Namangan davlat universiteti fizika kafedrasi

III BOB. P3HT:PCVM VA P3HT:ITIC TARKIBGA EGA BO‘LGAN NANOSTRUKTURALI ARALASHMALAR ASOSIDAGI QUYOSH ELEMENTLARINING OPTIK VA FOTOELEKTRIK XOSSALARI 38
§ 3.1. P3HT:PCVM va P3HT:ITIC tarkibli yupqa qatlamlarning absorbsion (optik yutilish) xossalari. 38
§ 3.2. P3HT:PCVM va P3HT:ITIC tarkibli yupqa qatlamlarning fotolyuminessent xossalari. 44
§ 3.3. P3HT:PCVM va P3HT:ITIC tarkibli faol qatlamga ega bo‘lgan organik quyosh elementlarining fotoelektrik paramyetrlari. 49
XULOSA 58
NASHR ETTIRILGAN ISHLAR 59
FOYDALANILGAN ADABIYOTLAR RO‘YXATI 61

SHARTLI ATAMA VA QISQARTMALAR RO‘YXATI

EO‘S – Energiya o‘zgartirish samaradorligi

OQE – Organik quyosh elementi
HGO‘ – Hajmiy geteroo‘tish
TKS – Tashqi kvant samaradorligi
HOMO – Yuqori to‘ldirilgan molekulyar orbita
LUMO – Quyi bo‘sh molekulyar orbita
P3HT – Poli -3 geksiltiofen
PC₆₀BM – C60 hosilasi – 6,6-fenil-C61-butirik kislota metil efiri
PC₇₀BM – C70 hosilasi – 6,6-fenil-C71-butirik kislota metil efiri
ITIC – 3,9-bis (2-metilen- (3- (1,1-disianometilen) indanon)) - 5,5,11,11-tetrakis (4-geksilfenil) ditiyeno [2,3-d: 2 ' , 3'-d '] - s-indaseno [1,2-b: 5,6-b'] ditiofen
ITO – Indiy qalay oksidi
PEDOT-PSS – Poli (3,4-etilendioksitiofen) polistirolsulfonat
PFN – Poli [(9,9-bis (3 '- (N, N-dimetilamino) propil) -2,7-fluoren) -alt-2,7- (9,9-dioktilfluoren)]
Al – Alyuminiy
FIK – Foydali ish koeffisiyenti
IQ – Infraqizil
UB – Ulьtrabinafsha
FL – Fotolyuminessensiya

I BOB. QUYOSH ELEMENTLARINI YARATISH UCHUN ISTIQBOLLI ORGANIK MODDALAR NANOSTRUKTURALI ARALASHMALARINING OPTIK VA FOTOELEKTRIK XUSUSIYATLARI (ADABIYOTLAR SHARHI)

§ 1.1. OQEning tuzilishi va ishlash prinsipi.

