Namangan davlat universiteti fizika kafedrasi

4. Zaryadni uzatish va yig‘ish. OQEda energiya o‘zgartirishning ushbu bosqichi elektronlar va kovaklarni bir biridan fazoviy ajratishning navbatdagi qismi bo‘lib, unda zaryadlar harakatlana boshlaydi va ularning musbat va manfiy elektrodga tomon harakati natijasida fototok hosil bo‘ladi. Ba’zi xollarda, masalan donor yoki akseptor materialida strukturaviy nuqsonlar (defektlar) bo‘lsa zaryadlar rekombinasiyasi tufayli tok hosil qilmaydi. Bunday nuqsonlar butun fotovoltaik jarayonni yomonlashishiga va elektron, kovaklarni musbat va manfiy elektrodga bo‘lgan harakatiga to‘sqinlik qilib, fototok generasiyasiga xalaqit beradi. Shunday qilib, elektronlar va kovaklarning uzluksiz harakati OQEda energiya o‘zgarishi samaradorligini shakllanishida eng muhim omillardan biri hisoblanadi.
OQEning ishlash prinsipidagi yuqorida bayon qilingan asosiy bosqichlarini umumlashtirib, qurilmaning EO‘Sini oshirishda har bir bosqichning muhim o‘rnini ta’kidlash lozim. Yuqoridagilarni hisobga olib quyidagi xulosalarni qilish mumkin:
1) OQE faol qatlamining yutilish spektri va yutilish koeffisiyenti uning samaradorligini aniqlovchi birlamchi omildir.
2) Donor va akseptor materiallarining HOMO va LUMO energiyalari optimal darajadagi V_oc va J_scga erishish uchun aniqlovchi parametrlar hisoblanadi.
3) OQEda donor va akseptor materiallarni (fazalarni) nanoo‘lchamlargacha o‘zaro aralashib ketgan faol qatlam morfologiyasi quyosh energiyasini elektr energiyaga yuksak samara bilan o‘zgartiritish uchun muhim xolatdir.

§ 1.2. Organik quyosh elementni shakllantirish usullari

Organik materiallarning nanostrukturali aralashmasi asosidagi OQElar turli xil metodlar bilan shakllantiriladi: aylanib turuvchi taglikka o‘tkazish, issiqlik yordamida cho‘ktirish, kimyoviy usul yordamida o‘z-o‘zini yig‘ish, qatlamlarni ketma-ket yig‘ish va x.k. Ishlab chiqarish texnologiyalariga qarab, shakllantirilgan qatlamlarning sifati, qalinligi, nanostrukturasi, barqarorligi va qoplamaning xususiyatlari farqlanadi [28; s. 38-44].
Organik elektronika uchun, odatda, egiluvchan va moslashadigan, ishlatishga qulay, arzon materiallar aralashmasidan tayyorlangan funksional qatlamlar ishlatiladi. OQEning faol qatlamini olish uchun an’anaviy usullar xam keng qo‘llaniladi, masalan, “termik o‘tqizish” usuli, syentrofugalash (spin coating) yoki “tig‘” usuli. Bugungi kunda OQElarni sanoat miqiyosida ishlab chiqarish uchun istiqbolli deb topilgan usul – bu qavatma-qavat qoplash texnologiyasi (R2R), shu jumladan bosma usulida ishlab chiqarishdir [29; s. 537-550].
Organik materiallardan yupqa faol qatlamni shakllantirish ilk bor Tang qo‘llagan vakuumda termik o‘tqizish usulida bajarilgan edi [30; s. 183-185]. Ushbu usul ilgari noorganik yupqa qatlamlarni olish uchun ishlatilgan. Bu usulning asosiy kamchiligi – unda yuqori harorat va yuqori vakuumdan foydalanish zaruriyati bo‘lib, bu talab ishlab chiqarish tannarxini keskin oshiradi. Shu bilan birga, tayyorlash jarayonida faol qatlam qalinligi va strukturasini nazorat qilish imkonini bermaydi.
Organik qatlamlarni shakllantirishning eng oddiy usuli – bu eritmani cho‘ktirish hisobiga yupqa qatlam hosil qilish yoki “quyish” usuli. Bu usul juda oddiy bo‘lib, tegishli moddaning eritmasini taglikka quyish va quritishdan iborat [31; s. 221-225]. Ushbu usulning asosiy afzalligi – unda gorizontal ravon tekislikdan tashqari xech qanday boshqa vosita yoki uskuna talab qilinmaydi. Ammo “quyish” usulini qo‘llash faol qatlamning tarkibiy moddalarini organik erituvchilarda yaxshi eruvchanligini talab qiladi, aks holda qatlam qalin va bir xil bo‘lmay shakllanadi.
OQE faol qatlamini olishning eng keng tarqalgan laboratoriya usullaridan biri syentrofugalash yoki “spin coating” hisoblanadi [32; s. 174-201]. Bu metod kichik yuzalarda xam yuqori darajada bir xillikdagi qatlamlar olish imkonini beradi (1.4-rasm). Uning mohiyati faol qatlam tarkibiy moddalarining eritmasini ma’lum bir tezlikda aylanadigan taglikka o‘tqizishdan iborat. Taglik aylanayotganda suyuqlikning asosiy qismi markazdan qochma kuch hisobiga tashqariga chiqib ketadi va eritilgan moddadan iborat yupqa qatlam shakllanadi. Qatlamning qalinligi, strukturasi va sirt sifati taglikning aylanish tezligiga, erituvchi va eritma konsentrasiyasiga bog‘liq. Ushbu texnologiyaning kamchiliklariga, asosan, materialning ko‘p miqdorda sarflanishi (taglikka eritilgan moddaning 5-10%gina yotqiziladi), shuningdek yo‘naltirilgan molekulyar qatlamlarni olishning imkoni yo‘qligi kiradi [33; s. 704].

