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

§ 3.1. P3HT:PCVM va P3HT:ITIC tarkibli yupqa qatlamlarning absorbsion (optik yutilish) xossalari.

I bobda bayon etilgan turli tipdagi quyosh elementlari strukturalarining qiyosiy taxlili shuni ko‘rsatadiki, OQEning juda yupqa qatlamdan iborat faol elementi uning asosiy ustunliklaridan biridir. Organik yarimo‘tkazgich materiallarni boshqa turdosh materiallardan keskin farqlaydigan juda katta ekstinksiya (yutilish) koeffisiyenti ulardan tayyorlangan taxminan 100 nm qalinlikdagi faol qatlamda yorug‘likni deyarli to‘liq yutilishini ta’minlaydi. Bunday xolat OQElarning yuksak samarali ishlashining muhim sabablaridan biri hisoblanadi. Shu tufayli, OQElarning raqobatbardosh namunalarini yaratish uchun, qisqa davrda ularning faol qatlami uchun organik materiallardan ko‘rsatilgan qalinlikdagi qatlamlarni shakllantirishni ta’minlovchi samarali texnologiyalar yaratildi. Bunday qatlamlarning turli xil fizikaviy-kimyoviy xususiyatlarini o‘rganish va ularni nazorat ostida o‘zgartirish metodlarini ishlab chiqish OQElarning fotovoltaik parametrlarini izchillik bilan oshirish nuqtai nazardan katta amaliy ahamiyatga ega.
OQElardagi yupqa qatlamlarni tavsiflashning eng samarali uslublaridan biri - ularning optik va spektroskopik xossalarining taxlili hisoblanadi. Aksariyat organik yarimo‘tkazgich materiallar «keng energetik ta’qiq sohali» yarim o‘tkazgichlar deb hisoblanadi. Ularning yutilish spektrlarini o‘rganish, o‘z navbatida materiallar strukturasi va elektronlar energyetika sohalari haqida ko‘plab foydali ma’lumotlar beradi. Ushbu bobda istiqbolli OQE turlarini yaratishda so‘nggi davrda keng qo‘llanilayotgan organik materiallar, P3HT, PCBM va ITIClar va ularning aralashmalaridan tayyorlangan yupqa qatlamlarning yutish va fluoressensiya spektrlari hamda fotovoltaik xarakteristikalarini o‘rganish natijalari keltirilgan.
3.1-rasmda bir xil (100 nm) qalinlikdagi uchta material - PCBM, P3HT va ITICning shisha taglikka o‘tkazilgan qatlamlarining yutilish koeffisiyentining to‘lqin uzunligiga bog‘liqlik spektrlari keltirilgan. Taglik sifatida foydalanilgan ko‘p komponentali shisha/ITO (Shenzhen Display, XXR) tuzilmasi va ba’zi eksperimentlarda qo‘shimcha ravishda shisha/ITOlar ustiga bevosita o‘tkazilgan yupqa PEDOT:PSS bufer qatlamidagi yorug‘likni yutishi o‘rganilgan spektral sohaning barcha qismida PEDOT:PSS bufer qatlamning yutilish koeffisenti 0,05dan kam bo‘lganligidan kelib chiqib, rasmda ko‘rsatilgan spektrlar, mos ravishda, PC₇₁BM, P3HT va ITIC qatlamlarning yutilishga tegishli deb hisoblangan.



3.1 - rasm. PCBM (nuqtali chiziq), P3HT (uzuq chiziq) va ITIC (uzluksiz chiziq) yupqa qatlamlarining yutilish spektrlari.

3.1-rasmda keltirilgan yutilish spektri shaklidan ko‘rish mumkinki PCBMning yutilishi, yorug‘lik to‘lqin uzunligini oshishi bilan bir tekis pasayib boradi. Ushbu spektrda 380 nmli qisqa to‘lqinlarda tor, lekin kuchli va 450 nm – 600 nmlar sohasida keng, lekin kuchsiz yutilishni kuzatish mumkin. Qatlamning yutilish spektri PCBMning erkin molekulalari yutilish spektridan bunday keskin farqi qatlamda ushbu molekulalarning agregasiyalanishi bilan bog‘liq bo‘lib, bu xolat turli konsentrasiyaga ega bo‘lgan PCBM eritmalardan tayyorlangan qatlamlarning yutilish spektrlarini solishtirish orqali aniqlangan [152; s. 1262-1267].