Insoniyat ehtiyojida energiya iste’molini doimiy ravishda oshib borishi yangi energiya manbalarini yaratish va samarali ishlatishga qaratilgan tadqiqotlarni olib borish vazifasini qo‘ymoqda. Bugungi kunda energiyaning ana’anaviy manbalari – neft, gaz, ko‘mir va boshqa qazilma yoqilg‘ilar bilan bir qatorda quyosh energiyasidan keng foydalanish bo‘yicha katta ilmiy va amaliy ishlar bajarilmoqda. An’anaviy turdagi energiya manbalarini keng ishlatish tufayli vujudga kelgan oqibatli muammo - yoqilg‘idan foydalanishda atmosferaning ifloslanishi va “global isish” yaqqol namoyon bo‘lmoqda.
Energiyaga bo‘lgan oshib borayotgan talablarini qondirishda quyosh energiyasidan keng foydalanish yuqorida ko‘rsatilgan muammolarni hal etishning samarali yo‘llaridan biri hisoblanadi. Xalqaro energiya iste’moli bozorida talab oshib borayotgan qayta tiklanuvchi energiya manbalari: gidroenergetika, shamol yoki biomassa energiyasi qatorida quyosh energiyasi alohida o‘rin egallaydi [10; s. 1167990]. Hozirgi kunda quyosh energiyasidan foydalanishning uchta asosiy usuli mavjud:
1) O‘simliklardagi fotosintez jarayonida quyosh energiyasini biologik energiyaga aylantirish;
2) Quyosh energiyasini yig‘ib, uni issiqlik energiyasiga aylantirish;
3) Fotovoltaik qurilmalarda (quyosh elementlarida) quyosh energiyasini bevosita elektr eyergiyasiga aylantirish.
Quyosh elementida quyosh nuri energiyasi (aniqrog‘i ushbu nur spektrining bir qismidagi energiya) fotoelektrik yoki fotokimyoviy effekt ta’sirida elektr energiyasiga aylanadi. Bu qurilma fotovoltaik qurilma deb nomlanadi. Bunday qurilmalar quyidagi turlarga bo‘linadi: noorganik quyosh elementlari, noorganik-organik gibrid quyosh elementlari va organik quyosh elementlari. Ushbu turlarga ajratish qurilmalarda ishlatiladigan eng muhim materiallarga asoslanadi.
Birinchi va eng keng ishlatiladigan quyosh elementi – noorganik quyosh elementi bo‘lib, u yigirma yildan ko‘p vaqt davomida quyosh energetikasida yetakchi pozisiyani egallab kelmoqda. Laboratoriya sharoitida bunday qurilmalarda erishilgan energiya o‘zgartirish samaradorligi 45%dan oshdi [3; s. 626-632]. Ammo noorganik quyosh elementlarini ishlab chiqarish bir qator serxarajat va murakkab texnologik sharoitlarni o‘z ichiga oladi: qimmat materiallar va ularni tozalash texnologiyalari, yuqori temperatura qo‘llanishi, vakuum zarurligi va shuningdek, katta energiya sarfi va sanoat miqyosida ishlab chiqarishdagi qiyinchiliklar shular jumlasidan.
So‘nggi davrda OQElar tadqiqotchi va sanoat mutaxassislari e’tiborini tobora ko‘plab tortmoqda. OQElar oddiy dizayni va sintez usuli, murakkab bo‘lmagan ishlab chiqarish texnologiyalari, egiluvchanligi, yengilligi, sodda, chop etish usulida ishlab chiqarilishi va arzon materiallar ishlatilishi kabi bir qator ijobiy xususiyatlarga ega. Ushbu xususiyatlar OQEga tadqiqotchilar e’tiborini qaratdi va sanoat miqyosida ishlab chiqarishga oshib borayotgan qiziqish uyg‘otmoqda. OQElarning qo‘llanish sohalari kengayib borishi kundalik hayot mahsulotlaridan tortib turli yo‘nalishdagi yuqori darajadagi, ilg‘or texnologik qurilmalarda ishlatilish imkoni bilan asoslanmoqda. Bunga informasion texnologiyalar sohasi mahsulotlari, moslashuvchan va yupqa OQElar, elektr quvvat beradigan jihoz o‘rnatilgan ryukzaklar, kiyim-kechaklar, chodirlar va boshqa ko‘plab holatlarni ko‘rsatish mumkin [11; s. 50-52, 12; s. 012151, 13; s. 1058-1067].
Odatda, OQElar polimer quyosh elementlari va kichik molekulali quyosh elementlari kabi ikki turga bo‘linadi. Polimer quyosh elementlari sohasidagi yutuqlar uzoq vaqt davomida tadqiqotchilar tomonidan sanoat miqyosida ahamiyatiga ega bo‘lgan sa’y-harakatlarni talab qildi. Laboratoriya bosqichida polimer quyosh elementlarining samaradorligi 18%ga [14; s. 1-10] yetishiga qaramay, sanoatda muvaffaqiyatli qo‘llash uchun hali ko‘plab ishlarni amalga oshirish zarurdir. Ayni vaqtda polimer quyosh elementlarida yuksak energiya samaradorlikka ega bo‘lishi, barqaror ishlashi va sanoat miqyosida iqtisodiy asoslangan ishlab chiqarish shart-sharoitlarni yaratish uchun yanada optimal texnologiyalarni ishlab chiqish zarur.
Aqlli texnologiyalar va ilg‘or sanoat dasturlari asosida polimer quyosh elementlari ishlab chiqarishni yanada mukammallashtirish uchun bu sohada ko‘proq fundamental ilmiy va amaliy tadqiqotlar talab etiladi. Bunday tadqiqotlarda, albatta, polimer quyosh elementlari uchun faol qatlam donor materialining dizayni, sintezi, optik va fotoelektrik xususiyatlariga e’tibor qaratish kerak.
Organik yarimo‘tkazgichlarning elektron xossalari bog‘langan π-elektronlar mavjudligidan kelib chiqadi [16; s. R179-250]. Odatdagi organik yarimo‘tkazgichlar bog‘langan polimerlar hisoblanadi. Bog‘langan polimerlarda, masalan, poliasetilenda, o‘zgaruvchan bitta va ikkita takrorlanuvchi uglerod-uglerodli bog‘lanishlar mavjud (1.1-rasm).

1. 
   - rasm. Poliasetelen zanjiridagi bir va ikkitali bog‘lanishlar.
   

