Namangan davlat universiteti fizika kafedrasi

§ 3.3. P3HT:PCVM va P3HT:ITIC tarkibli faol qatlamga ega bo‘lgan organik quyosh elementlarining fotoelektrik paramyetrlari.

Bu bo‘limda P3HT:PCBM va P3HT:ITIC aralashmasidan tayyorlangan faol qatlamli OQElarning fotovoltaik parametrlari qiyosiy ravishda eksperimental o‘rganilgan va taxlil etilgan [12A; s. 33-34]. Qurilmalarning volt-amper xarakteristikalarini o‘lchashning eksperimental metodlari va qurilmalari tafsiloti §2.3da keltirilgan.

P3HT:PCBM va P3HT:ITIC aralashmadan tayyorlangan yupqa katlamlar asosidagi OQElarning fotovoltaik xarakteristikalari

3.3-jadval.

OQE faol qatlamini tashkil etuvchi materiallar	Katod	Voc (V)	Jsc (mA/sm^2)	FF (%)	EO‘S (%)
P3HT:PCBM	Al	0,28316	3,49678	30,9653	0,3066
	PFN/Al	0,53554	4,154389	37,1826	0,8273
P3HT:ITIC	Al	0,55581	0,818576	39,4149	0,1793
	PFN/Al	0,56217	0,879002	40,7151	0,2012

3.3-jadvalda faol qatlam sifatida P3HT:PCBM va P3HT:ITIC aralashmasidan tayyorlangan yupqa qatlamlarga ega OQElarning fotovolьtaik parametrlari keltirilgan. Faol qatlamni tashkil etuvchi materiallar 1:1 nisbatda olingan, chunki ko‘plab tadqiqotlarning natijalariga ko‘ra, aynan shunday miqdoriy nisbatda OQEda eng yuqori EO‘S qayd qilinadi [167; s. 112105]. Jumladan, ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Al tarkibdagi quyosh elementlari o‘rganilganda, uch xil nisbatdagi P3HT:PCBM aralashmasi asosidagi OQEda (1:1, 1:0.8 va 1:0.6) volt-amper (J-V) xarakteristikasining optimal xolati aynan 1:1 nisbatdagi aralashmada kuzatilgan.

[168; s. 510-513]da bayon etilgan tajribada P3HT:PCBM aralashmasining uch xil, 1:1, 1:2 va 1:4 nisbatda tayyorlangan yupqa qatlamlarining yutilish spektrlari bilan fotovolьtaik parametrlari o‘rtasida mutanosiblik mavjudligi o‘rganilgan. Ushbu tadqiqotda yutilish spektri piki maksimumining to‘lqin uzunligi 1:4 nisbatda 436 nmdan, 1:2 nisbatda 480 nmga va 1:1 nisbatda 512 nmgacha siljishini kuzatilgan. Boshqacha aytganda, yutilish piki maksimumi 484 nmdan 512 nmacha siljib, optik zichlik 20% ga ortgan. Kvant chiqishining effektiv qiymati 1:4 nisbatda (pik 490 nmda) 18%, 1:2 nisbatda (pik 500 nmda) 33% va 1:1 nisbatda (pik 530 nmda) 45% gacha ortgan.
1:1 nisbatdagi P3HT:PCBM aralashmasi asosidagi OQEda qolgan ikki xil boshqa nisbatlardagi aralashmalar asosidagi OQElardan farqli ravishda yuqori EO‘S olingan. Natija 30 ⁰S haroratda AM1.5 spektrli 100 mVt/sm² intensivli yorug‘lik ta’sirida 3,6% EO‘Sga erishilgan bo‘lsa, 1:2 hamda 1:4 nisbatdagi aralashmalardan tayyorlangan OQElarda esa mos ravishda, EO‘S 2,2% hamda 0,7%ni tashkil etgan. Qisqa tutashuv toki zichligi J_cs=9.5 mA/sm² va to‘ldirish faktori FF=0.63ni tashkil etdi. Bu esa, 1:1 nisbatdagi aralashmada donor va akseptor materiallari o‘rtasidagi mutanosiblikni va ularning interfeysi optimal darajada shakllanishini ko‘rsatadi [169; s. 1371-1376]. Demak, donor va akseptor materiallarining aralashmadagi nisbati 1:1 bo‘lganda, yorug‘lik yutilishida poydo bo‘ladigan eksitonlarni elektron va kovaklarga ajralishi va ushbu zaryadlarning elektrodlarga tashilishi optimal darajada bo‘ladi.
Har xil nisbatdagi materiallar aralashmasidan tayyorlangan P3HT:ITIC faol qatlamli OQElar uchun, yuqoridagi natijalar kabi, 1:1 nisbatda optimal EO‘Sga erishish mumkinligini quyidagi ishlardagi natijalar xam tasdiqlaydi [170; s. 20369-20382, 164; s. 9416-9422]. 3.3 jadvalda katod sifatida Al tanlangan bo‘lib, katod va faol qatlam orasiga PFNning yupqa qatlami yotqizilgan. PFN materiali metanol suyuqligida 0.2 mgr/ml konsentrasiyada erititilib tayyorlangan va 20 sekund davomida 2000 ayl/min tezlikda syentrofugalash usulida faol qatlam ustiga 5 nm qalinlikda yotqizilgan.