Xuddi shu qalinlikdagi P3HT qatlamida yutilish ancha kuchliroq bo‘lib, uning spektri asosiy elektron o‘tish va uning tebranish obertonlari bilan bog‘liq, maksimumlari 510, 550 va 600 nmda joylashgan uchta pikdan iborat va bu piklarning intensivliklari nisbati bunday polimerda molekulyar tartiblanish darajasini ko‘rsatadi [153; s. 064203]. Rasmda uzluksiz chiziq bilan ko‘rsatilgan ITIC qatlamining yutilish spektri esa maksimumlari 650 nm va 700 nmda joylashgan ikkita pikdan iborat bo‘lib, ular quyosh nuri spektrining katta to‘lqin uzunliklar sohasida ushbu energiyani intensiv yutilishini ta’minlaydi.
Mutaxassislarning OQElarda elektron akseptori sifatida fullerenlarni boshqa akseptor molekulalar bilan almashtirishga intilishining bir qancha sabablari bor. Ular bunday qurilmada yutiladigan quyosh nuri spektri, yutilish intensivligi va fullerenlarning uzoq ekspluatasiya davridagi barqarorligi bilan bog‘liq.
Ma’lumki, fullerenlarning ko‘pgina istiqbolli donor polimer materiallari bilan yutilish spektrlarida bir-birlarini o‘zaro to‘ldirish imkoniyati anchagina past va bu xolat fulleren asosidagi OQElarning potensial samaradorligini cheklaydi. Shuningdek, fullerenlarni quyosh nurini yutish darajasi anchagina past bo‘lib, u faqatgina quyosh nuridagi fotonlar oqimi past bo‘lgan ultrabinafsha sohadagina sezilarli darajaga yetadi. Uzoq vaqt davomidagi barqarorlik nuqtai nazaridan fullerenlarni OQEda ishlatilishini cheklovchi omil - uning kristallanishga moyilligi: vaqt o‘tishi bilan fulleren molekulalari yig‘ilib kristall struktura hosil qilishi mumkin. Bu esa fulleren akseptorli OQElarni xizmat ko‘rsatish vaqtini keskin qisqaradi.
Nanoo‘lchamdagi kichik organik molekulalar akseptor material sifatida ushbu muammolarni hal qilish imkoniyatiga ega [154; s. 406-410]. ITIC haqiqatdan ham polimer quyosh elementlari samaradorligini pasaytiruvchi uchta yuqorida ko‘rsatilgan cheklovchi omillardan xalos bo‘lish va OQE samaradorligini yaxshilashga yo‘l ochadi.
Birinchidan, ITICning yutilish spektri P3HTni yutilish spektrini PCBMga qaraganda ancha ko‘p to‘ldiradi: bunda donor va akseptor materiallarining yutilish spektrlari optimal ravishda bir-birini o‘zaro to‘ldiradi. Bu ayniqsa, quyosh nuri fotonlari oqimi intensiv bo‘lgan katta to‘lqin uzunliklarida (> 650 nm) o‘z ifodasini topadi.

3.2 - rasm. P3HT:PCBM (uzuq chiziq) va P3HT:ITIC (uzluksiz chiziq) qatlamlarining yutilish spektrlari.
3.2-rasmda P3HT donor materialining PCBM yoki ITIC akseptor materiallari bilan aralashmalaridan tayyorlangan yupqa qatlamlarning yutilish koeffisiyentining to‘lqin uzunligiga bog‘liqlik spektrlari keltirilgan. Spektrlarni solishtirish natijasi shuni ko‘rsatadiki, P3HT:ITIC aralashmasidan tayyorlangan yupqa qatlam quyosh nurlarini 400-775 nm spektral sohada intensiv yutadi, P3HT:PCBM aralashmasidan tayyorlangan yupqa qatlamning yutilish spektri esa 350-625 nm soha bilan cheklanadi. Bundan tashqari, ITICning yutish sohasidagi quyosh nuri intensivligi PCBMning yutish sohasidagiga qaraganda ancha yuqori (Yer sirtida quyosh nurining spektri 3.3-rasmda, o‘rganilayotgan materiallar yutilish spektrlari ustidagi egri chiziq bilan ko‘rsatilgan).

