11-Mavzu. Eksiton tipadagi quyosh elementlarining uchinchi avlodi

To'liq geterojunksiyali quyosh elementlarida zaryadni tashish xususiyatlari
Katta hajmli geterojunksiyaning mavjudligi eksitonlarning rekombinatsiyalanish yo'qotishlarini kamaytiradi, chunki ular nisbatan qisqa masofani bosib o'tadilar; ammo, bunday geterojunksiyaning murakkab morfologiyasi organik yarimo'tkazgichlarning ancha yuqori qarshiligini oshiradi. (shuningdek, bir nechta bo'sh zaryad tashuvchilarning rekombinatsiyasini oshiradi). Bu omik qarshilik SEOG samaradorligini cheklovchi asosiy omillardan biriga aylanadi. Xususan, bu geterojunksiya qatlamining qalinligini undagi yorug'likni to'liq singdirish darajasiga qadar oshirishga imkon bermaydi. Shuning uchun, QElarning past optik samaradorligini qabul qilish yoki yuqori samarali va qimmat nur yig'uvchi tuzilmalardan foydalanish kerak. Fullerenlar va boshqa organik akseptorlar ko'rinadigan diapazonda kuchsiz so'riladi
Donor va akseptorning molekulyar orbitallari tok va kuchlanish o'rtasidagi muvozanatni topishi kerak. Hatto geterojunksiyadagi elektr maydoni ham o'rtacha, mos keladigan elektrodlarga ajratilgan musbat va manfiy qutblarning harakatlanishini osonlashtiradi. Amorf organik yarimo'tkazgichdagi bu buzilish kristalli tabiatdagi noorganik yarimo'tkazgichlarga qaraganda ancha kuchli. Polaron juftligini ajratish samaradorligi asosan eksiton va qutb juftining potentsial energiyalari o'rtasidagi farqga bog'liq. Bu farq, bog'langan qutblarning kinetik energiyasiga teng, bu esa Kulon o'zaro ta'sirini yengishga imkon beradi | 83]. Polaronlarning harakati stoxastik va mahalliy elektr maydonining yo'nalishi bo'lgani uchun, polaron juftining rekombinatsiyasi sodir bo'lishi mumkin, bu juftlik (geminat) deb ataladi. Eksitonning potentsial energiyasi taxminan eng past erkin molekulyar orbital (LUMO, chet el adabiyotida - eng yuqori band bo'lgan molekulyar orbital) (HOMO, chet el adabiyotida eksiton, ya'ni donor) o'rtasidagi farqga teng. Polaron juftining potentsial energiyasi akseptor LUMO o'rtasidagi farqga teng, shuning uchun eksiton polaron juftiga aylanganda ortiqcha energiya ajralib chiqadi, bu donor LUMO va LUMO o'rtasidagi farqga teng. Boshqa tomondan, donor uchun taqiqlangan zonaning kengligi aniqlanganda, yuqori LUMO yuqori HOMOga va ochiq kontaktlarning zanglashiga (Voc) to'g'ri keladi, uni taxminan aktseptorning LUMO minusini taxmin qilish mumkin. Shuning uchun, molekulyar orbitali ionli donorlar va akseptorlar orasidagi energiya bo'shlig'ini tanlashda tok va kuchlanish o'rtasidagi muvozanatni izlash kerak. Polaron juftining potentsial energiyasi tengdir) aksepton LUMO va donor HOMO o'rtasidagi farq, shuning uchun eksiton polaron juftiga aylanishi paytida ortiqcha energiya ajralib chiqadi, bu donor LUMO va LUMO o'rtasidagi farqga teng. Boshqa tomondan, donor uchun belgilangan diapazonli bo'shliq bo'lsa, yuqori LUMO yuqori HOMOga va ochiq kontaktlarning zanglashiga (Voc) to'g'ri keladi, bu taxminan HOMO akseptorining LUMO qiymatiga to'g'ri keladi. Donor va akseptorning molekulyar orbitallari tok va kuchlanish o'rtasidagi muvozanatni topishi kerak. Hatto geterojunksiyadagi