Solar cells are devices that directly convert the sunlight into electricity by photovoltaic

Transcript

1 Polymerization Quarterly, 2015 Volume 6, Number 3 Pages ISSN: Abstract. Polymer Solar Cells and their Performance Mechanism and Characterization Sholeh Kazemifard 1, Leila Naji 1*, Faramarz Afshar Taromi 2, Zahra Fakharan 1 1. Department of Chemistry, 2. Department of Polymer Engineering & Color Technology, Amirkabir University of Technology, P.O. Box: , Tehran, Iran Received: 20 November 2015, Accepted: 6 February 2016 Solar cells are devices that directly convert the sunlight into electricity by photovoltaic effect. Photovoltaic effect was discovered in 1839 by Bequerel. In recent years, different generations of solar cells have been developed. There are different types of solar cells including silicone solar cells, dye-sensitized solar cells, quantum dot solar cells, organic solar cells and new generations. Among different kinds of solar cells, polymer solar cells have attracted a lot of attention because of their flexibility, light weight, possibility of designing of materials for their construction, high absorption coefficient, solution processability and production by low-cost technologies. In this review, polymer solar cells and conjugated conductive polymers as applied in active layers and their characteristics as conjugated polymers are introduced. In recent times advances are made on active layer architecture in order to increase power conversion efficiency. Finally, their corresponding characterization methods and their most important parameters are discussed. Key Words polymer solar cell, conjugated polymer, exciton, bulk heterojunction, performance mechanism (*) To whom correspondence should be addressed. leilanaji@aut.ac.ir

2 مقاالت بسپارش ترويجي علمي- فصلنامه 3 شماره ششم سال صفحه ISSN: و عملکرد سازوكار پلیمری خورشیدی سلولهاي بر مروری آنها مشخصهیابی 1 فخاران زهرا 2 طارمی افشار فرامرز 1* ناجی لیال 1 کاظمیفرد شعله پستی صندوق امیرکبیر صنعتی دانشگاه رنگ و پلیمر مهندسی دانشکده 2- و شیمی مستقل گروه /11/17 پذیرش: 1394/8/29 دریافت: استفاده با الکتریکی انرژی به را خورشید انرژی تبدیل قابلیت که است دستگاهی خورشیدی سلول خورشیدی سلولهاي مختلف نسلهاي توسعه بهدليل اخیر سالهاي در دارد. فوتوولتايي اثر از نقاط رنگدانه به شده حساس سیلیکونی خورشیدی سلولهاي شامل آنها از گوناگونی انواع هب آن پلیمری نوع سلولها اين مختلف انواع میان در شدهاند. ساخته جدید نسلهاي و آلی کوانتومی زياد جذب ضریب آنها ساختار در رفته بهکار مواد طراحی امکان سبک وزن انعطافپذیری دلیل در كردهاند. جلب خود به را بسیاری توجه ارزانقیمت ساخت فنون و محلول حالت در فرایندپذیری بهکار فعال الیه ساختار در که مزدوج رسانای پلیمرهای و پلیمری خورشیدی سلولهاي مقاله این بررسی به نيز ادامه در ميشوند. معرفی مزدوج پلیمرهای ویژگیهاي با همراه میشوند گرفته انرژی تبدیل بازده افزایش بهمنظور دستگاهها این فعال الیه ساختار معماری در اخیر پیشرفتهاي نایب آنها پارامترهای مهمترین و دستگاهها این مشخصهیابی روشهای پایان در ميشود. پرداخته میشوند.. چکیده كاظميفرد شعله ناجي ليال افشارطارمي فرامرز فخاران زهرا کلیدی واژگان پلیمری خورشیدی سلول مزدوج پلیمر اکسایتون تودهای اتصال ناجور عملکرد سازوكار پیامنگار: مکاتبات مسئول * leilanaji@aut.ac.ir

