استفاده از روش زمان پرواز برای بررسی میزان تحرک الکترون و حفره در سلول خورشیدی

Transcript

1 استفاده از روش زمان پرواز برای بررسی میزان تحرک الکترون و حفره در سلول خورشیدی * فرامرز افشارطارمی بهاره رضایی تهران دانشگاه صنعتی امیرکبیر دانشکده مهندسی پلیمر و رنگ سال اول شماره 1 شماره پیاپی 1 بهار 1395 Vol. 1, No. 1, Issue No.1, Spring 2016, Quarterly صفحه Iran Polymer Technology; Research and Development چکيده... در این مقاله تحرک الکترون و حفره به عنوان عامل تأثیرگذار روی کارایی سلولهای خورشیدی مطالعه میشود. برای انتخاب الیههای مناسب در سلول خورشیدی باید به عوامل زیادی توجه کرد یکی از این موارد میزان تحرک الکترون در الیه انتقال دهنده الکترون و میزان تحرک حفره درالیه انتقال دهنده حفره است. PTB7 )پلی )) 4 و 8 بیس() 2 -اتیل- هگزیل( اکسی( بنزو) 3 و 4 : 1 و 2 ( دی تیوفن- 2 و 6 -دیل( PC 71 )) 6 و 6 ( ) 3 -کلرو- 2((-2 -اتیل هگزیل(کربونیل( تیونو ) 3 و 4 (تیوفنیدیل(( وBM فنیل 71 کربن بوتیریک اسید متیل استر(از جمله موادی هستند که در سلولهای خورشیدی پلیمری بسیار استفاده میشوند از این رو این دو ماده برای بررسی انتخاب شدند. تحرک الکترون سلول های خورشیدی حفره زمان پرواز انتقال دهنده الکترون *پست الکترونیکی مسئول مکاتبات: bahareh.rezaei@aut.ac.ir

2 علمی مقاالت مقدمه 1 )2( دلیل به پلیمری خورشیدی سلولهای اخیر سالهای در داشتهاند. زیادی پیشرفتهای زیاد مطالعات و تحقیق 10 درصد تا درصد 3 از پلیمری سلولهای کارایی مقدار پلیمری سلولهای جدید مواد تهیه با است. داشته افزایش برای شدند. ایجاد بیشتر انعطافپذیری و باالتر کارایی با به نیاز پلیمری خورشیدی سلولهای سازی تجاری اساس همین بر است. باالتر کارایی کسب و بیشتر مطالعات سلولهای در متداول پلیمری مواد در تحرک میزان مطالعه بسیار آن بر موثر عوامل و عملکرد بررسی و خورشیدی است. اهمیت حائز خورشیدی سلول در بازترکیب انواع و الکترون تحرک 2 )Mobility( تحرک خالصه طور به یا الکترون تحرک فیزیک در را الکترون رانش سرعت میتوان آن کمک به که است کمی تی کرد: محاسبه زیر رابطه با آن به شده اعمال الکتریکی میدان در خورشیدی. سلولهای در بازترکیب مکانیسم سه شکل) 1 ( دوبار که میافتد اتفاق زمانی مولکولی دو بازترکیب روش. کنند] 1 [ خنثی را یکدیگر و برخورد هم به ناهمنام اتفاق انرژی سطوح کمک به بازترکیب بعدی مکانیسم قرار HOMO و LUMO انرژی تراز بین در که میافتد خود ناهمنام بار با متحرک بار حالت این در گرفتهاند. انرژی سطوح که انرژی های تله در است متحرک غیر که ]2,3[. میافتد اتفاق بازترکیب کرده برخورد هستند میانه دیگر الکترون با الکترون برخورد اثر بر سوم حالت در آن به که برمیگردد پایه تراز به انرژی دادن دست از و میگویند. اوژه بازترکیب سلولهای از بار جدایی میزان بیشترین داشتن برای بیافتد اتفاق ترکیب باز اینکه از قبل باید خورشیدی همین بر شود. جمعآوری آند در حفره و کاتد در الکترون از حفره و الکترون جمعآوری برای زمان بیشترین اساس میآید: دست به زیر رابطه الکترون تحرک کمترین µ دستگاه ضخامت d معادله این در الکتریکی میدان E و برابرند یکدیگر با معموال که حفره یا و الکتریکی بارهای تحرک اهمیت معادله این از است. اعمالی همین بر است. مشخص خورشیدی سلولهای کارایی در در بازترکیب انواع بررسی و تحرک میزان محاسبه اساس به مهم عوامل از سامانه طراحی و ساخت از قبل پلیمرها تحرک میزان محاسبه روشهای از یکی میآید. شمار است. پرواز زمان روش ν d = µ E (1) ثانیه بر متر حسب بر الکترون رانش سرعت آن در که E واحدها( بینالمللی استاندارد سیستم SI )واحد )m/s( و )V/m( متر بر ولت حسب بر شده اعمال الکتریکی میدان واحد در m( 2 /Vs( ولتثانیه بر مربع متر حسب بر تحرک µ است. بینالمللی است: مرحله سه شامل خورشیدی سلول عملکرد فرایند به بارها انتقال )ج( بارها جدایی )ب( نور جذب )الف( تلههایی بار انتقال هنگام در سوم مرحله در الکترود. سمت الکترونهای انتقال کاهش باعث که دارند وجود )Traps( به کرده حرکت حفرههای و کاتد سمت به کرده حرکت روشهای به حفرهها و الکترونها میشوند. آند سمت نشانگر 1 شکل میشوند. ترکیب یکدیگر با مختلفی روشها این بین از است. بازترکیب مختلف روشهای باز و )Bimolecular Recombination( مولکولی دو بازترکیب هستند. بازترکیب انواع مهمترین از تلهها وسیله به ترکیب ایران پلیمر فناوری توسعه و پژوهش ترويجي علمي فصلنامه 6