3.7 - rasm. P3HT:PCBM va P3HT:PCBM/PFN tarkibli faol qatlamga ega OQElarning volt-amper xarakteristikalari.
3.7-rasmda P3HT:PCBM va P3HT:PCBM/PFN tarkibli faol qatlamga ega OQElarning volt-amper xarakteristikalari keltirilgan. Ushbu grafiklardan ko‘rinadiki, faol qatlam va katod qatlami orasiga yupqa PFN qatlami yotqizilsa, EO‘Sni keskin ortishini ko‘rish mumkin. Bunga sabab [171; s. 3086-3089], PFN qatlami alyuminiy katod bilan yaxshi interfeys shakllantiradi deb tushunish mumkin. Bu xulosani boshqa bir qator tajribalarning natijalari ham tasdiqlaydi [172; s. 2617-2622, 173; s. 9771-9778]. 1-jadvalda ko‘rsatilgandek, PFN yupqa qatlamini kiritilishi barcha holatlarda ketma-ket qarshilik (R_s)ni pasayishiga olib keladi. PFN qatlami bilan o‘zgartirilgan kontaktlar elektronlarning akseptor fazasidan metal katodga o‘tishini kuchaytirishi va faol qatlamdagi kovak-elektron rekombinasiyasini kamaytiradi.
Shu bilan birga, boshqa tadqiqotlarda OQEning ishlash samaradorligiga PFN yupqa qatlamining ta’siri quyidagi omillar misolida yoritilgan:
(1) ushbu qatlamning yondosh qatlamlar bilan interfeysida dipollar hosil bo‘lishi sababli OQEdagi ochiq zanjir kuchlanishining oshishi;
(2) zaryadlar tashilishi samaradorligini yaxshilanishi;
(3) OQEning ishlash davrida erkin zaryadini ko‘payishi oldi olinishi;
(4) zaryadlar rekombinasiyasi ehtimolini kamayishi [174; s. 20065-20072].

3.8 - rasm. P3HT:ITIC va P3HT:ITIC/PFN tarkibli OQEning volt-amper xarakteristikasi
3.8-rasmda P3HT:ITIC va P3HT:ITIC/PFN tarkibli OQEning volt-amper xarakteristikalari keltirilgan. Ushbu grafiklarni solishtirish shuni ko‘rsatadiki, PFN yupqa qatlamini kiritilishi P3HT:PCBM tarkibli OQEning EO‘Sini biroz, kichik miqdorda yaxshilaydi. Lekin, bunday bufer qatlamning EO‘Sga ta’siri P3HT:PCBM va P3HT:ITIC tarkibli OQElarni solishtirganda yaqqol ko‘rinadi (3.9-rasm). Bu ikki xolda EO‘Slarning qiymati kyeskin farqlanadi.

