Эффект этих характеристик заключается в том, что пластическая деформация этих материалов в ответ на механическое напряжение была высокой, а это означает, что большая часть энергии рассеивалась, в то время как материалы с меньшей механической прочностью разрушались легче.

Современные направления исследования объемных гетеропереходных материалов

Одним из основных направлений текущих исследований является использование нефуллереновых акцепторов . Хотя акцепторы фуллеренов были стандартом для большинства органических фотоэлектрических элементов из-за их совместимости с конструкциями ячеек с объемным гетеропереходом, а также их хороших транспортных свойств, у них все же есть некоторые запасные варианты, которые заставляют исследователей пытаться найти альтернативы. Некоторые недостатки акцепторов фуллеренов включают их нестабильность, некоторые ограничения в перестройке энергии и плохое оптическое поглощение. Исследователи разработали акцепторы малых молекул, которые благодаря хорошей возможности настройки энергии могут демонстрировать высокие напряжения холостого хода. Объединив донор полимера (D18) с акцептором малых молекул (Y6), ученые изготовили в лаборатории органические солнечные элементы, обеспечивающие высокую эффективность более 18%. Однако с нефуллереновыми акцепторами все еще существуют серьезные проблемы, в том числе низкая подвижность носителей заряда у акцепторов малых молекул, а также то, что огромное количество возможных молекул ошеломляет исследовательское сообщество.

Задача, стоящая перед разработкой органических солнечных элементов с использованием нефуллереновых акцепторов (NFA), заключается в выборе растворителя, который имеет высокую температуру кипения и является экологически чистым, тогда как обычные растворители, такие как хлороформ (CF), имеют тенденцию иметь низкие температуры кипения и токсичность. Такой растворитель необходим для дальнейшего увеличения количества органических солнечных элементов, но он также связан со снижением PCE из-за плохой растворимости донорных и акцепторных материалов в растворителе. Добавление алкильных цепей к NFA привело к увеличению растворимости, но к уменьшению молекулярной упаковки (π-стекинга), что не привело к общему воздействию на PCE. Было обнаружено, что использование помощи гостя улучшает как растворимость, так и молекулярную упаковку. Гостевая молекула под названием BTO с боковыми цепями олиго(этиленгликоля) (OEG), используемая в сочетании с NFA Y6 в качестве акцептора, PM6 в качестве донора и пара-ксилола (PX) в качестве устойчивого растворителя с высокой температурой плавления, привела к созданию увеличение PCE с 11% до более 16% считалось приемлемым уровнем эффективности. Еще одной модификацией, которая оказалась успешной в разработке более чистых органических фотоэлектрических элементов, является покрытие подложек методом горячего центрифугирования негалогенированными растворителями. Было обнаружено, что температура, при которой осуществлялось горячее центрифугирование покрытия, изменяла раствор в сторону твердофазной эволюции смесей акцептор-донор, так что более высокие температуры приводили к более высокой концентрации акцепторов на поверхности подложки. Это связано с тем, что более высокие температуры способствуют уменьшению агрегации и осаждения, позволяя субстрату сохранять более высокую концентрацию акцептора. В эксперименте органические солнечные элементы, изготовленные из тройных смесей донора PM6 и акцепторов Y6-1O и BO-4Cl, а также различных негалогенированных растворителей, включая о-ксилол и толуол, показали значения PCE более 18%, что является наиболее эффективным органическим фотоэлектрическим элементом. на сегодняшний день изготовлены с использованием негалогенированных растворителей. Дальнейшие морфологические анализы показали, что ОПВ горячего формования, полученные с использованием негалогенированных растворителей, имели морфологические характеристики, аналогичные морфологическим характеристикам ОПВ, приготовленных с использованием галогенированных растворителей.

Малые молекулы также активно исследуются на предмет использования в качестве донорских материалов, потенциально заменяя полимерные доноры. Поскольку малые молекулы не различаются по молекулярной массе, как полимеры, для них потребуется меньше стадий очистки, и они менее восприимчивы к дефектам и перегибам макромолекул, которые могут создавать ловушечные состояния, ведущие к рекомбинации. Недавние исследования показали, что высокоэффективные низкомолекулярные донорские структуры, как правило, имеют плоские двумерные структуры и могут агрегировать или самособираться. Синусоидальные характеристики этих устройств во многом зависят от морфологии активного слоя. В настоящее время исследования продолжают изучать возможности малых молекул и оптимизировать морфологию устройств с помощью таких процессов, как отжиг различных материалов.