3 استفاده از روش زمان پرواز برای بررسی میزان تحرک الکترون و حفره در سلول خورشیدی 3 روش زمان پرواز )TOF( در این روش سامانه به صورت معکوس بسته میشود یعنی قطب مثبت به کاتد و قطب منفی به آند متصل میشود. در این حالت از تزریق بار به سامانه جلوگیری میشود. همان طور که در شکل 2 نشان داده شده D ضخامت الیه پلیمری فعال d میزان نفوذ نور در داخل ساختار پلیمری است. نمودار جریان نوری سامانه بر حسب زمان به وسیله اوسیلوسکوپ )Oscilloscope( قابل دریافت است. در زمان t o نور تکفام لیزر با طول موج مشخص به پلیمر برخورد میکند در این حالت میزان جریانبه حداکثر خود میرسد. درزمان t اولین بار الکتریکی )الکترون یا حفره( به الکترود f میرسد. و در زمان t آخرین بار الکتریکی به الکترود l میرسد. از روی زمان انتقال بار الکتریکی میتوان میزان تحرک الکترون و حفره را محاسبه کرد ]4,5[. 4 بررسی میزان تحرک در الیه فعال سلولهای خورشیدی پلیمری حاوی PC71BM و PTB7 در تهیه سلولهای خورشیدی از مواد زیادی استفاده میشود PC71BM و PTB7 به ترتیب به عنوان الیه الکترون گیرنده )انتقال دهنده الکترون( و الکترون دهنده )انتقال دهنده حفره( است ]6[. شکل) 3 ( ساختار همراه با سطوح انرژی الیههای تشکیل دهنده سلولهای خورشیدی طراحی شده. شکل) 2 ( مکانیسم روش زمان پرواز روش زمان پرواز مزایای زیادی دارد: 1( میزان تحرک را به صورت عمود بر ماده بررسی میکند 2( به وسیله ساختار ثابتی از سلول میتوان تحرک الکترون و حفره را محاسبه کرد 3( دادههای بهدست آمده از این روش را میتوان به راحتی برای محاسبه تحرک استفاده کرد. این روش معایبی نیز دارد. یکی از مهمترین معایب این روش لزوم وجود بار الکتریکی کم است. زیرا افزایش بار الکتریکی باعث تجمع بار در داخل الیه فعال و در نتیجه موجب کاهش سرعت بارهای الکتریکی میشود. برای ساختار اول از سمت راست در شکل 3 که برای بررسی PC71BM استفاده شد از نور لیزر با طول موج 375 nm و برای ساختار وسط که برای بررسی میزان تحرک حفره در PTB7 طراحی شده است از طول موج 640 nm استفاده شد. در شکل 3 سمت چپ ساختار سلول خورشیدی به صورت ساختار ترکیبی Hetrojunction( )Bulk نشان داده شده است که نور به صورت پالسی به آن تابیده شد. برای بررسی میزان تحرک الکترون در الیه PC71BM نور از آند تابیده شد و درحالت بررسی تحرک حفره در PTB7 نور از سمت کاتد مورد تابش قرار گرفت. شکل 4 نشانگرطیف جذبی این مواد است. میزان قدرت لیزر درحدمشخصی تنظیم شد زیرا باال بودن قدرت لیزر باعث افزایش زیاد تزریق بار و در نتیجه تجمع بار میشود که به دلیل اثر بار منطقهای) Current )Space Charge Limited از سرعت انتقال بار میکاهد. افزون بر این نباید قدرت لیزر کم باشد تا نسبت) S/N ( سیگنال به نویز را کاهش دهد. سال اول شماره 1 شماره پیاپی 1 بهار