3.9 - rasm. P3HT:PCBM/PFN va P3HT:ITIC/PFN tarkibli OQElarning volt-amper xarakteristikalari.
3.9-rasmdagi grafiklarga asosan PFN yupqa qatlami mavjud PCBM akseptorli OQEda ITIC akseptorli OQEdagidan EO‘S deyarli 4 martaga yuqori. Bunday farqni quyidagi omillar bilan tushuntirish mumkin.
Donor sifatida keng ishlatiladigan organik polimer – P3HTning boshqa turdosh polimerlardan asosiy ustuvorliklaridan biri uning akseptor material bilan xajmiy geterostrukturani shakllantirishi va bunday strukturada yuqori kristallanish xususiyatidir [5A; s. 188-192]. Lekin, afsuski, P3HTning bunday xususiyati turli akseptor materiallar bilan aralashganida turlicha namoyon bo‘ladi. Kristallanish darajasi esa qanchalik yuqori bo‘lsa, unda zaryad tashilishi shunchalik samarali, eksitonlar dissosiasiyasi esa kam ehtimollikka ega bo‘ladi. Hozirgi vaqtda mavjud texnologiyalar P3HT:PCBM aralashmasidan yuqori kristallanish xususiyatiga ega faol qatlamli OQE tayyorlash imkonini beradi [175; s. 265, 152; s. 1262-1267], lekin afsuski, P3HT:ITIC aralashmasidan bunday OQE tayyorlash texnologiyalari mavjud emas. ITIC akseptorli OQElarni elektron mikroskopiyasi yordamida o‘rganilgan tadqiqotlarda [66; s. 5868-5923] ushbu holatga e’tibor qaratilgan.
Fotovoltaik qurilmalarni amaliy jihatdan baholanayotganda, uning faol qatlami eng muhim omillardan biri hisoblanadi. Faol qatlamning ishlash samaradorligi uning kristallanish xususiyati va bunday donor-akseptor aralashmaning nanoo‘lchamli morfologiyasiga bog‘liq [176; s. 579-583].
OQElarning yupqa faol qatlamlarini tayyorlash uchun eng samarali usul – organik eritmani syentrofugalashda bir vaqtda ham donor materialni, ham akseptor materialni kristallantirib yupqa qatlam shakllantirish imkonini beradi. Bu jarayonda, shuningdek, ushbu ikki materialni (fazalarni) nanoo‘lchamlarda ajralishi sodir bo‘ladi [43; s. 7006-7043]. Donor va akseptor molekulalarining kristalliligi ham polimerlar va nanoo‘lchamdagi kichik molekulalar uchun mos faza ajratilishini olishda muhim harakatlantiruvchi kuch sifatida ahamiyatga egaligi sababli donor va akseptor molekulalari aralashmasining molekulyar kristallilik samaradorligi qatlam morfologiyasining samaradorligini belgilaydi va qurilmaning natijaviy xarakteristikasiga ta’sir qiladi [177; s. 2001589].
Kerakli molekulyar kristallik, shuningdek ideal OQE uchun kristallanish jarayoni 3.10-rasmda ko‘rsatilgan. Bunda, faol qatlam plyonkasining domen kattaligi qo‘shni qatlamlar bilan samarali bog‘lanishni saqlashida, tegishli materiallarning eksiton diffuziya uzunligiga ekvivalent bo‘lishi kerak. Bunday yaxshi morfologiya fazalarning to‘liq ajratilganligi bilan birgalikda yorug‘lik nuri yutilishidagi eksitonlarning paydo bo‘lishi, ularning diffuziyasi va zaryadlarga bo‘linishi, ushbu zaryadlarni transporti jarayonlarining yuqori samaradorlikka ega bo‘lishiga imkon beradi va natijada mukammal fotovoltaik parametrlarga erishiladi [43; s. 7006-7043]. Shu sababli, qurilmalarni tayyorlash jarayonida materiallarning kristalliligi va kristallanish jarayonini aniq boshqarishga erishish yuqori samarali qurilmalarni olish uchun muhimdir.

