11-Mavzu. Eksiton tipadagi quyosh elementlarining uchinchi avlodi

11-Mavzu. Eksiton tipadagi quyosh elementlarining uchinchi avlodi.
Eksiton tipadagi quyosh elementlari to`g`risida tushuncha.
Hajmiy geteroo`tishli quyosh elementlari qurilmasining asosiy qonunlari va zaryad tashuvchilarning hususiyatlari.
Uchinchi avlod eksiton tipidagi quyosh elementlari
Eksitonik quyosh elementlarining umumiy xususiyatlari Organik moddalarga asoslangan uchinchi avlod quyosh elementlari [81 ± 94]] noorganik quyosh elemntlariga qaraganda boshqacha ishlaydi va yuqorida aytib o'tilganidek (1.1 -bo'limga qarang) fotoelektrokimyoviy turdagi quyosh elemntlariga tegishli. TiOz qatlami katod elektrolit yoki teshik o'tkazuvchi material organik QElarda energiya tashuvchisi oddiy elektronlar va teshiklar emas, balki kuchli bog'langan elektron-teshik juftlari (eksitonlar), organik yarimo'tkazgichlarda ularning bog'lanish energiyasi noorganiklarga qaraganda ancha yuqori. Eksitonlarning ikkita asosiy turi mavjud: Frenkel va Vannier - Mott [81]. Wannier-Mott eksitonlari asosan noorganik yarimo'tkazgichlarda hosil bo'ladi va ulardagi zaryadlarni Kulonning samarali tekshiruvi elektron va eksitondagi teshik orasidagi aloqani zaiflashtiradi. Bog'lanish energiyasi 0,02 ev darajali, ya'ni issiqlik harakati energiyasidan kam. Bu shuni anglatadiki, paydo bo'lgan eksitonlar tezda xona haroratida erkin zaryadlarga aylanadi. Organik yarimo'tkazgichlar va dielektriklarda so'rilgan foton asosan Frenkel eksitonini hosil qiladi. Bunday muhitda kulon ta’siri kuchsizroq bo'ladi, shuning uchun eksiton bog'lanish energiyasi kattalik tartibiga teng - kamida 0,1 eV [82]. Demak, Frenkel eksitonlarining xona haroratida ajralishi juda kichik va u axborot tashuvchilar orasidagi interfeysda sodir bo'lishi mumkin, masalan, agar muhitlardan biri donor bo'lsa va akseptorni stabilizatsiya qilsa va elektrodlarni barqaror qilsa, ikkinchisi - ronlar. Boshqa tomondan, Frenkel eksitonlari cheklangan umrga ega bo'lib, ular nurlanish yoki issiqlik ko'rinishida energiya ajralib chiqishi bilan birlashadi. Shuning uchun, hayot davomida interfeysga etib borishga ulgurmagan eksitonlar fototokni yaratishda qatnashmaydi. Organik monokristallarda Frenkel eksitonining o'rtacha erkin yo'li 0,1–1 mkm ga etadi [81]. ammo amorf organik yarimo'tkazgichlarda u 2 dan 30 nm gacha [83]. Garchi ko'pchilik organik materiallar yorug'likni juda yaxshi yutsa ham (yutilish koeffitsienti yuqori tartibda), nurni to'liq yutish uchun hali 150-300 nm qatlam kerak. Bu qalinlikdagi qatlamlarda fotogeneratsiyalangan eksitonlarning ko'pchiligi interfeysga etib bormasdan birlashadi. Organik moddalarga asoslangan eng oddiy quyosh elementi - bu ikkita elektrod orasiga joylashtirilgan, fotoelektrik materialning yupqa qatlami, biri 105 sm quyosh nuriga shaffofdir [81, 82]. Keyinchalik murakkab versiyada bitta qatlam o'rniga donor va akseptor polimerlardan tashkil topgan juft qatlam ishlatiladi [81, 84]. Arxitekturaning ikkala versiyasida ham eksitonlar o'rtacha yo'l bilan solishtirganda muhim bo'lgan yo'lni bosib o'tishlari kerak. Aynan eksitonlar rekombinatsiyasi tufayli organik FElarning samaradorligi uzoq vaqt davomida foizli fraktsiyalar edi | 81, 94 /. Birinchi yutuqli yechim 1991 yilda M. Gretzel tomonidan taklif qilingan va patentlangan va o'sha yili [85] da nashr etilgan. U taklif qilgan arxitektura darhol 7% samaradorlikka erishishga imkon