elektr maydoni ham o'rtacha, mos keladigan elektrodlarga ajratilgan musbat va manfiy qutblarning harakatlanishini osonlashtiradi. Bu harakat paytida ular faza chegaralarini kesib o'tadilar, bu erda ular MCo va DR bilan o'zaro ta'sir o'tkaza oladilar. Bu rekombinatsiyaga nongeminat deyiladi. Organik yarimo'tkazgichlarda zaryadni uzatish jarayoni juda sekin, u qarama -qarshi zaryadning ter xususiyatlariga ega va asosan tunnel va termal faollashtirish orqali amalga oshiriladi. Bundan tashqari, energiyasi ma'lum chegaradan past bo'lgan, tashish energiyasi deb ataladigan zaryad tashuvchilar zaryadli transportda qatnashmaydi va bog'langan deb hisoblanishi kerak. Bunday sharoitda juftlanmagan rekombinatsiyaning ikkita mexanizmi ishlaydi. Faqat shuni ta'kidlaymizki, ulanmagan rekombinatsiya FE qalinligining pasayishi bilan ortadi, chunki zaryadlar faza interfeysida aynan birlashadi, aksincha, juftlarning rekombinatsiyasi kamayadi, chunki eksitonlar faza interfeysiga etib borishi ehtimoli ko'proq.
6.4. B.3 -bo'limda ko'rsatilgan sabablarga ko'ra, katta hajmli geterojunksiyali quyosh batareyalarini ishlab chiqishning asosiy strategiyasi SEOGda geterojunksiyaning morfologiyasini nazorat qilish, bunday elementlarning ishlashini yaxshilashdir. Yetarli darajada yuqori samaradorlikka ega QElarda bir fazali klasterlar kattaligi taxminan o'ndan bir necha o'n nanometrgacha [91, 94]. Asosiy muammolardan biri Ag-PEDOT-PSS kompozit elektrodlari, ular yuqori shaffoflikni ta'minlaydi va rulonli texnologiyaga mos usullar yordamida kumush siyoh bilan chop etilishi mumkin [108].
Gratzel elementlari
Amorf organik yarimo'tkazgichlarning nisbatan yuqori qarshiligi va katta geterojunksiyaning murakkab morfologiyasi o'tkazuvchanlikni SEOG samaradorligini cheklovchi omilga aylantiradi. Gratsel elementlarining rivojlanishi organik fotovoltaik materiallarning yuqori spektral sezuvchanligidan foydalanishga va yuqori qarshilikka yo'l qo'ymaslikka qaratilgan. EGning ishlash printsipi 6.1 -bo'limda allaqachon tushuntirilganligi sababli, ushbu bo'limda biz EGning afzalliklari va kamchiliklarini tushunish uchun EG ishini batafsil ko'rib chiqamiz. Oddiy EG bir qatlamli pigment (ruteniy komplekslari, masalan, N719, rodamin yoki riboflavin) bilan qoplangan va elektrolit eritmasiga redoks bug'iga solingan (odatda TiOz, ZnO yoki SnOz) gözenekli keng o'tkazgichli yarim o'tkazgichdan iborat. 1/13). Bu butun tizim ikkita elektrod orasiga o'ralgan, ulardan kamida bittasi optik shaffof bo'lishi kerak, ikkinchisi metall bo'lishi mumkin (18 -rasm). EG sxemasi. rasmda ko'rsatilgan 18 geometrik jihatdan soddalashtirilgan. Aslida, rasmda ko'rsatilgandek. 15, keng bo'shliqli yarimo'tkazgich-pigment-elektrolit-katalizator tuzilishida tekis qatlam yo'q. Ikkinchi elektrodda redoks bug'ining regeneratsiya jarayonini tezlashtirish uchun u katalizator bilan qoplangan, odatda submikrometrli platina qatlami bilan qoplangan. Elektronlarni TiO ga kiritish juda tez va 20-50 fs tartibda sodir bo'ladi [109]. Elektronlarni TiO ga kiritish juda tez va 20-50 fs tartibda sodir bo'ladi [109]. Bunday yuqori in'ektsiya samaradorligi pigment LUMO energiyasi va TiO o'tkazuvchanlik diapazonining past darajasi o'rtasidagi farq natijasida hosil bo'ladigan taxminan 100-150 mV kuchlanish talab qiladi. Anod yo'lida, fotoelektronlar titan dioksidga tarqalgan oksidlangan pigment yoki elektrolitlar molekulalarini qaytarilishida ishtirok etish. Bu jarayon tashilgan manfiy zaryadlarning rekombinatsiyasini oldini oladi - elektronlar bog'langan. 