4 مقاالت علمی شکل) 4 ( طیف جذبی PC71BM و PTB7 1-4 تحرک حفره در PTB7 میزان تحرک حفره در PTB7 با روش زمان پرواز بررسی و تأثیر میدان الکتریکی روی آن مطالعه شد ]7[. شکل) 6 ( )a( طیف جریان بر حسب زمان به روش زمان پرواز اثر میدان الکتریکی روی تحرک حفره درPC71BM. )b( میزان تحرک برای cm 2 /Vs10 3- PC71BM به دست آمد. آزمایشهای انجام شده نشان دادند این دو ماده برای استفاده در کنار یکدیگر در سلولهای خورشیدی مناسب هستند. بر همین اساس ساختار ترکیبی از این مواد ساخته و میزان تحرک حفره در آن بررسی شد. برای تحرک الکترون طیف به دست آمده از اسیلوسکوپ بسیار پخش بود از این رو زمان انتقال از روی طیف قابل شناسایی نبود. دما نیز بر میزان تحرک الکترون و حفره بسیار مؤثر است. با افزایش دما میزان تحرک حاملهای بار افزایش مییابد. شکل 7 نشانگرتأثیر دما بر میزان تحرک است] 8 [. شکل) 5 ( )a( طیف جریان بر حسب زمان به روش زمان پرواز. اثر میدان الکتریکی روی تحرک حفره درPTB7 )b( 2-4 تحرک الکترون در PC71BM برای PC71BM نیز میزان تحرک به روش زمان پرواز بررسی شد. به دلیل عمق زیاد HOMO دراین ماده برای اینکه از تجمع حفره در داخل الیه فعال جلوگیری شود MoO 3 باعث انتقال بهتر حفره شده MoO 3 استفاده شد. از از اثر بار منطقهای جلوگیری می کند. در شکل 6 نشانگر دادههای به دست آمده از اسیلوسکوپ است. شکل) 7 ( تأثیر دما بر میزان بازترکیب الکترون و حفره. 8 فصلنامه علمي ترويجي پژوهش و توسعه فناوری پلیمر ایران

5 استفاده از روش زمان پرواز برای بررسی میزان تحرک الکترون و حفره در سلول خورشیدی مقدار ولتاژ مدارباز از رابطه زیر قابل محاسبه است ]9,10[ : )3( تأثیر میزان چگالی الکترون و حفره به دلیل اینکه در داخل ln قرار گرفته نسبت به دما بسیار کمتر است. اگر نمودار ولتاژ مدار باز را نسبت به دما رسم کنیم ) E g در دمای صفر مقدار انرژی بین LUMO و )HOMO قابل دستیابی است. در دماهای مختلف میزان جذب الیه فعال ساخته شده بررسی شد. همانطور که در جذب نشان داده شده با تغییرات دما تغییر زیادی در طیف حاصل نشده است. تنها در طول موج 650 nm در دمای 77/5 K مقداری ازشدت جذب کاهش پیدا کرده است. شکل) 9 ( طیف کارایی کوانتومی خارجی سلول خورشیدی ساخته شده از PTB7:PC71BM در دماهای مختلف. برای کسب اطالعات بهتری درباره نوع بازترکیب در شدتهای مختلف نور خورشید مقدار جریان مدار کوتاه اندازهگیری شد. شیب این نمودار از قانون توان J(. sc در این معادله b مقدار بازترکیب تبعیت میکند ( b = ai دومولکولی را مشخص میکند] 11 [. همانطور که در شکل 10 نشان داده شده است مقدارb از 0/968 تا 0/917 با کاهش دما کاهش مییابد. در دماهای پایین بار زیادی در الیه فعال تجمع مییابد و به دلیل رابطه مستقیم بازترکیب دومولکولی با چگالی بار میزان بازترکیب افزایش مییابد. شکل )8( طیف جذب PTB7:PC71BM در دمای اتاق قبل و بعد از سرد کردن تا دمای 77/5K. بر همین اساس کارایی کوانتومی خارجیی Quan-( External )tum Efficiency سلول در دماهای مختلف بررسی شد. دادهها حاکی از عدم تغییر نمودار و کاهش 33 درصد مقدار آن است. و این به دلیل کاهش جریان مدار کوتاه در دمای پایین است. شکل 9 نشانگر نمودار کارایی کوانتومی خارجی سامانه در دماهای مختلف است. شکل) 10 ( نمودار به دست آمده از تغییرات جریان مدار باز بر اثر شدتهای مختلف نور تابیده شده. سال اول شماره 1 شماره پیاپی 1 بهار