3 مقاالت 1395 پاييز 3 شماره ششم سال علمي-ترويجي فصلنامه... عملکرد سازوكار پلیمری خورشیدی سلولهاي بر مروری مقدمه و جزرومد باد خورشید انرژی مانند تجدیدپذیر انرژی منابع مقابل در ندارند. کاربری محدودیت و هستند بیانتها زمینگرمایی بهدليل سنگ زغال و گاز نفت مانند تجدیدناپذیر انرژی منابع منابع و فسیلی سوختهای هستند. اتمام به رو محدودبودن به زیستمحیطی آالیندههاي و انرژی فراوان توليد با تجدیدناپذیر مصرف 2005 سال در ]1[. میشوند منجر زمین کره شدن گرمتر 4200 GW به 2010 سال در و 3900 GW به الکتریسیته جهاني در و 6000 GW به 2030 سال در مقدار این میرود انتظار رسید. معادل ساالنه خورشید يابد. افزايش 13 TW حدود به 2050 سال بیش برابر هزار ده مقدار اين كه ميكند تولید انرژی J تنها اگر بنابراين است. جهان كنوني جمعیت انرژی مصرف از 10% بازده با خورشیدی سلولهای بهوسيله زمین کره سطح 0/1% ]2 3[. ميشود تأمین جهان براي الزم انرژی شود پوشانده خورشید انرژی خورشیدی سلولهاي یا فوتوولتايي دستگاههاي از مختلفی نسلهاي امروزه میکنند. تبدیل الکتریسیته جریان به را سلولهاي کلی دوگروه به که شدهاند طراحی خورشیدی سلولهاي سلولهاي میان در میشوند. دستهبندی آلی و غيرآلي خورشیدی مزایای دلیل به پلیمری خورشیدی سلولهاي آلی خورشیدی در مواد گسترده کاربرد قابلیت کم وزن انعطافپذیری مانند فراوان توجه مورد بسیار محلول حالت در بودن فرایندپذیر و آنها ساخت سلولهاي رو پيش مروری مقاله در گرفتهاند. قرار پژوهشگران مواد آنها عملکرد نحوه درباره و شده معرفی پلیمری خورشیدی آنها مشخصهیابی و دستهبندی انواع ساخت در رفته بهكار پلیمری میشود. ارائه توضیحاتی پلیمری خورشیدی سلولهاي معرفی مزایای بهدلیل پلیمری خورشیدی سلولهاي اخیر دهه در مانند مزایایی از دستگاهها این گرفتهاند. قرار توجه مورد پیشگفته برخوردارند. زياد جذب ضریب و مناسب انعطافپذیری کم وزن پليمري خورشيدي سلولهاي نانومتری چندصد ضخامت میتوان و است کافی خورشید فرودی تابش بیشتر جذب برای چرخشی پوششدهي مانند ارزانقیمت ساخت فنون با را آنها آنها ساخت ديگر سوي از كرد. تهیه چاپكردن و )spin coating( زا پلیمری خورشیدی سلول است. امکانپذیر انعطافپذیر بهشكل مقیاس در میشود. تشکیل فعال الیه و کاتد آند اصلی بخش سه الیههاي ساخت برای ميتوان را مختلفی روشهاي آزمایشگاهی آنها توضيح به ادامه در که برد بهكار پلیمری خورشیدی سلول میشود. پرداخته الیه پوششدهي برای متداول روشي چرخشی پوششدهي دستگاه از منظور بدين است. پلیمری خورشیدی سلولهاي فعال را سرعت تنظیم قابلیت که ميشود استفاده چرخشی پوششدهي اب الیههایي تشکیل بهمنظور همچنین دارد. پوششدهي زمان در سرعت تغییر یکنواخت شكلشناسي با یا زیاد یا کم ضخامت است آشکار است. امكانپذير مطلوب جهت در دستگاه چرخش ضخامتهاي چرخشی پوششدهی دستگاه زياد سرعتهای در زا مواد حد از بیش اتالف بهدلیل روش این ميآيد. بهدست کمتر نيست. صرفه به مقرون اقتصادی نظر مناسب زیرالیهاي بر مدنظر مواد از محلولی روش این در و سرعت در دستگاه چرخش با كه ترتیب بدين میشود. پوششدهي زیرالیه روي نانومتر( ده )چند مواد از نازکی الیه شده کنترل شتاب فیلم سطحی توپوگرافی و شكلشناسي ضخامت میگیرد. قرار بهدست فیلم ضخامت است. تکرارپذیر بسیار روش این با شده تهیه دارد. بستگی محلول گرانروي و چرخش سرعت به آمده )doctor blading( تیغهای پوششدهي که دیگری روش در نسبت معین فاصلهاي در تیز تیغه حرکت اثر در ميشود ناميده در میماند. بهجا زیرالیه سطح بر مواد از نازکی الیه زیرالیه به شده گرفته بهکار مواد مصرف در قبل روش به نسبت روش این برای بنابراین است. كند فن این اما میشود صرفهجویی بيشتر دارند تبلور یا تجمع به تمایل که زياد غلظت با محلولهايی نیست. مناسب که است نازک فیلمهاي تهیه در دیگري ساده روش ریختهگری مدنظر مواد از محلولی فن این در ندارد. نیاز پیچیده تجهیزات به خشک سپس و ميگيرد قرار زیرالیه سطح روی و ریختهگری روش این در فیلمها ضخامت کنترل که آن توجه شايان میشود. است. دشوار از ریزی قطرههاي جوهرافشان چاپ نام با دیگری روش در این تشکیل میشود. پاشیده زیرالیه سطح روی نمونه محلول است. انجامپذير نمونه محلول روی مکانیکی فشار اعمال با قطرهها الکتریکی میدان كمك با و ميشوند باردار قطرهها این سپس باید نمونه محلول روش این در مییابند. شتاب زیرالیه بهسمت باشد. باردار الکتریکی نظر از و بوده برخوردار كمي گرانروي از روی بهسادگی را مختلف مواد از الیه چند میتوان ترتیب بدین داد. پوشش هم فعال الیه ضخامت پوششدهي مختلف روشهاي در مهم نکته ضخامت سلولها این بهطورکلي است. پلیمری خورشیدی سلول 46

