Namangan davlat universiteti fizika kafedrasi

§ 2.3. Organik quyosh elementlarining optik va fotoelektrik parametrlarini aniqlash

OQE qurilmalaridagi qo‘llanilgan materiallar va yupqa faol qatlamlarning xususiyatlarini tavsiflash uchun UB-ko‘rinadigan diapazondagi yutilish spektrlari keng qo‘llaniladi [141; s. 64-68, 142; s. 483-485, 143; s. 138-143]. Yupqa qatlamlarning UB-ko‘rinadigan sohadagi spektrlari, shuningdek, plyonkalardagi kompozit materialga tegishli muhim fizik ma’lumotlarni olish uchun ishlatiladi. Yupqa qatlamning yutilish spektrlaridan olinadigan natijalardan faol qatlamning ta’qiqlangan soha kengligi aniqlash mumkin. Chunki, yorug‘lik to‘lqin uzunliklarining ma’lum bir diapazonida materiallar tomonidan yutilishi elektron o‘tishlarga tegishli bo‘ladi [144; s. 117-153]. Beyer qonuniga binoan, muhitning optik zichligi A, muhitga tushayotgan yorug‘lik I₀ va muhitdan o‘tgan yorug‘lik I intensivliklari bo‘lib, bu 2.1 tenglamada ifodalangan.
(2.1)
bu yerda T – materialning optik o‘tkazuvchanlik koeffisiyenti yorug‘lik to‘lqinining funksiyasi sifatida A ning chiziqli yutilish spektrini aks ettiradi. Ushbu tadqiqot ishida yupqa qatlamlarning yutilish spektrlari UV-1280 (Shimadzu, Yaponiya) spektrofotometri yordamida 190-1100 nm spektral sohada o‘lchangan. Bu asosan yorug‘lik manbai va detektor optikasidan iborat. 2.4-rasmda UV-1280 spektrofotometrining asosiy komponentlari sxematik tasviri keltirilgan. Spektrofotometrning o‘lchov xatolik darajasi ± 0,01 % ni tashkil etadi.

2.4 - rasm.Oddiy UB-ko‘rinadigan soha spektrometrining asosiy qismlari sxemasi
Fotolyuminessent (FL) spektroskopiya usuli yordamida yupqa qatlamlarda yorug‘lik yutilishi natijasida zaryadlarning fotomajburiy tashilishi va energetik satxlar o‘rtasida elektron o‘tishlariga oid qimmatli ma’lumotlarni olish mumkin. FL spektroskopiyaci OQElar sohasidagi yupqa qatlamlar va nanoo‘lchamli tuzilmalarni tavsiflash jarayonida nanostruktura tuzilmalarini buzmagan holda natijalar olish mumkin bo‘lgan usul sifatida keng qo‘llanilmoqda [146; s. 3138-3142, 147; s. 158-154, 148; s. 50].
Fotolyuminessensiya (FL) - bu fotonlarning har qanday turdagi moddalarda yutilganidan so‘ng qayta nurlanish hisobiga yorug‘lik nurlarining chiqishidir. Fotolyuminessensiya jarayonida yorug‘lik fotoelementda yutilib fotomajburiy qo‘zg‘alish hisobiga zaryad tashuvchilarni yuqori elektron holatiga o‘tadi va ortiqcha energiya qisqa vaqt (10^-8-10^-12 s) oralig‘ida nurlanish ko‘rinishida chiqarilib jarayon so‘ngida zaryad tashuvchilar yana boshlang‘ich quyi energetik sathga qaytadi. Ushbu jarayon orqali hosil bo‘lgan yorug‘lik lyuminessensiya nurlanishi yoki fotolyuminessensiya hisoblanadi. Bugungi kunda FL spektroskopiya tahlili nanomateriallar, yarimo‘tkazgichlar, fotovoltaikalar va turli xil quyosh elementlarining rivojlanishiga katta hissa qo‘shmoqda [149; s. 1800242].

2.6 - rasm Fotolyuminessensiya nurlanishining hosil bo‘lishi.
Yutilish va nurlanish vaqti sharoitga qarab femtosekundlarda va undan yuqori vaqt masshtablarida ham bo‘lishi mumkin, masalan, erkin tashuvchilaridan iborat noorganik yarim o‘tkazgichlarda femtosekundlarda, molekulyar tizimlar esa fosforessensiya jarayoni millisekundlarda kechadi. Fotolyuminessensiyani ma’lum bir energiyada kuzatish, elektronning ushbu o‘tish energiyasi bilan bog‘liq bo‘lgan qo‘zg‘algan holatdan turg‘un holatga qaytishi sifatida ifodalash mumkin (2.6-rasmda ko‘rsatilgan).
Donor/akseptor aralashmasi holatida faol qatlamlar tomonidan FL spektrlarning so‘nishi, zaryadlarning polimerdan kichik molekulaga o‘tishidan dalolat beradi. Quyosh elementlarida yorug‘lik yutilishida hosil bo‘layotgan FLni intensivligining kamayishi ushbu elementda zaryadlar tashilishi uchun sarflanayotgan energiyaning ortganini bildirib, FLni intensivligining to‘liq so‘nishi samarali OQE uchun ideal holat hisoblanadi. Yupqa plyonkali faol qatlamlarning FL spektrlari yordamida zaryad uzatish dinamikasini tekshirish bilan bir qatorda, yupqa plyonkalar tarkibidagi kompozit materiallar o‘zaro birikib yagona polimer organik element hosil bo‘lganligini baholash ham mumkin [150; s. 299-304]. Namunalarning FL spektrlarini Renishaw 2000 (Buyuk Britaniya) spektrometri yordamida tadqiq qilindi. Shuningdek, Ocean optics spektrometri yordamida ham natijalar olindi. Spektrometrlarning xatolik darajasi ±1% tashkil etadi. Namunalarning FL spektrlarini olish uchun namunaga 532 nm to‘lqin uzunligidagi 5 mVt quvvatli lazer nurlanishi yo‘naltirilgan. 2.7-rasmda moddalarning FL spektrini hosil qilish va o‘lchashning sxematik ko‘rinishi tasvirlangan. FL qiymatlari nisbiy deb olindi sababi, chiqayotgan FL nurlanishini barchasini qayd qilish imkoni mavjud emas, shu sababdan bu tushayotgan yorug‘lik intensivligiga nisbatan olinadi. Agarda integral sfera bo‘lganda to‘la FLni qayd qilish mumkin bo‘lar edi.