1.4 - rasm. Syentrafugalash (spin coating) usulda yupqa qatlam olish.
OQE faol qatlamini olishda istiqbolli usullaridan yana biri – ma’lum bir qalinlikdagi qatlamni shakllantirishga imkon beradigan “tig‘” usuli [34; s. 138-145]. “Tig‘” usulidan foydalanilganda o‘tkir tig‘ taglik yuzasidan ma’lum masofada o‘rnatiladi (odatda 10 – 500 mikron) (1.5-rasm). Tig‘ oldiga o‘tkaziladigan moddaning eritmasi quyiladi, shundan keyin tig‘ yoki taglik gorizontal tekislikda siljiydi va shu bilan organik material qatlami hosil bo‘ladi. Ushbu usul “rulon” texnologiyasiga juda mos keladi. Bu usulning kamchiligi shundaki, har bir materialni o‘tqazish uchun maxsus shartlarini alohida tanlash kerak. Bundan tashqari, qalinligi 1 mkmdan kam bo‘lgan, funksional molekulalarning o‘ziga xos tuzilishi va tartibiga ega bo‘lgan qatlamlarni ushbu usulda olib bo‘lmaydi.

1.5 - rasm. “Tig‘” usuli yordamida yupqa qatlam olish.
“Rulon” texnologiyasi – bu fotovoltaika uchun egiluvchan va moslashuvchi qurilmalar ishlab chiqarishga mos jarayon bo‘lib, unda faol qatlam egiluvchan plastmassa yoki metall folga ruloni holidagi taglikka o‘rnatiladi [37; s. 465-475]. Faol qatlamni o‘tkazishning ushbu usuli arzon organik fotoelektrik qurilmalarni sanoat miqyosida ishlab chiqarishda ayniqsa istiqbolli hisoblanadi. Ushbu texnologiyani takomillashtirish ustida hali ishlar davom etmoqda. Faol qatlam uchun yangi organik materiallarni izlashda va laboratoriya namunalarini tayyorlashda “rulon” texnologiyasi katta samara bermaydi.
Rulonlab tayyorlash metodidan foydalangan holda yupqa organik qatlamlarni tayyorlashning turli mexanizmlari 1.6-rasmda keltirilgan. Chuqur bosma usuli: eritma tishli metall bosma valikidan egiluvchan taglikka joylanadi, ortiqcha eritma tig‘ bilan tozalanadi. 1.6-rasmda “Slot Die” usuli bilan yupqa qatlamni shakllantirish usuli ko‘rsatilgan. Jarayon, funksional molekulalar eritmasini tortishish kuchi yoki bosim ostida harakatlanuvchi taglikka yoriq orqali hajmdan siqib chiqarishdan iborat. Bunday holda qo‘llash shartlarini tanlab, yoriqning kengligidan ancha yupqa qatlamlar olish mumkin. Cho‘ktirish yoki botirish usuli bilan qatlamlarni shakllantirishda (Dip coating) taglik materialni eritmaga botiriladi va keyin yuqoriga qarab tortiladi. Shu sharoitda yupqa qatlam taglik ustiga yotqiziladi va ortiqcha eritma yana pastga oqib tushadi.

1.6 - rasm. Organik moddalar qatlamini rulonlab tayyorlashning turli usullari: a) “Gravure coating”, b) “Slot Die”, v) “Dip coating”.