4 مقاالت علمی نانومتری دارند. اما طول مسير نفوذ در الیه فعال برای انتقال الکترون از حفره دهنده به پذيرنده الكترون در حدود 10 nm است که معماری الیه فعال و ضخامت آن در این انتقالها بسیار مؤثر است. تولید سلولهاي خورشیدی پلیمری در مقیاس صنعتی با روش تولیدی آنها در آزمایشگاه متفاوت است. برای پوششدهي در مقیاس تجاری از روشهاي پیوسته استفاده میشود. مهمترین این روشها فن غلتک است که با عنوان قرقره به قرقره یا غلتک به غلتک شناخته میشود. در این روش از زیرالیههاي انعطافپذيري استفاده میشود که روی غلتک حرکت میکنند. بدين ترتيب این روش تاکنون تنها بهمنظور ساخت سلولهاي خورشیدی پلیمری انعطافپذير استفاده شده است. در این روش پس از شستوشوی مناسب و آمادهسازی زیرالیه با روشهايی مانند پوششدهی الیه فعال به ضخامت nm پوششدهي میشود. سپس الیه تماس فلزی روی آن ایجاد شده و عملیات گرمادهي و خشککردن انجام میشود. اگر ترکیبات الیه فعال به هوا یا رطوبت حساس باشند تمام فرایند باید در جو بیاثر یا هوای خشک انجام شود ]4 5[. فنوني مانند قرقره به قرقره امکان تولید روزانه 1000 m 2 تا m 2 از مدولهاي پلیمری را فراهم میکنند. در حالی که تولید چنین مساحتی از صفحههاي سیلیکونی یک سال بهطول میانجامد. هزینه ساخت سلولهاي خورشیدی پلیمری بین m/$ 2 48 تا m/$ 2 138/9 تخمین زده میشود. با درنظرگرفتن بازده تبدیل انرژی 5% و پایداری 5 ساله هزینه تولید مدولهاي پلیمری بین W/$ 1 تا W/$ 2/83 برآورد میشود. این هزینهها سلولهاي خورشیدی پلیمری را از جنبه اقتصادی با سلولهاي خورشیدی سیلیکونی قابل رقابت میسازد ]6[. در الیه فعال سلولهاي خورشیدی پلیمری پلیمرهای رسانای مزدوج بهعنوان ترکیبات دهنده و پذیرنده الکترون بهكار ميروند ]7[. در ادامه به معرفی این ترکیبات پرداخته میشود. پلیمرهای مزدوج اساس کار سلولهاي خورشیدی پلیمری بر پایه استفاده از ترکیبات پلیمری مزدوج در الیه فعال استوار است. هر سلول خورشیدی پلیمری از سه جزء اصلی نورآند الیه فعال و کاتد تشکیل شده است که در بخش مربوط به تفصیل شرح داده میشود. ویژگیهاي الکترونیکی منحصر به فرد پلیمرهای مزدوج موجب استفاده از آنها در زمینههاي مختلف از جمله حسگرهای چندجزئی باتریها و تجهیزات الکترونیکی آلی مانند دیودهاي آلی نشرکننده p z برای تشکیل شکل 1- نمای همپوشانی جانبی اوربیتالهاي پیوند π در پلیمر رسانا مزدوج ]8[. نور و دستگاههاي فوتوولتایی شده است ]8[. پلیمرهای مزدوج از اسکلت کربنی غیراشباع ساخته شدهاند بدین معني که پیوندهای یگانه و دوگانه بهطور متناوب در آنها تکرار میشود. در ساختار این ترکیبات هر اتم کربن با هیبریدشدن sp 3 به سه اتم کربن دیگر p z عمود بر صفحه متصل ميشود و الکترون دیگر در اوربیتال p z اتمهاي مولکول قرار میگیرد. همپوشانی جانبی با اوربیتالهاي کربن مجاور این الکترونها را نامستقر ميكند و موجب تشکیل پیوند π نامستقر ميشود. در اثر این موضوع رسانایی الکتریکی در پلیمرهای مزدوج رخ ميدهد ]7[. شکل 1 همپوشانی جانبی اوربیتالهاي p را برای تشکیل پیوند π نامستقر در پلیاستیلن بهعنوان سادهترین پلیمر رسانا مزدوج نشان میدهد ]9[. ترازهای انرژی مولکولی پیوند π )باالترین اوربیتال مولکولی اشغال شده )HOMO و پیوند * π )پایینترین اوربیتال مولکولی اشغال نشده )LUMO ویژگیهاي اساسی پلیمر مزدوج را مشخص میكنند. تفاوت انرژی ميان HOMO و LUMO بهعنوان نوار فاصله شناخته میشود که عهدهدار ویژگیهاي مختلف مانند جذب نوردرخشایی )photoluminescence( و انتقال بار نور القایی در پلیمرهای مزدوج است. از دیدگاه دیگر همانگونه که در نیمهرساناهای غيرآلي تعریف میشود نوار فاصله پلیمرهای مزدوج اختالف انرژی ميان نوارهای ظرفیت و رسانش است. انرژی نوار ظرفیت برابر با پتانسیل یونشدن يعني انرژی الزم برای حذف یک الکترون از باالترین تراز اشغال شده است. در حالي كه انرژی نوار رسانش برابر با الکترونخواهی يعني مقدار انرژی بهدست آمده در اثر افزودن یک الکترون به پایینترین تراز اشغال نشده تخمین زده میشود ]8[. پلیمرهای مزدوج ثابت دیالکتریک اندكي دارند. در نتیجه در اثر تابش خورشید ابتدا جفت الکترون- مروری بر سلولهاي خورشیدی پلیمری سازوكار عملکرد... فصلنامه علمي-ترويجي سال ششم شماره 3 پاييز