2.7 - rasm. FL spektrini o‘lchash qurilmasining sxemasi
Quyida shisha/ITO taglikning FL spektr intensivligi keltirilgan.

2.8 - rasm. Shisha/ITO taglikning FL intensivligi

Tayyorlangan kichik o‘lchamli OQE yorug‘lik energiyasini elektr energiyasiga o‘zgartirilishdagi kvant va energetik samaradorligini aniqlash shuningdek optik tadqiqotlar orqali olingan tajriba natijalari va fotoelektrik parametrlar orasidagi bog‘liqliklarni aniqlash maqsadida fotoelektrik xususiyatlari ham tadqiq qilindi. OQE larning fotovoltaik parametrlari tadqiq qilish uchun katod qatlami Al materialini vakuumli bug‘latish usulida yotqizilgan bo‘lib, bu jarayonlar Xitoy Fanlar Akademiyasi Bioenergiya va biojarayonlar texnologiyalari ilmiy tadqiqot instituti ilmiy xodimi (2016-2020 yillarda faoliyat yuritgan) (Ph.D) Saparbayev A.A. tomonidan o‘lchangan.

OQElarning fotovoltaik parametrlarini havo massa koeffisenti 1.5 (AM1.5) bo‘lgan sharoitida sinab ko‘rish standart hisoblanadi. AM1.5 standarti bu zenitdan 48,2° qiyalik burchak ostida dengiz sathidagi atmosferada (O₂, N₂, CO₂ va H₂O) quyosh nurini yutishiga teng bo‘lgan yorug‘lik intensivligini aniqlaydi (2.9-rasm).

2.9 - rasm. AM1.5 standartda Quyosh spektri intensivligi
Tadqiqot ishida ushbu spektr kenglikdagi yoritish holatini hosil qilish uchun ksenonli cho‘g‘lanma lampa va AM1.5 filtridan iborat quyosh simulyatoridan foydalanildi. Ksenonli lampa kerakli to‘lqin uzunligi sohasida (300-1000 nm) juda keng, yuqori intensivlikli spektrga ega va shuning uchun AM1.5 yoritish holatini yaratish uchun ideal yorug‘lik manbai hisoblanadi. AM1.5 filtridan nurni o‘tkazish orqali AM1.5 spektriga yaqin 100 mVt/sm² yorug‘lik intensivlikdagi spektri hosil qilingan. Yaratilgan sun’iy quyosh spektri nurlanishida qurilmaning I-V xarakteristikalari Keithley 2420 (AQSH) voltamometri yordamida o‘lchandi. Qurilma xatolik darajasi ±5% ni tashkil etadi. Eksperimental sxema 2.10 (a) rasmda ko‘rsatilgan.
2.10 b-rasmda OQE qurilmasining tipik I-V xarakteristikalari ko‘rsatilgan. Ushbu bog‘liqlikdan biz qisqa tutashuvdagi tok kuchi oqim zichligini (J_sc) va ochiq zanjir kuchlanishni (V_oc), shuningdek Fill faktori koeffisiyentini (FF) quyidagicha formula yordamida aniqlanadi:




2.10 - rasm. OQElarning fotoelektrik parametrlarini o‘lchov qurilmasining sxemasi va OQEning volt-amper xarakteristikasi
Bu yerda P_max - 2.10 b-rasmdagi to‘rtburchak soxa bilan tasvirlangan yuza hosil bo‘layotgan maksimal quvvatni ifodalaydi. Quvvatni o‘zgartirish samaradorligi (η) quyidagicha hisoblanadi:

Bu yerda P₀- OQEning yuzasiga tushayotgan yorug‘lik quvvati, bu yuqorida tavsiflangan standart AM1.5 sinov sharoitida 100 mVt/sm² ga teng.
Shuningdek, tadqiqot ishida tagliklar ustiga qoplangan faol va bufer qatlamlar qalinliklari Veeco Dektak 150 profilometri yordamida o‘lchandi. O‘lchov usuliga ko‘ra yotqizilgan qoplamalar sirtining uzluksizligini his qilish prinsipiga asoslanadi. O‘lchash jarayonida qurilma olmos ignasi yordamida qoplama sirtida doimiy tezlikda harakatlantirish va tirnalgan sirt qalinligini raqamli signal holatiga o‘tkazish orqali bajariladi.