Namangan davlat universiteti fizika kafedrasi

§ 1.3. Organik quyosh elementining faol qatlami uchun materiallar va ularning optik xossalari.

OQElarning faol qatlami uchun yangi, istiqbolli materiallarni yaratish ularni tijoratlashtirishda yetakchi rol o‘ynaydi. Faol qatlam uchun maqbul material qurilma samaradorligini oshirish, uning barqaror ishlashi va narxini pasaytirish imkonini beradi. Bundan tashqari, sanoat ishlab chiqarishga qo‘yiladigan talablarni qondirish uchun materiallarni loyihalashtirishda bir qator qo‘shimcha talablar hisobga olinishi kerak. Bugungi kunda faol qatlam materiallarning fotovoltaika uchun eng muhim xossalari – yuqori EO‘Sni ta’minlovchi, qalinlikka bog‘liq bo‘lmagan fotoelektrik parametrlar, qo‘shimcha ishlovsiz, ekologik toza eritma moddalar bilan ishlatilish imkoni va yuqori barqarorlik, arzon ishlab chiqarish narxlaridir.
Bundan tashqari, OQElarda donor va akseptor sifatida ishlatiladigan materiallar bir vaqtda bir nechta shartlarni bajarishi talab qilinadi. Quyosh nurning keng spektridagi energiyani samarali yutish uchun donor polimerining HOMO va LUMO molekulyar orbitallari orasidagi ta’qiq soha tor bo‘lishi kerak. Organik aralashmada donor va akseptor materiallarining yaxshi aralashuvchanligi, shuningdek aralashmani qayta ishlanishini va uning morfologiyasiga ta’sir ko‘rsatadigan tarkibiy moddalarning yetarlicha aralashishi talab qilinadi [40; s. 269-298].
Bu shartlardan tashqari, zaryad tashuvchilarning yuqori harakatchanligini ta’minlovchi polimer zanjiri yo‘nalishida harakatlanish muhim shart hisoblanadi. Zaryad tashuvchilar harakatchanligi aralashmaning ichidagi polimer zanjiri yo‘nalishi va makromolekulalar joylashishini o‘zlari qaytadan tashkil etishiga bog‘liq [41; s. 699-708]. Kimyogarlar, hozirgi vaqtda, polimerlarga biriktirilgan yon zanjirlar yoki kichik molekulalarni kimyoviy tuzilishini boshqarish orqali ularni bunday o‘zini qaytadan tashkil etishga ta’sir ko‘rsatuvchi mexanizmlarni topganlar va ushbu strategiya asosida ko‘plab yangi istiqbolli organik materiallar ishlab chiqilgan [43; s. 7006-7043].
Yuqori EO‘Sga erishish doimo fotovoltaik sanoati uchun muhim omil bo‘lib hizmat qilgan. Faol qatlam uchun donor va akseptor materiallar OQEning quyidagi xususiyatlari nuqtai nazardan tanlanishi lozim:
a) yuqori ekstinksiya koeffisiyentiga ega bo‘lishlari va quyosh nuri spektrini keng qamrab olishlari;
b) donor va akseptor materiallar molekulyar orbitallarining energetik jihatdan o‘zaro mosligi;
v) nanoo‘lchamli sohalarda donor va akseptor materiallarini (fazalarni) o‘zaro ajralishi va ularni yuqori darajada kristallanishi;
d) zaryad tashuvchilarning yuqori harakatchanligi.
Eruvchan C60 hosilasi – 6,6-fenil-C61-butirik kislota metil efiri (PC₆₁BM) va unga o‘xshash C70 hosilasi – 6,6-fenil-C71-butirik kislota metil efiri (PC₇₁BM) yuqori samarali OQElar yaratish uchun istiqbolli akseptor hisoblanadi. (1.7 rasm).

1.7 - rasm. Istiqbolli aksertor materiallar: a) 6,6-fenil-C61-butirik kislota metil efiri (PC₆₁BM) va b) 6,6-fenil-C71-butirik kislota metil efiri (PC₇₁BM) [45; s. 106305].
OQEning yuqori samaradorligini ta’minlovchi donor materiallarni izlashda 2005 yilda Yang va uning hamkasblarini [46; s. 864-868] poli(3-geksiltiofen) (P3HT) va PC₆₁BMning aralashmasini faol qatlam materiallari qilib ishlatishga undadi. Bu izlanish o‘sha paytda, 2005 yildagi natija uchun OQElar uchun eng yuqori samaradorlik – 4,4%ga yetishishga imkon berdi. Tadqiqotchilar OQE faol qatlami eritmadan qattiq holat ko‘rinishida shakllanishida qurilmaning aylanish tezligi juda muhim rol o‘ynashini aniqladilar. Deyarli shu vaqtda Heyeger va uning hamkasblari P3HT:PC₆₁BM aralashmasining yupqa qatlamini termik qizdirganda uning morfologiyasi optimallashib, EO‘Sni 5% gacha oshirdilar.
Umuman olganda, polimerlarni OQElar yaratish maqsadida ishlatishda, asosan, ularning uch guruhi o‘rganilgan: poli(1,4-fenilen vinilen) (PPV) asosidagi polimerlar, politiofen asosidagi polimerlar va kichik ta’qiq sohali polimerlarning umumiy guruhi (odatda 2 eV dan kichik bo‘lgan ta’qiq sohali polimerlar deb nomlanadi).