5 مقاالت... عملکرد سازوكار پلیمری خورشیدی سلولهاي بر مروری 1395 پاييز 3 شماره ششم سال علمي-ترويجي فصلنامه )ز( )و( )ه( )د( )ج( )ب( )الف( )ك( )ي( )ط( )ح( )ه( پلیپیرول )د( تیوفن پلی) 3 -آلکیل( )ج( پلیتیوفن )ب( پلیاستیلن )الف( π -مزدوج: پلیمرهای برخی شیمیایی ساختار 2- شکل )ک( و تیوفن پلی) 3 -هگزیل( )ي( پلیهپتادیان )ط( پلیپارافنیلنسولفید )ح( پلیپارافنیلن )ز( وینیلن پلیپارافنیلن )و( پلیایزوتیانفتن.]10[ )PANI( پلیآنیلین معادل مقدار این که میشود جذب 1000 nm حداکثر موج طول با نوار در کاهش مقدار این است. خورشید کل انرژی 80%-70% سلولهاي در انرژی تبدیل بازده شدن برابر سه یا دو موجب فاصله میشود. پلیمری خورشیدی حامالن انتقالهاي فراوانبودن بار: حامالن در زياد انتقالهاي - الکترونهای نفوذ طول ايجاد به مزدوج رساناي پلیمرهای در بار و ميشود منجر نورولتایی فرایند در شده تولید حفرههاي و مطلوب بدینترتیب میدهد. کاهش فعال الیه در را بار حامالن بازترکیب مییابد. افزایش دستگاه در شده تولید جریان پلیمر از شده تهیه نازک فیلم شكلشناسي مناسب: شكلشناسي - پوششدهي زمان در چرخش سرعت حالل تبخیر بهسرعت رسانا تبخیر دارد. بستگی پلیمری محلول غلظت و چرخشی روش با زا پس ميگويند. اكسايتون آن به كه ميشود برانگيخته حفره فاصله نوار ميشوند. برانگيخته آزاد حفرههاي و الکترونها آن درخور بهمقدار که است 1/9-3/5 ev بین مزدوج پلیمرهای بیشتر فاصله نوار و 1/1( ev( سیلیکون فاصله نوار از بیش توجهی ]7[. است خورشیدی سلولهاي در استفاده برای 1/4( ev( ایدهآل داراي مزدوج پلیمرهای بهدستآوردن برای بسیاری پژوهشهاي انرژی ترازهای موقعیت اساس بر دارد. ادامه کوچکتر فاصله نوار الیه در مزدوج پلیمرهای از برخی LUMO و HOMO اوربیتالهاي بهعنوان دیگر برخی و دهنده بهعنوان خورشیدی سلولهاي فعال ترکیبات متداولترین میشوند. گرفته بهکار الکترون پذیرنده 2 شکل در پلیمری خورشیدی سلولهاي در شده استفاده پلیمری ]10[. شدهاند داده نشان و پلیمر نازک فیلم ساختار در نظم افزایش موجب حالل آهسته پس نازک فیلمهاي گرمادهی میشود. مزدوج مسیر طول افزایش الزم البته بخشد. بهبود را آنها شكلشناسي میتواند پوششدهي از شود. کنترل بهدقت گرمادهی زمان و دما است بهمنظور هوا در خورشیدی سلولهاي پایداری پایداری: - و پلیمری الیه تخریب است. مهم بسیار آنها از تجاری استفاده در پلیمری خورشیدی سلول ناپایداری موجب آن شكلشناسي میشود. هوا برابر تراز انرژی مقدار مناسب: LUMO و HOMO انرژی تراز - در آنها اکسایش احتمال میتواند رسانا پلیمرهای در HOMO اکسایش آستانه کند. معین را دستگاه پایداری مقدار و هوا مجاورت انرژی مقدار است. 5/3- ev حدود خأل تراز با مقایسه در هوا در سلول تا باشد مقدار این از بیش نباید رسانا پلیمر در HOMO تراز بهدست تجربیات اساس بر دیگر سوي از بماند. پایدار خورشیدی سطح است الزم مطلوب باز مدار ولتاژ به دستيابي بهمنظور آمده مزدوج رسانای پلیمرهای شیمیایی و فیزیکی خواص بهکار پلیمری خورشیدی سلولهاي ساختار در که رسانا پلیمرهای برخوردار ویژهای شیمیایی و فیزیکی ویژگیهاي از باید میروند برخی آيد. بهدست مطلوب کارایی با دستگاهی که بهگونهای باشند از: عبارتاند ویژگیها این مهمترین از فوتونهاي جذب با فوتوولتایی فرایند زياد: جذب ضریب - برای زياد جذب ضریب داشتن بنابراین میشود. آغاز خورشید است. برخوردار فراواني اهمیت از رسانا پلیمرهای روشهاي از که رسانا پلیمرهای فاصله نوار کوچک: فاصله نوار - میشود معین طيفنمايي اندازهگیریهاي یا الکتروشیمیایی نوری میگیرد. دربر را زيرقرمز تا فرابنفش منطقه تمام و است 1-4 ev موج طول با فوتونهايی 2 ev فاصله نوار داراي مزدوج پلیمر انرژی کل 25% معادل که میکند جذب را 600 nm حداکثر فوتونهاي یابد کاهش 1/2 ev به فاصله نوار اگر است. خورشید 48

6 مقاالت پلیمری خورشیدی سلولهاي در باشد. كم HOMO تراز انرژی از بیشتر باید الکترون دهنده پلیمر در LUMO تراز انرژی سطح الکترونی انتقالهاي تا باشد الکترون پذیرنده در آن انرژی سطح شود. انجام بهدرستی سلولهاي فعال الیه در شده استفاده پلیمر انحاللپذيري: - رایج حاللهاي در مناسب انحاللپذيري از باید پلیمری خورشیدی نازک فیلم میشود موجب كم انحاللپذيري باشد. برخوردار آلی دستگاه عملکرد و نداشته مناسبی شكلشناسي پوششیافته پلیمر موجب پلیمر به شده متصل آلیفاتیکی زنجیرهاي شود. نامطلوب افزایش اثر در همچنین ]11[. میشوند آن انحاللپذيري افزایش انعطافپذیری افزایش و ذوب دمای کاهش جانبی زنجیرهاي زنجيرهاي ميان درونمولکولی همپوشانی و ميدهد رخ پلیمر پلیمر فیلمهاي در بار انتقال گفت میتوان میيابد. کاهش مجاور آنها فشردگی یا زنجیرها ميان همپوشانی درجه بهوسيله رسانا فازهای شدهاند فشرده بهخوبی که زنجیرهايی میشود. معین محدوده افزایش به که میدهند تشکیل مناسبی جهتدار بلوري را بار حاملهاي حرکت و ميشود