6 مقاالت علمی با کاهش شدت نور تابیده شده به دلیل کاهش چگالی بار در الیه فعال مقدار عامل پرشدگی بیشتر میشود. در دمای 77 K مقدار عامل پرشدگی از 33 درصد در شدت نور 1 به sun مقدار 66 درصد در 0/01 sun میرسد. 5 نتیجه گیری با افزایش دما میتوان جریان مدار کوتاه و عامل پرشوندگی را افزایش داد ولی ولتاژ مدار باز با افزایش دما کاهش مییابد. بنابراین باید دما را در حد بهینه قرار داد تا بیشترین بازده از سامانه به دست آید. PTB7 و PC71BM به دلیل داشتن تحرک بار برابر میتوانند در کنار یکدیگر به ترتیب به عنوان الیه انتقال دهنده حفره و انتقال دهنده الکترون قرار بگیرند.شکل 13 بیانگر دادههای به دست آمده از این مطالعات است. شکل )11( تأثیر شدت نور تابیده شده و دما روی عامل پرشدگی برای بررسی میزان بازترکیب به کمک تله )مکانیسم شاکلی رد هال( از دادههای نمودار ولتاژ مدار باز درشدتهای مختلف نور تابیده شده استفاده میشود که در شکل 12 نشانگر آن است. شیب این نمودار با KT/e متناسب است. اگر مقدار ضریب این عبارت 1 باشد به این معنی است که هیچ گونه بازترکیبی در این ساختار اتفاق نمیافتد. مقدار این ضریب با کاهش دما ازK 300 تاK 77 از 1/09 تا 1/93 میرسد. در دماهای پایین به دلیل اینکه بارها انرژی کافی برای جدایی از تله ندارند بازترکیب به وسیله تله افزایش مییابد. شکل) 13 ( پارامترهای دستگاه بر حسب تغییرات دما و تحرک. شکل )12( تأثیر ولتاژ مدار باز در شدتهای مختلف نور تابیده شده و دما. 10 فصلنامه علمي ترويجي پژوهش و توسعه فناوری پلیمر ایران

7 استفاده از روش زمان پرواز برای بررسی میزان تحرک الکترون و حفره در سلول خورشیدی مراجع 1. Almantas P., Gediminas J., Attila J. M. Bimolecular Recombination Coefficient as a Sensitive Testing Parameterfor Low-Mobility Solar-Cell Materials. Phys. Rev. Lett. 94, 1-4(176806), Shockley W., and Read W. T. Jr., Statistics of The Recombinations of Holes and Electrons. Phys. Rev. 87, 835, Sarah R. C., Wei Lin L., Natalie B., Gilles D., and Alan J. H. Identifying a Threshold Impurity Level for Organic Solarcells: Enhanced First-Order Recombination Via Well-Defined PC 84 BM Traps in Organic Bulk Heterojunctionsolar Cells.Adv. Funct. Mater.21, , Baijun Ch., Shiyongl. Measurement of Electron/ Hole Mobility in Organic/Polymeric Thin Films Using Modified Time-of-Flight Apparatus. Synt. Met., 91, , Haber K., S. and Albrecha. C., Time-of-Flight Technique for Mobility Measurements in the Condensed Phase, J. Phys. Chem., 88, , Bernd E., Stuart A.J. T., Kristijonas G. Charge Carrier Mobility of The Organic Photovoltaic Materials PTB7 and PC 71 BM and its Influence on Device Performance.Org. Electron., 22, 62-68, Bronson Ph., Martin S., Paul.L. B. the Impact of Hot Charge Carrier Mobility on Photocurrent Losses in Polymer Based Solar Cells. Sci. Rep Yibozh.,Kun C., Xiaoguang Z., Xian L., Xianfeng Q.,Guoli T.,Bingyan Z.,Dekang H., Yan Shenand M. W. Effect of the Molecular Weight of Poly (3-Hexylthiophene) on the Performance of Solid-State Dyesensitizedsolarcells. RSC Adv., 3, , Jan. Anton. Koster, V. D. Mihailetchi, R. Ramaker, And P. W. M. Blom.Light Intensity Dependence of Open-Circuit Voltage of Polymer:Fullerene Solar Cells. Appl. Phys. Lett Dan C. and James R. D. Insights from Transient Optoelectronic Analyses on the Open-Circuit Voltage of Organic Solar Cells., J. Phys. Chem. Lett., 3, , Aungkoko. K., Dong H. W., Vinary G., Wei L. L., Lin K., Guillermo C. B., Intensity Dependence of Current-Voltage Characteristics and Recombination in High Efficiency Solution-Processed Small-Molecule Solar Cells., ACS Nano., 7, , سال اول شماره 1 شماره پیاپی 1 بهار

8