Turli xil polimerlar guruhi asosidagi OQElarda aniqlangan EO‘S va ulardagi faol qatlamlarning energiya ta’qiq sohasi kengligi.

1.1 - jadval

Polimerlar guruhi	Polimerlar			Yuqori EO‘S		Ta’qiq soha eV
PPV asosli polimerlar	MDMO-PPV			3.0%		2.2
Politiofen asosli polimerlar	P3HT			7.4%		1.85
Kichik ta’qiq sohali polimerlar	Fulleren/Karbazol asosli polimerlar	PCDTBT	6.1%		1.88
	Siklopenditiofen asosli polimerlar	PCPDTBT	6.04%		1.75
	Benzoditiofen asosli polimerlar	PTB7	9.2%		1.6

Qurilmada aniqlangan EO‘S va uni shakllantirishda ishlatilgan polimerlarning energiya ta’qiq sohasi 1.1 - jadvalda keltirilgan [48; s. 1990-2052].

PPV asosidagi polimerlar OQE yaratish uchun o‘rganilgan dastlabki bog‘langan polimerlardan biri bo‘lib, MDMO-PPV bu guruhdagi eng muhim polimer hisoblanadi; ushbu polimerdan tayyorlangan qurilmalarda samaradorlik 3,0%ga erishilgan [50; s. 3493-3497]. 2003 yildan boshlab politiofen asosidagi donor polimerlarga xam katta e’tibor berilmoqda. Ushbu sinfdagi eng taniqli P3HT polimeri o‘zini-o‘zi tartiblashtirishi mumkinligini namoyish etdi [53; s. 8319-8328] (1.8-rasm).

1.8 - rasm. Donor polimerlari: a) P3HT o‘zini-o‘zi tartiblashtiruvchi polimer zanjiri [54; s. 03010-1-03010-4], b) MDMO:PPV polimeri [55; s. 9]
P3HT asosidagi OQElar uchun tipik samaradorlik taxminan 3% ni tashkil etadi [44; s. 3597-3602]. Boshqa OQElarni optimallashtirish bilan bir qatorda fulleren inden-C60-bisadukt (ICBA) bilan aralashtirilgan P3HTdan tayyorlangan OQE uchun maksimal EO‘S 7,4%ga yetkazilgan [56; s. 7943-7949].
Kichik ta’qiq sohaga ega polimerlar donor polimerlarning eng yangi turidir. OQEning tegishli talablariga mos kelishi uchun, bunday polimerlarda molekulyar muhandisligi metodlari bilan asosiy zanjir, yon zanjir yoki uni o‘rnini bosuvchi atomlardagi ta’qiq sohasini o‘zgartirish mumkin. Buning muhim ahamiyati shundaki, ta’qiq soha 2 eVdan kichik bo‘lgan polimerlar to‘lqin uzunligi 620 nmdan katta bo‘lgan nurlarni xam o‘zlashtira oladi. Bu esa quyosh nurining kengroq spektridagi energiyani yutishga va natijada, yuqoriroq EO‘Sga erishishga olib keladi.
Fullerensiz elektron akseptori materiallari so‘nggi yillarda katta e’tiborni tortmoqda. 2015 yilda Chjan va uning hamkasblari [59; s. 1170-1174] hajmiy kondensirlangan yetti halqa bilan birlashtirilgan yadro va 2-(3-okso-2,3-digidroinden-1-iliden) guruhlaridan tashkil topgan elektron akseptori materiallari (ITIC) haqida xabar berishgan (1.9-rasm). OQE uchun ushbu yangi turdagi akseptor materiali an’anaviy fulleren akseptorlari bilan taqqoslaganda yorug‘likni ko‘rinadigan optik sohada yaxshi yutishi, unda elektronlar harakatchanligining yuqori darajasi va donor materiallar bilan yaxshi aralashishi bilan xarakterlanadi. Donor sifatida PTB7-Th va akseptor sifatida ITICdan foydalanilganda OQEning samaradorligi 6,8%ga yetadi.