3.3 - rasm. PCBM (nuqtali uzuq chiziq), P3HT (uzluksiz chiziq), ITIC (uzuq chiziq) yutilish spektrlari xamda Yer sirtida quyosh nuri spektri.
Ushbu ikki turdagi donor-akseptor materiallari aralashmasidan tayyorlangan OQEda quyosh nurining yutilishi samaradorligi nuqtai nazaridan, faol element sifatida P3HT:ITIC qatlamini ishlatilishi P3HT:PCBM qatlamni ishlatilishiga qaraganda foydaliroq bo‘ladi. Avval [155; s. 7801-7805] da taklif etilgan energetik samaradorlikni hisoblash metodiga asosan, PC₆₁BMning P3HT:PC₆₁BM faol qatlamida quyosh nurini yutilishidagi ulushi 13%ni tashkil qiladi. Bunday metodni qo‘llab, P3HT:PC₇₁BM va P3HT:ITIS aralashmalaridan tayyorlangan qatlamlari yutishi spektral samaradorligini ularni tashkil etuvchi materiallarning eksperimentda o‘lchangan yutilish spektrlari va koeffisiyentlarining qiymatidan kelib chiqib hisoblash mumkin [156; s. 276-283]. Bunday hisob-kitoblar shuni ko‘rsatdiki, bir xil sharoitda P3HT:ITIS aralashmasi qatlamida P3HT:PC₇₁BM aralashmasi qatlamiga qaraganda quyosh nurini yutish samaradorligi uch baravar yuqori bo‘lishi kerak.
Biroq, bizning eksperimentlarimizda P3HT:ITIS asosidagi OQEda aniqlangan EO‘S P3HT:PC₇₁BM asosidagi OQEdagiga nisbatan bir necha marta past bo‘lib chiqdi. Ushbu ikki xolatda eksperimental aniqlangan fotovoltaik parametrlarning real qiymatlari 3.3 jadvalda keltirilgan. Bunday kutilmagan natija, avval ba’zi tadqiqotlarda kuzatilgan P3HT polimerining P3HT:PCBM qatlamdan farqli ravishda, P3HT:ITIS qatlamida past darajada kristallanishi va donor hamda akseptor fazalarining o‘zaro ajralishining past darajasi bilan bog‘liq deb hisoblash mumkin [66; s. 5868-5923]. Bir qator tadqiqotlar shuni ko‘rsatadiki, donor sifatida ba’zi boshqa polimer materiallarning ITICni akseptor sifatida aralashtirib tayyorlangan faol qatlamli OQEda EO‘S qiymati ancha yuqori bo‘lgan [157; s. 1704263]. Bunday holda, OQEning faol qatlami sifatida ushbu ikki materialning o‘zaro muvofiqligi, ya’ni donor va akseptor fazalarining tartiblanishi va eksitonlarning optimal ajratilishi qurilmaning asosiy strukturaviy-tarkibiy xarakteristikalaridan biri bo‘ladi.
Yuqoridagi holatdan kelib chiqib, shunday xulosa qilish mumkinki, organik polimer materiallar asosidagi donor-akseptor aralashmasidan tayyorlanadigan yupqa qatlamda strukturaviy tartiblanish darajasini oshirish, bunday materiallar asosidagi faol qatlamga ega OQElarning samaradorligini ulardagi fotoelektrik xususiyatlarni yaxshilash hisobiga oshirish imkonini beradi.