3.10 - rasm. OQE faol qatlamlarining haqiqiy va ideal kristallanish jarayoni
Yuqorida bayon etilgan eksperimental tadqiqotlar natijalari va ularning taxlilidan kelib chiqadiki, P3HT:ITIC tarkibli yupqa qatlamni kristallanishi P3HT:PCBM tarkibli yupqa qatlamga nisbatan yomon va buning sababi birinchisining xususiyatlari ko‘proq amorfga yaqinligi bilan tushuntiriladi. P3HT:ITIC tarkibli yupqa qatlamni o‘rganishga tegishli bir qator ilmiy izlanishlar ham ushbu fikrlarni tasdiqlaydi [162; s. 9416-9422, 178; s. 221-279]. Lekin, P3HT:ITIC tarkibli yupqa qatlamni §3.1 va §3.2 paragraflarda bayon etilgan optik xususiyatlari, ya’ni uning quyosh nuri spektrining P3HT:PCBMga qaraganda ancha keng qismini yutishi kabi shubhasiz ustuvorligi shu asosida OQEning yangi, yuqori samarali turini ishlab chiqish va buning uchun yupqa faol qatlamni polimer materiallarini yuqori kristallanish darajasini ta’minlovchi texnologiyalar yaratish zaruratini ko‘rsatadi.
III bobda bayon etilgan eksperimental tadqiqotlar va ularning taxlilidan quyidagi asosiy xulosalar qilish mumkin.
1. Donor material sifatida muhim energetik va strukturaviy xossalarga ega bo‘lgan organik polimer, P3HTni akseptor material sifatida ITIC bilan aralashmasi, P3HT:ITIC, quyosh nurining tegishli spektridagi energiyasini yutishi samaradorligi P3HT:PCBM aralashmasidagidan uch barobar yuqori.
2. P3HT:ITIC aralashmasi asosidagi yupqa faol qatlamli OQEning EO‘Si shu turdagi boshqa aralashmalar asosidagi OQElardagiga qaraganda (masalan P3HT:PCBMda) keskin past qiymati bilan farq qiladi va bu holat P3HT:ITIC aralashmasi yupqa qatlamining strukturaviy va morfologik kamchiliklari (past kristallanish darajasi, donor va akseptor fazalarining mukammal ajralmaganligi) bilan izohlanadi.
3. P3HT:ITIC, P3HT:PCBM aralashmalari va ularning tarkibiy materiallari P3HT, ITIC va PCBMlardan tayyorlangan yupqa qatlamlarda eksitonlarning zaryadlarga ajratish samaradorligining son qiymatini ularda lyuminessensiya so‘nishi metodi bilan qiyosiy aniqlash mumkin: eksitonning elektron va kovakka ajralishi va eksiton lyuminessensiyasi o‘zaro raqobatlashuvchi jarayonlar bo‘lgani uchun yuqoridagi ikki aralashma va tarkibiy materiallardagi lyuminessensiyaning intensivliklarining farqi ushbu samaradorlikni aniqlaydi.
4. P3HT:ITIC va P3HT:PCBM aralashmalari asosida tayyorlangan OQElarning fotovoltaik parametrlarini qiyosiy o‘rganish shuni ko‘rsatadiki, ochiq zanjir kuchlanishi V_oc va to‘ldirish faktori FFning son qiymatlari jihatidan P3HT:ITIC asosidagi qurilma yuqoriroq samaradorlikka ega. Qisqa tutashuv toki zichligi, J_sc esa 4 – 5 marta kichik bo‘lib, buning sababi P3HT:ITIC qatlamida past kristallanish (amorf) holati bilan tushuntiriladi.
IV bob bo‘yicha xulosalar

1. 
   Termik ishlov berilgan P3HT:PCBM va P3HT:ITIS asosida OQE kompozit materiallarining yutilish, fotolyuminessensiya va fotoelektrik xususiyatlarini qiyosiy o‘rganish OQElarning samaradorligini cheklovchi fizik sabablarni ochib berdi.
   
2. 
   Xususan, bu tadqiq qilingan optik xarakteristikalar OQElarning tuzilishini va fotofizik xususiyatlarini o‘rganishda doimiy o‘lchov ko‘rsatkichi bo‘lib xizmat qilishi mumkin.
   
3. 
   OQElarning vaqt o‘tishi bilan yutilish spektrlari kamayib borgan holda FL spektr intensivligi ortadi. Fotoelektrik parametrlari vaqt o‘tishi bilan pasayib boradi. Yuqorida ko‘rilgan OQElarning optik yutilish va fotolyuminessensiya spektrlarida kuzatilgan jarayonlardagi natijalarni fotoelektrik parametrlarining vaqt o‘tishi bilan o‘zgarishi ham tasdiqlaydi.
   