1.9 - rasm. 2-(3-okso-2,3-digidroinden-1-iliden) - ITIC molekulasining strukturasi [60; s. 290-293].
Dastlabki natijalar shuni ko‘rsatdiki, kondensirlangan halqa asosidagi ikki bo‘lak molekulyar strukturali ITIC yuqori samarali OQElar uchun fullerenlarga muqobil akseptor material bo‘lib xizmat qilishi mumkin. ITIC:PTB7-Th asosidagi OQEdagi nisbatan past samaradorlik ochiq zanjir kuchlanishi (V_oc) va to‘ldirish faktori (FF)ning kichik qiymati, donor va akseptor materiallarning molekulyar orbitallari energiya farqi jihatdan moslik darajasining pastligi bilan tushuntiriladi. Keyinchalik, ITICning molekulyar strukturasini hisobga olib, Jan va uning hamkasblari [61; s. 4955-4961] ITICda fenil yon zanjirlar o‘rniga tiyenil yon zanjirlar bilan almashtirishdi. Hosil bo‘lgan molekula, ITIC-Thda yorug‘lik spektrining ko‘rinadigan va IQ sohalarida yanada kuchli yutilishi, molekulyar orbitallarni ko‘proq moslashishi va elektronlar harakatchanligini keskin oshganligi kuzatildi. Shuningdek, ular ITIC-Th akseptorida molekulyar orbitallarni optimallashganini va tor ta’qiq sohali (PTB7-Th) yoki keng ta’qiq sohali (PDBT-T1) donor materiallari bilan aralashuvchanligi yaxshilanganligini aniqladilar. Kutilganidek, ITIC-Th:PDBTT1 asosidagi OQElar sezilarli darajada yaxshilangan samaradorlik 9,6% qayd qilindi. Xuddi shunday yondoshuv donor materiallar va fullerensiz akseptor materiallarini tanlash va loyihalashda ham keng qo‘llaniladi.
So‘nggi o‘n yil ichida OQElar uchun yuqori samarali fotoelektrik materiallarni izlab topish, qurilma arxitekturasini optimallashtirish va katta yuzali qurilmalarni tayyorlash texnologiyalarini ishlab chiqish bo‘yicha tadqiqotlarda katta muvaffaqiyatlarga erishildi. Ushbu tadqiqotlar OQElarni keng miqiyosda tijoratlashtirishga yordam beradi. So‘nggi natijalar shuni ko‘rsatadiki, zamonaviy fotoelektrik materiallarni izlab topishdagi muvaffaqiyatlar OQElarni tijoratlashtirishni tezlashtiradi. Bugungi kunga kelib, bir o‘tishli OQElardagi rekord samaradorligi (14%) tijoratlashtirish darajasiga chiqdi. Lekin, ekologik standartlarga javob berish uchun ba’zi bir masalalar, ommaviy ishlab chiqarish texnologiyalari, shuningdek, barqarorlikka ega, arzon fotoelektrik materiallar muammosini ham hal qilish kerak. OQElarni tijoratlashtirishda muvaffaqiyatga erishishdan uchun, shuningdek, katta yuzali fotoelektrik materiallarga ishlov berish texnologiyalarini o‘zlashtirish lozim. Shuning uchun ushbu materiallar maqbul fizikaviy-kimyoviy xususiyatlarga, qalinlikka sezgir bo‘lmagan fotoelektrik xossalariga, ekologik toza erituvchida eruvchanlikka ega bo‘lishi va qo‘shimcha kimyoviy yoki fizik ishlov berishlarni talab qilmasligi kerak.
OQE faol qatlami uchun yangi materiallar izlab topish bilan bir qatorda, ushbu qurilmaning turli qatlamlari orasidagi interfeys barqaror va samarali ishlashini ta’minlovchi fizikaviy sharoitlar yaratilishi zarur. Bu xolat xam OQElarni tijoratlashtirish uchun muhim omil hisoblanadi.
Bundan tashqari, OQE materiallarining uzoq ekspluatasiya davri davomida barqarorligini har tomonlama o‘rganish zarur. Suv, kislorod/havo, ultrabinafsha nurlarning OQEning samaradorligiga ta’siri, uning issiqlik ta’siriga barqarorligini sinash ushbu qurilmalarni amalda keng foydalanish uchun muhim omil hisoblanadi.

II BOB. ORGANIK MODDALAR NANOSTRUKTURALI ARALASHMASI ASOSIDAGI QUYOSH ELEMENTLARINI YARATISH VA ULARDAGI FOTOELEKTRIK JARAYONLARNI O‘RGANISHNING EKSPERIMENTAL METODLARI.