1/1 juftlikdan foydalanish rekombinatsiyani sezilarli darajada kamaytirishga va elektronlarning ishlash muddatini sezilarli darajada oshirishga imkon beradi [110]. Bu oksidlanish -qaytarilish juftligining samaradorligi, bir tomondan, yodid va triyodid ionlarining kichik o'lchamlari va yuqori harakatchanligi bilan bog'liq, boshqa tomondan, bu juda ochiq shaffof o'tkazuvchi oksidli keng bo'shliqli pigmentli inkapsulator yarimo'tkazgich tufayli sodir bo'ladi. Elektrolit (redoks) katalizatori - Supero'tkazuvchilar qatlamli zanjirli substrat - rasm. 18. Gratsel elementining umumiy sxemasi ([110) da berilgan tavsifga muvofiq). yuqori (taxminan 600 mV) yuqori kuchlanishli, bu bo'yoqning tez tiklanishini ta'minlaydi, lekin chiqish voltajini sezilarli darajada kamaytiradi. 1/1 juftlikning yana bir kamchiligi uning kimyoviy faolligi, ayniqsa metallarga korrozivligi. Bu qobiqdagi nuqsonlarning paydo bo'lishi va elektrolitlar oqishi tufayli EKning umrini qisqartiradi va kapsulatsiyani murakkablashtiradi. I / l ga eng mashhur alternativa; ochiq kontaktlarning zanglashiga olib keladigan yuqori kuchlanishli porfirin pigmentlari bilan bog'langan kobalt (Co- / Co ") komplekslari va shuning uchun energiyani konvertatsiya qilish samaradorligi yuqori. bunga erishish eksitonik FE uchun yagona natijadir. kobalt komplekslaridan foydalanish bilan bog'liq muammo ularning TiOz elektronlari bilan qayta birlashish tendentsiyasidir. Bu jarayon EGning umrini qisqartiradi. Ular elektronlarni ushlab turishga to'sqinlik qiladigan katta ligandlarni kiritish orqali muammoni hal qilishga urinmoqdalar, lekin bunday ligandlarning mavjudligi diffuziyani buzadi [110]]. Shu bilan birga, I / I - va Co- / Co ham organik eritma shaklida ishlatiladi, rulit bilan o'lchash juda qiyin [112]. Shuning uchun EG ning rivojlanishi uchun u Suyuq elektrolitni bir xil darajada samarali qattiq yoki kvaziga almashtirish juda muhim. qattiq elektrolitlar. Ikkinchisi xona haroratida ionli deb ataladigan suyuqliklarni o'z ichiga oladi. Ular yuqori kimyoviy va harorat barqarorligi, yaxshi ion o'tkazuvchanligi bilan ajralib turadi, shu bilan birga ion o'tkazuvchanligini sekinlashtiradigan yuqori yopishqoqlikdir [12, 113]. Jellantiruvchi vositalardan (ham organik, ham noorganik) foydalanish mumkin [113]. Jel agentlari tizimni barqarorlashtiradi, lekin erituvchi oqishini oldini olmaydi. Bundan tashqari, agar jellanish noorganik nanopartikullar yordamida sodir bo'lsa, u holda jel tizimini organik va noorganik fazalarga ajratish sodir bo'lishi mumkin [113]. Bu kamchiliklarni bartaraf etish uchun polimer tizimlardan foydalanishga urinishdi, ularni uch turga bo'lish mumkin (qarang, masalan, [113). 1. Yuqori molekulyar og'irlikdagi polimerda tuzlar va plastifikatorlarni eritib olish natijasida olingan polimer elektrolitlari. 