§ 3.2. P3HT:PCVM va P3HT:ITIC tarkibli yupqa qatlamlarning fotolyuminessent xossalari.

3.4-rasmda PCBM (a), ITIC (b) va P3HT (c) yupqa qatlamlarining 532 nm to‘lqin uzunligidagi lazer nuri ta’siridagi fotolyuminessensiyasi spektrlari ko‘rsatilgan. Tajribada lazer nurining quvvati 5 mVtni tashkil etgan.

3.4 - rasm. Bir xil sharoitda, 530 nm to‘lqin uzunligidagi lazer nuri ta’sirida PCBM (a) (PCBM yupqa qatlamining fotolyuminessensiya spektri kattalashtirilgan masshtabda yuqorida alohida xam keltirilgan.), ITIC (b) va P3HT (s) yupqa qatlamlarining fotolyuminessensiya spektrlari.

Bizning eksperimentlarimizda aniqlangan fluoressensiya spektrlari, ushbu materiallarning adabiyotlarda avval keltirilgan fotolyuminessensiya spektrlari bilan umumiy holda mos keladi [158; s. 1383-1390, 159; s. 23990-23998, 160; s. 82-88]. [161; s. 187-193].

3.5 - rasm. P3HT:PCBM aralashmasidan tayyorlangan yupqa qatlamning 337 nm to‘lqin uzunlikdagi lazer nuri ta’siridagi fotolyuminessensiya spektri