4. 
   OQElarning azot muhitida degradasiya jarayonlariga chidamliligi normal atmosfera muhitiga qaraganda yaxshi bo‘lsada, tijoriy maqsadda ishlab chiqariladigan OQElar oxir oqibat atmosfera muhitida xizmat ko‘rsatishini hisobga olsak, olingan natijalar istiqbolda atmosfera muhitida uzoqroq ish rejimini yaratish uchun ilmiy izlanishlarga xizmat qilishi mumkin.
   

XULOSA

dissertasiya ishida olingan asosiy xulosalar
1. Yupqa qatlamli organik materiallar asosidagi quyosh fotoelementlarini olish uslubi ishlab chiqildi. Ishlab chiqilgan ushbu uslub yordamida donor material sifatida muhim energetik va strukturaviy xossalarga ega bo‘lgan organik polimer P3HT va unga mos energetik sathlarga ega akseptor materiallar PCBM, ITIC moddalari tanlanib ular bilan P3HT:PCBM va P3HT:ITIC tarkibli strukturaviy organik quyosh elementlari olindi.
2. P3HT:ITIC, P3HT:PCBM aralashmalari va ularning tarkibiy materiallari P3HT, ITIC va PCBMlardan tayyorlangan yupqa qatlamlarning absorbsion, fotolyuminessent xususiyatlari aniqlandi. P3HT:ITIC aralashmali OQE strukturasining P3HT:PCBM tarkibli OQE strukturasiga nisbatan quyosh nuri tegishli spektridagi energiyasini yutish samaradorligi uch barobar yuqoriligi aniqlandi. Shuningdek P3HT:ITIC tarkibli strukturaviy OQEning P3HT:PCBM aralashmalar asosidagi OQElardagiga nisbatan FL intensivligining yuqoriligi hamda EO‘S qiymatining pastligi bilan farq qiladi va bu holat P3HT:ITIC aralashmasi yupqa qatlamining strukturaviy va morfologik kamchiliklari (past kristallanish darajasi, donor va akseptor fazalarining mukammal ajralmaganligi) bilan izohlandi.
3. Termik ishlov berilgan P3HT:PCBM va P3HT:ITIS asosida OQE kompozit materiallarining yutilish, fotolyuminessensiya va fotoelektrik xususiyatlarini qiyosiy o‘rganish orqali OQElarning samaradorligini cheklovchi fizik sabablar aniqlandi. Tadqiq qilingan strukturaviy OQElari qizdirilganda molekulyar tartiblanish darajasi yaxshilanganligi, hajmiy geterostrukturada zaryadlar xarakatchanligi (mobilligi) oshishi hisobiga fotofizik parametrlar ortganligini va bu o‘zgarish optik xarakteristikalardagi o‘zgarishlar bilan mutanosibligi aniqlandi.
4. P3HT:ITIC, P3HT:PCBM tarkibli OQElar vaqt o‘tishi bilan degradasiyaga uchrashi natijasida ularning yutilish spektrlaridagi intensivliklari kamayib, FL spektr intensivligining ortishi kuzatildi. Kuzatilgan ushbu o‘zgarishlar tadqiq qilinayotgan OQElarning strukturalardagi tartibsizlanish darajasi oshishi hisobiga zaryadlar tashilish intensivligining keskin kamayib ketishi bilan bevosita bog‘liq bo‘lib buni fotoelektrik parametrlarining vaqt o‘tishi bilan o‘zgarishi ham tasdiqlaydi.
5. Tadqiq qilingan OQElarining EO‘S qiymatlariga atmosfera ta’sirini baholash maqsadida azot muhitida namunalarning degradasiya jarayonlari kuzatildi. Fotoelementlarning alyumindan tayyorlangan katod moddasi suv va kislorod molekulalarining o‘zaro diffuziyasi ta’sirida oksidlanishi hisobiga P3HT:PCBM va P3HT:ITIC tarkibli OQElar faol qatlami hamda katod materiali orasidagi energetik sathlari o‘zgarishi natijasida namunalarining EO‘S keskin kamayishiga sabab bo‘lishi aniqlandi.