منجر الکترون استقرار عدم ]12[. میدهد افزایش رسانا پلیمرهای فاصله نوار فاصله نوار مقدار ]13[ ميشود مشاهده 1 جدول در كه همانطور نورولتایی عملکرد آن کاهش با و است تغییرپذير رسانا پلیمرهای فاصله نوار مقدار بر اثرگذار عوامل برخی ادامه در مییابد. بهبود میشوند. معرفی مزدوج پلیمرهای مونومرهای از مزدوج پلیمرهای بیشتر آروماتيكي: خصلت - حلقه در π الکترونهاي نامستقركردن میشوند. تشکیل آروماتیک اين با آروماتيكي خصلت میشود. منجر الکتریکی رسانش به میکند. رقابت π الکترونهاي محبوسکردن با و موضوع پلیمر در مزدوج اصلی زنجیر طول هرچه مزدوج: مسیر طول - ميان پیچخوردگی میشود. کمتر فاصله نوار باشد بیشتر رسانا مقدار افزایش و مزدوج مسیر تخریب موجب مجاور حلقههاي میشود. فاصله نوار و HOMO ترازهای موقعیت میتوانند استخالفها استخالف: اثر - الکتروندهنده گروههاي دهند. تغییر رسانا پلیمر در را LUMO الکترونکشنده گروههاي و میدهند افزایش را HOMO تراز انرژی میشوند. LUMO انرژی مقدار کاهش موجب رد بهطورمعمول مزدوج پلیمرهای درونمولکولی: برهمکنشهاي - که دارند محلول فاز به نسبت کوچکتری فاصله نوار جامد فاز منظم ساختارهای زنجیرهاست. ميان برهمکنشهاي افزایش بهدليل نشان را کوچکتری فاصله نوار نيز نامنظم ساختارهای به نسبت ]14[. میدهند پلیمری خورشیدی سلولهاي اصلی اجزای شده تشکیل زیر اجزای از بهطورکلی پلیمری خورشیدی سلول 3(]15[: )شکل است خورشیدی سلولهاي ساخت در زیرالیه بهعنوان شیشه شیشه: - خورشیدی سلولهاي ساخت بهمنظور ميرود. بهكار پلیمری مانند انعطافپذير زیرالیههاي از میتوان انعطافپذير باشد شفاف بايد زیرالیه كرد. استفاده نیز )PET( پلیاتیلنترفتاالت هب زیرالیه در جذب بدون و بهراحتی خورشید نور که بهگونهای... عملکرد سازوكار پلیمری خورشیدی سلولهاي بر مروری ]15[. پلیمری خورشیدی سلول ساختار از طرحي 3- شکل 1395 پاييز 3 شماره ششم سال علمي-ترويجي فصلنامه فاصله نوار مقادیر و رسانا مزدوج پلیمرهای از تعدادي 1- جدول ]13[. آنها E g (ev) E HOMO (ev) E LUMO (ev) پلیمر PTAA 2/4-5/3-2/9 MEH-PPV 2/1-5/1-3 P3HT 1/8-4/9-3/1 PTV 1/8-5/15-3/35 PDOCPDT 1/73-5/30-3/57 PCPDTBT 1/50-5/10-3/6 PBTTT 1/10-4/70-3/6 PDDTT 49

7 مقاالت 1395 پاييز 3 شماره ششم سال علمي-ترويجي فصلنامه... عملکرد سازوكار پلیمری خورشیدی سلولهاي بر مروری یابد. انتقال درونیتر الیههاي اکسید قلع ایندیم پلیمری خورشیدی سلولهاي اکثر در فوتوآند: - آند نور در استفاده برای نیمهرسانا و شفاف ماده بهعنوان )ITO( پوششدهي روش با معمول بهطور ترکیب این ميرود. بهكار بهدلیل مییابد. پوشش شیشه سطح روی )sputtering( پاششی استفاده برای بزرگ )work function( كار تابع و مناسب شفافیت سالهاي در است. مناسب پلیمری خورشیدی سلولهاي آند نور در ارزانتر رسانای مواد با ITO جایگزینکردن بهمنظور مطالعاتی اخیر است. شده انجام الیه از ساختارها از بسیاری :)HTL( حفره انتقالدهنده الیه - الکترونها نفوذ از HTL میبرند. بهره آند روی حفره انتقالدهنده و اثرگذارتر جمعآوری در مهمی نقش و کرده جلوگیری آند بهسمت رسانا پلیمر مهمترین میكند. ایفا شده تولید الکتریکی بار کارآمدتر استفاده پلیمری خورشیدی سلولهاي ساختار در HTL بهعنوان که سولفونات( تیوفن(:پلی)استیرن دیاکسی پلی) 4 3 -اتیلن میشود پوششدهي روش با آن از نازکی الیه که است )PEDOT:PSS( ]16[. میگیرد قرار ITO روی چرخشی الیه پلیمری خورشیدی سلولهاي در بخش مهمترین فعال: الیه - برعهده را اكسايتون تولید و تابش جذب مسئولیت که است فعال و الکتروندهنده جزء دو از فعال الیه ساختارها اکثر در دارد. ترکیبات اين انتخاب در مهم نکته میشود. تشکیل الکترونپذیرنده مواد از نانومتری الیه آنهاست. در انرژی ترازهای قرارگیری نحوه پوششدهي روش با مناسب انرژی ترازهای و فاصله نوار با پلیمری ]17[. میشود داده پوشش HTL روی چرخشی نیز حفره سدکننده الیه بهعنوان الیه این الکترون: انتقالدهنده الیه - نآ انتقال و الکترون مناسبتر تفکیک بهمنظور و ميشود شناخته است. ترکیبات اين رایجترین از LiF دارد. كاربرد نيز کاتد بهطرف تابع با ترکیباتی از پلیمری خورشیدی سلول از بخش این کاتد: - میبرد بهره آنها از ترکیبی یا Au و Al Ca Cu مانند كوچك کار انتقال امکان کاتد و آند میان کار تابع اختالف برقرارشدن اثر در تا ای پاششی بهروش کاتد پوششدهي معمول بهطور شود. فراهم بار ]18[. ميافتد اتفاق )PVD( خأل در تبخیری پلیمری خورشیدی سلولهاي عملکرد سازوكار به نور تبدیل فرایند ]19[ ميشود مشاهده 4 شکل در که طور همان مرحله چهار در پلیمری خورشیدی سلولهاي بهوسیله الکتریسیته رفته بهکار مواد نوع تغییر میشوند. معرفی ادامه در که ميدهد رخ کارایی بر رطوبت و دما مانند متغیرهایی و دستگاهها این ساختار در ]19[. پلیمری خورشیدی سلول عملکرد سازوكار 4- شکل است. اثرگذار مراحل این از یک هر پلیمر مرحله این در الکترون-حفره: جفت تولید و فوتون جذب - بهواسطه است شده گرفته بهکار فعال الیه ساختار در که مزدوج الکترون-حفره زوج و ميشود برانگيخته خورشید نور جذب ثابت بهدلیل شد گفته که همانطور میکند. تولید اکسایتون یا تابش با برانگيختگي اثر در رسانا پلیمرهای كوچك دیالکتریک میشود. تولید اکسایتون الکترون: پذیرنده و دهنده ترکیب مشترک فصل به اکسایتون نفوذ - و الکتروندهنده ترکیبات مشترک مرز به شکلگیری از پس اکسایتون میکند. نفوذ پذیرنده و دهنده ترکیبات ميان مشترک مرز در اکسایتون تفکیک - تفکیک برای آزاد: حفرههاي و الکترونها تولید و الکترون پذیرنده تماس سطح در است. الزم قوی الکتریکی میدان اکسایتونها در ناگهانی تغییري که زمانی الکترون پذیرنده و دهنده ترکیبات شکل قوی بهنسبت الکتریکی میدان میدهد رخ پتانسیل انرژی باید بروند بین از که آن از پيش اکسایتونها بنابراین میگیرد. آسایش با است ممکن حالت این غیر در برسند. منطقه این به نفوذ محدوده بدهند. دست از را خود انرژی غیرتابشی یا تابشی آلی نیمهرسانای مواد در بهطورکلی و پلیمرها در اکسایتونها در فعال الیه طراحی زمان در مسئله این است nm شود. گرفته درنظر باید پلیمری خورشیدی سلولهاي آزاد بارهای الکتریکی: جریان تولید و آند و کاتد به بار انتقال - و رسیده مناسب الکترود به تخریب از پيش باید شده تولید نیاز محرکه نیروی به بار حامالن منظور این برای شوند. جمعآوری در شیبي الکترون دهنده و پذیرنده ترکیبات تماس محل در دارند. زا شیب این میشود. ایجاد حفرهها و الکترونها شیمیایی پتانسیل LUMO تراز و الکترون دهنده ترکیب HOMO تراز انرژی تفاوت الکتریکی میدان میتواند که میشود ایجاد الکترون پذیرنده ترکیب 50

8 مقاالت )با مختلف کار تابع با الکترود دو بهکاربردن کند. ایجاد درونی میدان بهوجودآمدن موجب حفره( و الکترون جمعآوری هدف به درونی الکتریکی میدان با همراه که ميشود بیرونی الکتریکی بار حامالن در که غلظتی شیب میکنند. کمک بار حامالن حرکت خود که ميشود نفوذی جریانهاي ایجاد موجب نیز دارد وجود حفرهها و کاتد بهسمت الکترونها حرکت برای دیگری محرک ]11 20[. است آند بهسوي فعال الیه ساختار اساس بر پلیمری خورشیدی سلولهاي انواع طراحیهاي کنون تا پیدایش ابتدای از پلیمری خورشیدی سلولهاي خورشیدی سلول معماری در تغییر گذاشتهاند. سر پشت را مختلفی ايجاد انرژی تولید بازده تغيير درنهایت و دستگاه عملکرد تغییر به در اکسایتونها نفوذ محدوده که آنجا از میشود. منجر آن از شده بتوانند كه ساختارهايی به دستيابي است کم سلولها از نوع این در است. اهمیت داراي باشند متناسب اکسایتون نفوذ طول مقدار با پلیمری خورشیدی سلولهاي برای موجود ساختارهای انواع ادامه میشوند. ارائه تکالیه پلیمری خورشیدی سلولهاي نوع به پلیمری خورشیدی سلولهاي ميان در ساختار سادهترین از دستگاهها این ]21[. 5( )شکل دارد تعلق تکالیه پلیمری الکترود دو ميان بهترتیب رسانا پلیمری مواد الیه یک قرارگرفتن ساخته كوچك کار تابع با کاتد الکترود و بزرگ کار تابع با آند میدان شکلگیری به الکترود دو ميان کار تابع در اختالف میشوند. نور که زمانی میشود. منجر پلیمری فعال الیه در درونی الکتریکی HOMO اوربیتال از الکترونها میشود جذب پلیمری الیه بهوسيله و شده برانگیخته الکترون دهنده پلیمری ترکیب LUMO اوربیتال به ]22[. میشود تشکیل اکسایتون ]21[. تکالیه پلیمری خورشیدی سلول از طرحي 5- شکل ]23[. دوالیه پلیمری خورشیدی سلول از طرحي 6- شکل دوالیه پلیمری خورشیدی سلولهای از نوع اين ]23[ است شده داده نمایش 6 شکل در که طور همان متفاوت رسانا پلیمر الیه دو داراي پلیمری خورشیدی سلولهاي انرژی و الکترونخواهی نظر از الیهها این هستند. آند و کاتد ميان مشترک سطح در بنابراین هستند. متفاوت يكديگر با یونیشدن هر میشود. ایجاد الکتروستاتیکی نیروهای بههم متصل دوالیه ميان جدایش امکان باشند بزرگتر شده ايجاد الکتریکی