См. также

• Биопластик
• Проводящие чернила
• Сенсибилизированный красителем солнечный элемент
• Сбор энергии
• Паритет сети
• Гибридный солнечный элемент
• Струйный солнечный элемент
• Нанокристаллический солнечный элемент
• Фотоэлектрохимическая ячейка
• Печатная электроника
• Рулон к рулону

Другие солнечные элементы третьего поколения:

• Сенсибилизированный красителем солнечный элемент
• Гибридный солнечный элемент
• Нанокристаллический солнечный элемент
• Фотоэлектрохимическая ячейка

Дальнейшее чтение

• Электронные процессы в органических кристаллах и полимерах, 2-е изд. Мартин Поуп и Чарльз Э. Свенберг, Oxford University Press (1999), ISBN   0-19-512963-6
• Органическая фотоэлектрическая энергия Кристофа Брабека, Владимира Дьяконова, Юргена Паризи и Ниязи Сердара Саричифтчи (ред.), Springer Verlag (Берлин, 2003 г.), ISBN   3-540-00405-X
• Органическая фотоэлектрическая энергия: механизмы, материалы и устройства (оптическая инженерия), Сэм-Шаджинг Сан и Ниязи Сердар Саричифтчи (ред.), CRC Press (2005), ISBN   0-8247-5963-X
• Справочник по органической электронике и фотонике (3-томный набор) Хари Сингха Налвы, American Scientific Publishers. (2008), ISBN   1-58883-095-0
• Грин, Мартин А.; Эмери, Кейт; Хишикава, Ёсихиро; Варта, Вильгельм (2010). «Таблицы эффективности солнечных батарей (версия 36)» . Прогресс в фотоэлектрической энергетике: исследования и приложения . 18 (5): 346–352. дои : 10.1002/pip.1021 .
• Саричифтчи, Н.С.; Смиловиц, Л.; Хигер, Эй Джей; Вудл, Ф. (1992). «Фотоиндуцированный перенос электронов с проводящих полимеров на бакминстерфуллерен». Наука . 258 (5087): 1474–1476. Бибкод : 1992Sci...258.1474S . дои : 10.1126/science.258.5087.1474 . ПМИД   17755110 . S2CID   44646344 .
• Н.С. Саричифтчи, А.Дж. Хигер, Фотофизика, разделение зарядов и применение в устройствах композитов сопряженных полимеров и фуллеренов, в Справочнике по органическим проводящим молекулам и полимерам , под редакцией HSNalwa, 1 , Wiley, Чичестер, Нью-Йорк, 1997, Ch. 8, стр. 413–455.
• «Пластиковые солнечные элементы» Кристоф Дж. Брабек , Н. Сердар Саричифтчи, Ян Кис Хуммелен, Advanced Functional Materials, Vol. 11 №: 1, с. 15–26 (2001)
• Майер, Алекс С.; Скалли, Шон Р.; Хардин, Брайан Э.; Роуэлл, Майкл В.; МакГи, Майкл Д. (2007). «Солнечные элементы на основе полимеров» . Материалы сегодня . 10 (11): 28–33. дои : 10.1016/S1369-7021(07)70276-6 .
• Х. Хоппе и Н. С. Саричифтчи, Полимерные солнечные элементы, с. 1–86, в «Фоточувствительных полимерах II», под ред.: С.Р. Мардер и К.-С. Ли, «Достижения в области науки о полимерах», Springer, ISBN   978-3-540-69452-6 , Берлин-Гейдельберг (2008)

Внешние ссылки

• «Ключ к прорыву в области солнечных батарей» (Кембриджский университет).
• http://search.nrel.gov/query.html?qm=1&charset=utf-8&style=eere&col=eren&qc=eren&ht=815081754&ct=345728017
• LIOS – Линцский институт органических солнечных элементов, Университет Иоганна Кеплера, Линц, Австрия
• Квансол 1998 г.