Organik yarimo‘tkazgichlar odatda uglerod atomlarining o‘zgaruvchan bitta va juft bog‘lanishlaridan iborat. Maxsus konfigurasiyalardan biri bu etan molekulasidagi kabi sp2-gibridlangan orbitallardir. sp2-gibridlanishiga kelsak, σ-bog‘lanishlar bitta tekislikda uglerod-uglerod va uglerod-vodorod atomlari orasidagi sp2-orbitallarning o‘zaro to‘qnashuvi natijasida hosil bo‘ladi va gibridlanmagan pz -orbitallar ikkita uglerod atomlari o‘rtasida p-bog‘lanish hosil qiladi. Ikkala uglerod atomining sp2-orbitallari ustma-ust tushganda, bog‘lanish va birikishga qarshi holat hosil bo‘ladi. Bog‘lanish qarshi σ -bog‘lanishlarning energetik farqi nisbatan katta, bunga zid ravishda pz-orbitallardan hosil bo‘lgan σ -bog‘lanishlar σ -bog‘lanishlar tekisligida kuchli delokalizasiya qilinadi. Bu yarimo‘tkazgich xususiyatlari uchun juda muhimdir, chunki yuqoridagi konfigurasiya energiya bo‘shliqlarini ta’minlaydi.
Bog‘langan polimerda har bir uglerod atomi qo‘shni atomlar bilan ikkita σ –bog‘lanishni hosil qiladi, ularda har bir σ – bog‘lanish sp²-gibridlangan elektron orbitalarini o‘zaro bog‘lash natijasida hosil bo‘ladi va yana bir vodorod atomi yoki o‘rnini bosuvchi bilan σ – bog‘lanish hosil qiladi. Natijada, to‘rtta elektrondan uchtasi σ – bog‘lanishlarini hosil bo‘lishida ishtirok etadi. Qolgan bitta elektron p-orbitada qoladi, u qo‘shni atomlarning p-orbitalari bilan qoplanib, σ – bog‘lanishlarni hosil qiladi. Ushbu p-orbitallarning o‘zaro ustma-ust tushishi σ –elektronlar bog‘langan polimer zanjiri bo‘ylab tartibsiz joylashishiga olib keladi [17; s. 88].
π – elektronlarning energiya holatlari spektri elektronlar bilan to‘ldirilgan va bo‘sh qismlardan iborat. Organik yarimo‘tkazgichlardagi energiya sathlari molekulyar orbitalar deb ataladi. Eng yuqori to‘ldirilgan molekulyar orbital (HOMO) va eng quyi bo‘sh molekulyar orbital (LUMO) energetik ta’qiq soha (zona) bilan ajralib turadi. Organik yarimo‘tkazgichlarda bunday energetik ta’qiq sohasi kengligi 1 dan 4 eV gacha bo‘ladi. π – elektronlar tizimi biriktirilgan polimerlarda yorug‘lik nurini yutish va chiqarish, zaryad tashuvchilarni hosil qilish va tashish kabi jarayonlar uchun javobgardir (1.2-rasm).

1.2 - rasm. Bog‘langan organik molekulaning modeli (a), poliasetelenning energetik sohalari (b).
Organik yarimo‘tkazgichlar ko‘p jihatdan noorganik yarim o‘tkazgichlarga o‘xshab ketadi, ammo farqlar ham mavjud. Ushbu farqlardan biri shundaki, organik yarimo‘tkazgichda yorug‘lik kvanti yutilganda molekulalarning issiqlik energiyasi, kTdan ancha yuqori bo‘lgan bog‘lanish energiyasiga (0,5 eV) ega bo‘lgan bir biriga bog‘langan elektron va kovakdan iborat eksiton paydo bo‘ladi [18; s. 623-626]. Bu xolatda eksitonning termik dissosiasiyalanishi ehtimoli juda kichik. Noorganik yarimo‘tkazgichlarda esa eksitonning bog‘lanish energiyasi, kT bilan miqdor jixatdan bir tartibida yoki undan ham kam bo‘ladi. Shuning uchun ularda yorug‘lik kvantlari ta’sirida eksitonlar emas, balki bevosita erkin elektronlar va kovaklar hosil bo‘ladi.
Noorganik va organik yarimo‘tkazgich materiallarning yana bir farqi – bu ulardagi turli xil o‘tkazuvchanlik mexanizmlari va zaryad tashuvchilar harakatchanligining son qiymatlarida. Ko‘pgina noorganik yarimo‘tkazgichlar uchun elektronlar va kovaklarning harakatchanligi 0,01 dan 10 m²/(V*s) oralig‘ida bo‘ladi [19; s. 52]. Organik yarimo‘tkazgichlarda esa o‘tkazuvchanlik zaryadlarni molekuladan molekulaga sakrashi hisobiga sodir bo‘ladi, ya’ni zaryad tashuvchilarni xarakati eng yaqin ikki molekulaning lokalizasiyalangan energetik holatlari o‘rtasida biridan ikkinchisiga sakrash orqali vujudga keladi.
OQElarning ishlash prinsipida to‘rtta asosiy jarayon bor: 1.3-rasmda ko‘rsatilgandek, eksitonlarni hosil bo‘lishi, eksitonlar diffuziyasi, eksitonlar dissosiasiyasi va zaryadlarni uzatish/yig‘ish. Bundan tashqari, OQEning shakllantirish, pastdan yuqoriga qarab, shisha (odatda kvars shishasi) taglik ustida indiy-qalay oksidi, ITO – anod sifatida, poli(3,4-etilenedioksitiofen) polistirol sulfanat (PEDOT:PSS) kovaklarni o‘tkazuvchi hamda elektronlar uchun to‘siq vazifasini bajaruvchi qatlam va donor-akseptor materiallaridan tarkib topgan faol qatlamdan iborat. Katodni modifikasiyalash (optimallashtirish) qatlami sifatida chiqish ishi kichik bo‘lgan kalsiy, alyuminiy yoki boshqa barqaror metallar ishlatiladi.

1.3 - rasm. OQEning ishlash prinsipi (a) va tuzilishi (b).