میدانهاي چه پلیمری خورشیدی سلولهای به نسبت را اکسایتونها مؤثرتر پتانسیل و الکترونخواهی دارای الیه میآورند. فراهم تکالیه دهنده دیگر الیه و الکترون پذیرنده الیه بهعنوان بيشتر یونیشدن ]24[. است الکترون )BHJ( تودهای اتصاالت ناجور با پلیمری خورشیدی سلولهای به دوالیه پلیمری خورشیدی سلولهاي در عملکردی ضعف خورشیدی سلولهاي از گروه این در فعال الیه ساختار ارتقاي ناجوراتصال ساختار شده ارائه جدید ساختار است. شده منجر موجود ضعف علت دارد. نام )bulk heterojunction( تودهای پلیمری الیه که است آن دوالیه پلیمری خورشیدی سلولهاي در 100 nm ضخامت دارای دستكم باید فوتون تابش جذب بهمنظور تولید اکسایتونهاي از کمی بخش تنها ضخامتي چنین در باشد. الکترون پذیرنده و دهنده الیه دو مشترک فصل به میتوانند شده BHJ خورشیدی سلولهای مشکل این رفع بهمنظور يابند. دست پلیمری ترکیبات دستگاهها این در ]23[. 7( )شکل شدند طراحی این میشوند. مخلوط یکدیگر با الکتروندهنده و الکترونگیرنده و دهنده فاز هردو ميان تماس سطح افزایش موجب اختالط سلول کارایی بهبود به کار این درنهایت ميشود. الکترون پذیرنده از زیادی تعداد ساختاری درچنین میشود. منجر پلیمری خورشیدی مشترک سطح به رسیدن امکان فعال الیه در تولیدی اکسایتونهاي... عملکرد سازوكار پلیمری خورشیدی سلولهاي بر مروری 1395 پاييز 3 شماره ششم سال علمي-ترويجي فصلنامه 51

9 مقاالت علمی مروری بر سلولهاي خورشیدی پلیمری سازوكار عملکرد... )الف( )ب( شکل 7- سلولهای خورشیدی پلیمری با ناجوراتصاالت تودهای: )الف( الیه فعال تصادفی )ب( ساختار ايدهآل] 23 [. شکل 8- طرحي از سلول خورشیدی پلیمری هیبریدی ]28[. دستيابي به عملکرد بهتر را نوید میدهند. این در حالی است که سلولهاي خورشيدي هيبريدي مزایای منحصر بهفرد خود را یعنی هزینه تولید کم نازکی انعطافپذيری و آسانی تهیه حفظ کردهاند. با تغییر اندازه نانوذرات غيرآلي نوار فاصله و سطوح انرژی آنها بهدلیل اثر اندازه کوانتومی تغییر میکند. از سوي ديگر در این دستگاهها هر دو جزء پلیمری و نانوبلوري از قابليت جذب نور برخوردارند. این نانوذرات میتوانند ساختار پایدار و بلندی نیز )حدود 2-100( nm فراهم کنند و موجب بهبود انتقال بار و تفکیک اکسایتونها شوند ]23[. شکل 8 ساختاری از سلول خورشیدی هیبریدی را نشان میدهد ]28[. ميان دوالیه را دارند و بهطور مؤثر جدا میشوند. به دلیل افزایش سطح مؤثر مقدار بازترکیب در این ساختارها تا حد درخور توجهی کاهش مییابد ]7[. مشخصهیابی سلولهاي خورشیدی پلیمری بهمنظور بررسی عملکرد سلولهاي خورشیدي پلیمری و ويژگيهاي الکتریکی آنها جریان -ولتاژ اندازهگیري میشود. این اندازهگیريها فصلنامه علمي-ترويجي سال ششم شماره 3 پاييز 1395 سلولهاي خورشیدی پلیمری هیبریدی پس از گسترش سلولهاي خورشیدی BHJ انواع پلیمری هیبریدی طراحی شدند. تاکنون ترکیبات متنوعی بهعنوان پذیرنده الکترون در ساختار سلولهاي خورشیدی پلیمری BHJ استفاده شده است كه از آنها ميتوان پلیمرهای مزدوج ]25[ فولرنها ]26[ و نانوبلورهاي غيرآلي ]27[ را نام برد. در سلولهاي خورشیدی پلیمری هیبریدی BHJ از ترکیبات غيرآلي بهويژه اکسیدهای فلزی بهعنوان پذیرنده الکترون و از پلیمرهای مزدوج بهعنوان دهندهالکترون استفاده میشود. از ميان مواد غيرآلي اکسیدهاي فلزی ترکیباتی که بیشترین مطالعه درباره آنها انجام شده است میتوانند بهعنوان الکترونپذیر عمل کنند. اگرچه عملکرد سلولهاي خورشیدی پلیمری هیبریدی در مقايسه با دستگاههايی که از تركيبات فولرن بهعنوان پذیرنده الکترون استفاده میکنند كمتر است اما ظرفيت شکل 9- نمودار جریان-ولتاژ در سلولهاي خورشیدی پلیمری در تاریکی و در اثر تابش ]10[. 52

10 مقاالت 9(. )شکل میپذیرد انجام سفید نور تابش برابر در هم و تاریکی در هم ميكند عبور مختصات مبدأ از ولتاژ جریان- منحنی تاریکی در ]10[. نمیشود تولید جریانی حالت اين در زیرا زا پلیمری خورشیدي سلولهاي مشخصهیابی بهمنظور میشود: استفاده زیر اصطالحات سلولهاي در شده تولید جریان مقدار J(: sc ( کوتاه اتصال جریان - بیشترین حالت این است. صفر ولتاژ ازای به پلیمری خورشیدی هیچ کوتاه اتصال جریان در میدهد. نشان را شده تولید جریان دو اتصال با که است آن مانند و ندارد وجود خارجی مقاومت باشد. داده رخ کوتاه اتصال یکدیگر به کاتد و آند الکترود جریان آن بهازاي که است ولتاژی مقدار V(: oc ( باز مدار