berdi va "bo'yoq sezgir quyosh batareyasi" yoki "Gretzel xujayrasi" (EG, Gratzel xujayrasi) nomini oldi. Bunday element - bu diodli emas, balki fotoelektrokimyoviy turdagi fotoelektrik konvertor. EGda fotonlar yutilgan va elektronlar qo'zg'aladigan organik birikma (pigment) ikkita elektr o'tkazuvchi faza orasidagi ko'p sonli bog'langan interfeys bo'ylab yupqa qatlamda taqsimlanadi (15a -rasm). Akseptor faza sifatida noorganik oksidlar, ko'pincha titan dioksidi ishlatiladi va oksid yetarli darajada pigmentni o'zlashtirishi uchun yuqori o'ziga xos sirtga ega bo'lishi kerak. Bunga oksidning mezopor tuzilishi orqali erishiladi. Donor fazasi sifatida elektrolit ishlatiladi, bu odatda redoks juftligi deb ataladigan organik eritma, ya'ni donor molekulasi va uning oksidlangan shakli [85] da bir juft G / 13 ionlari bo'lgan elektrolit ishlatilgan. Bugungi kunga kelib, ko'p miqdordagi redoks juftlari ishlab chiqilgan bo'lib, ular orasida organik ligandli o'tish metallari komplekslari mashhurdir [81]. Organik birikma (pigment) elektr tokini o'tkazmaydi, shuning uchun zaryad tashishda qatnashmaydi. Ammo bu kerak emas, chunki eksiton elektronga aylanadi, u elektron o'tkazuvchanligi bilan noorganik oksidli materialga va teshik elektrolitga, teshik o'tkazuvchanligi bo'lgan materialga aylanadi. 1995 yilda A. Xeger fotoelektrokimyoviy quyosh xujayralarini yaratishda yana bir yondashuvni - ommaviy geterojunksiyani patentladi. Ommaviy geterojunksiyali (SEOG) QEni birinchi eksperimental tadqiqot natijalari deb nomlangan [86] nashr etilgan. Asosiy g'oya donor va akseptor fazalarini tekis interfeys bo'ylab yopishgan tekis qatlamlar shaklida emas, balki nano o'lchovli klasterlarning o'zaro kirib boruvchi tuzilishi shaklida tashkil qilish edi (156 -rasm). Ushbu tuzilish organik materiallar yordamida amalga oshiriladi. Ikki fazadan bittasida hosil bo'lgan eksitonlar interfeysga etib borishi uchun zarur bo'lgan vaqt eksitonning ishlash muddatidan kamroq bo'ladi. Shunday qilib, rekombinatsiya yo'qotishlari sezilarli darajada kamayadi [86]. SEOG teshik o'tkazuvchanligi bilan uzoq vaqt davomida bu darajaga erisha olmadi. A. Xeger fotoelektrokimyoviy SClarga boshqa yondashuvni - ommaviy heterojunksiya deb nomlangan patentni patentladi. Ommaviy heterojunksiya (SEOG) bilan FEni birinchi eksperimental o'rganish natijalari [86] da nashr etilgan. Asosiy g'oya donor va akseptor fazalarini tekis interfeys bo'ylab yopishgan tekis qatlamlar shaklida emas, balki nano o'lchovli klasterlarning o'zaro kirib boruvchi tuzilishi shaklida tashkil qilish edi (156 -rasm). Ushbu tuzilish organik materiallar yordamida amalga oshiriladi. Ikki fazadan birida hosil bo'lgan eksitonlar interfeysga etib borishi uchun zarur bo'lgan vaqt, bu eksitonning ishlash muddatidan qisqa. Shunday qilib, rekombinatsiya yo'qotilishi sezilarli darajada kamayadi [86]. - Garchi SEOG uzoq vaqt davomida EGga xos bo'lgan 19/52 samaradorlik darajasiga erisha olmagan bo'lsa -da, ularga bo'lgan qiziqish pasaymadi, chunki ular suyuq elektrolitga muhtoj emas. Bu quyosh batareyalarini ishlab chiqarish xarajatlarini ancha soddalashtiradi va kamaytiradi, ishonchliligi va xizmat muddatini oshiradi. Keyingi 6.2 -bo'limda EG bilan solishtirganda SEOG arxitekturasining xususiyatlari, tegishli texnologiyalarning afzalliklari va kamchiliklari, shuningdek, eksitonli QElarning noorganik QElarga nisbatan raqobatbardoshligi tasvirlangan.