3.6 - rasm P3HT:ITIC aralashmasidan tayyorlangan yupqa qatlamning 337 nm to‘lqin uzunlikdagi lazer nuri ta’siridagi fotolyuminessesiya spektri
3.5 va 3.6-rasmlarda P3HT:PCBM hamda P3HT:ITIC aralashmalaridan tayyorlangan yupqa qatlamlarning 337 nm to‘lqin uzunlikdagi lazer nuri ta’siridagi fotolyuminessesiya spektrlari keltirilgan [1A; s. 184-195]. Ushbu spektrlarni 3.4-rasmda keltirilgan sof P3HTdan iborat yupqa qatlamining fotolyuminessensiyasi bilan solishtirsak, P3HT fotolyuminessensiyasi intensivligi 4400 birlikni tashkil etgan bir vaqtda, P3HT:PCBM va P3HT:ITIC yupqa qatlamlarining fotolyuminessensiya intensivliklari, mos ravishda, 500 va 750 birlikka teng ekanini ko‘rish mumkin, yani P3HT:PCBM va P3HT:ITIC aralashmalaridan tayyorlangan qatlamlarda donor va akseptor fazalarining ajralishi hisobiga shakllanadigan hajmiy geterostruktura, yorug‘lik yutilishida vujudga kelgan eksitonlarni yuqori samaradorlik bilan fazalar chegarasida erkin zaryadlarga ajralish ehtimolligi keskin oshadi [162; s. 18711-18716].
Quyosh nurining yutilishi natijasida P3HT:PCBM aralashmasining yupqa qatlamida hosil bo‘lgan eksitonlarning elektron va kovaklarga ajralish samaradorligini miqdoriy jihatdan quyidagi fotolyuminessensiya so‘nishi koeffisiyenti orqali aniqlash mumkin (3.1):
(3.1)
Bu yerda va – tajribada o‘lchangan P3HT hamda P3HT:PCBM yupqa qatlamlaridagi fotolyuminessensiya intensivliklari. Xuddi shu formula yordamida P3HT:ITIC aralashmasining yupqa qatlami uchun ham fotolyuminessensiya so‘nish darajasini hisoblash mumkin. P3HT:PCBM aralashmasining yupqa qatlamidagi so‘nish koeffisiyenti 0.91 ni tashkil etgan. Adabiyotlarda keltirilgan ma’lumotlarga ko‘ra, optimal sharoitda shakllantirilgan P3HT:PCBM aralashmasining yupqa qatlamida so‘nish koefisiyenti 90%dan ortiqni tashkil etadi [162; s. 18711-18716, 163; s. 467-472]. Bizning eksperimentlarimizda P3HT:ITIC aralashmasining yupqa qatlamida so‘nish koeffisiyenti bir muncha pastroq qiymatni tashkil etdi (o‘rtacha 0.85). Adabiyotlardan ma’lum bo‘lgan P3HT:ITIC aralashmasining yupqa qatlamida fotolyuminessensiyani so‘nishi bo‘yicha tadqiqotlar ko‘p emas: Y.Chin(Y. Qin.) va uning guruhi e’lon qilgan natijalarda P3HT:ITIC aralashmasining yupqa qatlamida fotolyuminessensiya so‘nish koeffisiyenti ancha yuqori bo‘lib, 90%ga yetgan [164; s. 9416-9422]. Bu ko‘rsatkich bizning natijalarimizga, 0.8-0.9ga yaqin va bunday holat donor polimer materiallar bilan ITICning aralashmasi asosidagi OQElar katta istiqbolga ega ekanini ko‘rsatadi.
HGO‘ organik quyosh fotoelementlarida zaryad hosil bo‘lishi va olinishiga olib keladigan elementar qadamlar quyida qisqacha keltirilgan. Fotogenerasiyalangan eksitonlardan (donor yoki akseptor fazasida hosil qilingan) erkin tashuvchilarning shakllanishi interfeyslararo elektron kovak juftlarining paydo bo‘lishini va ajralishini o‘z ichiga oladi. Genetik bog‘langan juftliklari erkin tashuvchilarga bo‘linishi yoki asosiy holatga rekombinasiyalanishi mumkin. Shubhasiz, bu ikki jarayon o‘rtasidagi raqobat ichki foton-zaryad konvertasiyasi samaradorligining yuqori chegarasini belgilaydi. Muhim qadamlardan biri - elektrodlardan fotomajburlangan zaryad olish. Bu jarayonning samaradorligi, umumiy qoidaga ko‘ra birga teng emas, chunki bu zaryadlar elektrodlarga tashilayotganda qarama-qarshi ishorali zaryad tashuvchilari bilan rekombinasiyalanishi mumkin. Ushbu rekombinasiya «genetik bog‘langan» yoki «genetik bog‘lanmagan» deb nomlanadi [165; s. 181-132].
Shuningdek, boshqa bir tadqiqot ishida uglerodli nanomateriallar yordamida P3HT ning FL so‘nishi mexanizmi o‘rganib chiqilgan. Bu FL so‘nishi mexanizmini tushunish juda muhim ekanligi, chunki ular samaradorlikni oshirish uchun javob beradigan fotovoltaik qurilmalarda donor va akseptor materiallari o‘rtasida fotomajburiy elektron o‘tkazish jarayonlari to‘g‘risida qimmatli ma’lumotlarni berishi to‘g‘risida xulosa qilingan. Ularning natijalari shuni ko‘rsatadiki, uglerod nanomateriallari yordamida P3HT FLni so‘nish tabiati dinamik ekan [166; s. 8196-8201].
Yuqorida aytib o‘tilganidek, fotolyuminessensiya so‘nish ko‘rsatkichi bo‘lgan 90 % birlik, to‘laligicha fotoelementning energiya o‘zgartirish samaradorligini ya’ni foydali ish koeffisiyentini belgilamaydi. Chunki, bu so‘nish koeffisiyentida ko‘rsatilgan miqdoriy energiya tarkibida molekulalar tebranishlariga, elektr zaryadlarini tashuvchi o‘tkazgichlar v.b., kabi turli energiya yo‘qotiluvchi jarayonlar ham mavjuddir. Va albatta sanab o‘tilgan bir qator energiya sarf qiluvchi jarayonlar natijasi o‘laroq, tajribalarimizda qayd etilganidek, past 2,25 % EO‘S qiymatiga olib keladi. Bundan kelib chiqadiki, yutilgan energiyaning fotolyuminessensiya ko‘rinishida so‘nishi, bir qator energiya yo‘qotishlardan so‘ng natijaviy energiya o‘zgartirish samaradorligida o‘z aksini topadi.