2. Ularning zanjirining polielektrolitlari katyonik yoki anionli guruhlar, anti-ionli o'tkazgichlar, tarkibida polar bor, ular polar erituvchi bilan eritilgan va harakatlanishga qodir. 3. Gel-polimer elektrolitlari, unda o'tkazuvchanlik xususiyatlari tuz eritmasi bilan ta'minlanadi va polimer jellashtiruvchi vosita bo'lib xizmat qiladi, uch o'lchovli tarmoq hosil qiladi, uning ichida ionlar erkin harakatlanishi mumkin. Hozirgi vaqtda polimer elektrolitlardan foydalanish quyosh energiyasini 8-10% konvertatsiya qilish samaradorligiga va ancha yuqori barqarorlikka erishishga imkon berdi (700-1000 soat uzluksiz yoritishda 1-10% samaradorlikni yo'qotish tizim) [113]. Zaryad tashish bu tizimlarda muammoli bosqich bo'lib qolmoqda. Polimer elektrolitlar bu parametrda suyuqlardan past, shuning uchun qattiq fazali EG samaradorligi bo'yicha klassik EGdan ortda qoladi. Biroq, polimer elektrolitlar rivojlanish uchun katta imkoniyatlarga ega, chunki polimerlar texnologik jarayonga osonlik bilan qo'shiladi. Nihoyat, ion o'tkazuvchanlikni ishlatmaydigan elektronlar bor. Ulardagi elektrolitlar, SEOGda bo'lgani kabi, teshik o'tkazuvchanligi bo'lgan qatlam bilan almashtiriladi. Hozirgi vaqtda EGda ishlatiladigan teshik o'tkazgichli eng samarali material spiro-OMeTAD deb qisqartirilgan. Kimyoviy jihatdan 2,20,7,70-tetrakis (N, NO-di-p-metoksifenilamin) -9,90-spirobifluoren. Kobalt kompleksi bilan ishlangan spiro-OMeTAD yordamida erishilgan eng yuqori samaradorlik 7,2% ni tashkil qiladi [114]. Shuningdek, printerda to'liq bosilgan spiro-OmeTAD bilan EGlarni yaratish bo'yicha ishlar mavjud, garchi bu QElarning samaradorligi ancha past bo'lsa ham (1,7%) [15]. Suyuq elektrolitli EGlar samaraliroq, lekin ularning mavjudligi ularning asosiy kamchiligi hisoblanadi. Birinchidan, barcha EG komponentlari, suyuq elektrolitdan tashqari, yupqa plyonkali QElarni ommaviy ishlab chiqarish uchun maqbul bo'lgan rulonli texnologiya [112] yordamida qo'llanilishi mumkin. Roll-to-roll texnologiyasidan foydalangan holda qattiq holatdagi EG ishlab chiqarish past rentabellik ko'rsatkichlaridan boshlab foydali bo'lishi mumkin. Ikkinchidan, qattiq elektrolitdan farqli o'laroq, elektrolitning korroziyali ta'siri tufayli vaqt o'tishi bilan muqarrar ravishda hosil bo'ladigan qobiq ichidagi mikro yoriqlar orqali oqib chiqishi mumkin. Shuning uchun, biz bu sohada eng istiqbolli bo'lgan qattiq holatdagi EG deb hisoblaymiz [112]. EGning umr ko'rish davomiyligiga kelsak, ular tarixan SEOGga qaraganda ancha qulayroq holatda bo'lgan. EG bo'yicha birinchi ishda allaqachon qayd etilgan EGning ishlash muddatiga kelsak, ular tarixan SEOGga qaraganda qulayroq pozitsiyada bo'lgan. EG bo'yicha birinchi ishda, ikki oy uzluksiz yoritilgandan so'ng, modulning samaradorligi atigi 10% ga kamaygani qayd etilgan [85] (bu vaqt ichida kapsulalanmagan SEOG uchun samaradorlik deyarli nolga tushiriladi). Biroq, hozirgi vaqtda EGning SEOGga nisbatan bu afzalligi endi unchalik aniq ko'rinmayapti. Umuman olganda, EGlar boshqa ESSlar bilan raqobatlashishi uchun ishlab chiqarish texnologiyalarini yanada optimallashtirish zarur.