ولتاژ - شده طراحی دستگاه در ولتاژ بیشترین مقدار این است. صفر با برابر میدهد. نشان را پرشدگی ضریب )1( معادله براساس :)FF( پرشدگی ضریب - است. V oc و J sc حاصلضرب به P( m ( خروجی توان بيشينه نسبت از پلیمری خورشیدی سلولهاي عملکرد بررسی در کمیت این است: برخوردار ویژهای اهمیت... عملکرد سازوكار پلیمری خورشیدی سلولهاي بر مروری 1395 پاييز 3 شماره ششم سال علمي-ترويجي فصلنامه )1( خورشیدی سلول قابليت کمیت این )η(: انرژی تبدیل بازده - نشان الکتریسیته به خورشید فوتونهاي تبدیل در را پلیمری توان نسبت با برابر انرژی تبدیل بازده )2( معادله برمبناي میدهد. است: )P in ( ورودی نور توان به فوتوولتايي دستگاه الکتریکی )2( تابش شدت و موج طول شدت به فوتوولتایی پاسخ که ازآنجا شرایط در باید انرژی تبدیل بازده اندازهگیري است وابسته فرودي توان و 25 C دماي از: عبارتاند شرایط این شود. انجام استاندارد.]29[ 1000 W/m 2 (P in ( ورودی نور نتیجهگیری و تجدیدناپذیر انرژی منابع محدوديت انرژی بحران بهدلیل فسیلی سوختهاي مصرف از ناشی زیستمحیطی آلودگیهاي انرژی آنها رأس در و تجدیدپذیر انرژی منابع از استفاده لزوم پدیده از استفاده با خورشیدی سلولهاي است. مطرح خورشید کنند. تبدیل الکتریسیته به را خورشید انرژی میتوانند فوتوولتایی بهدلیل آنها پلیمری انواع خورشیدی سلولهاي انواع میان در مواد زياد جذب ضریب آن صفحههاي انعطاف و سبکبودن مناسب انرژی تبدیل بازده و ساخت فنون بودن کمهزینه پلیمری گرفتهاند. قرار توجه مورد بسیار اخیر سالهاي در تودهای اتصال ناجور پلیمری خورشیدی سلولهاي امروزه خشککردن گرمادهی میدهند. نشان 10% از بيش بازدهی افزودن شكلشناسي کنترل افزودنیها فعال الیه آهسته و پیوسته انتقالدهنده و الکترون انتقالدهنده الیههاي )مانند بافر الیههاي افزایش به میتواند جدید ساختارهای طراحی نهایت در و حفره( سنتز و گسترش شود. منجر پلیمری خورشیدی سلولهاي بازده پلیمری خورشیدی سلولهاي توسعه ديگر اهداف از جدید مواد با که باورند این بر پژوهشگران از بسیاری میشود. محسوب تبدیل بازده میتوان جدید رسانا پلیمری مواد ساخت و طراحی موضوع اين داد. افزایش اکسایتونها بیشتر تولید راه از را انرژی يا بیشتر جذب داراي فعال الیه در سازگار مواد کاربرد بهواسطه در جدید طراحی با بنابراین میشود. فراهم بهتر بار انتقال شرایط بازده به دستیابی میتوان پلیمری خورشیدی سلولهاي ساختار داد. نوید را دستگاهها این پایهای و صنعتی کاربرد و بيشتر مراجع 1. Malik M.A., Kiyani O., Srinivasan A., and Makarov S.N., Alternative Solar Cells and Their Implications, B.Sc. Thesis, Worcester Polytechnic Institute, March Martinot E., Renewables 2005: Global Status Report, Worldwatch Institute and Tsinghua University, Washington DC, 1-80, FF = P m / (Voc J sc) η= P m / P in = (Jsc Voc FF) / Pin 3. Panda D.K., Nanostructured Organic Solar Cells, Ph.D Thesis, University of Wollongong, Krebs F.C., Fabrication and Processing of Polymer Solar Cells: A Review of Printing and Coating Techniques, Sol. Energ Mater. Sol. Cells, 93, , Nelson J., Organic Photovoltaic Films, Curr. Opin. Solid State 53

11 مقاالت علمی Mater. Sci., 6, 87-95, Kalowekamo J. and Baker E., Estimating the Manufacturing Cost of Purely Organic Solar Cells, Sol. Energy, 83, , Allen N.S., Photochemistry and Photophysics of Polymeric Materials, John Wiley and Sons, New York, , Brabec C.J., Dyakonov V., Parisi J., and Sariciftci N.S., Organic Photovoltaics: Concepts and Realization, Springer Series in Materials Science, , Gadisa A., Studies of Charge Transport and Energy Level in Solar Cells Based on Polymer/Fullerene Bulk Heterojunction, Dissertation No. 1056, Linköping University, Institute of Technology, Fakharan Z., Naji L., and Ahmadi Z., Preparation and Characterization of Modified Inorganic-Polymer Nanocomposite Membrane for Application in Solar Cells, M.Sc Thesis, Amirkabir University of Technology, September Chi C. and Ye Q., Conjugated Polymers for Organic Solar Cells, M.Sc Thesis, National University of Singapor, Günes S., Neugebauer H., and Sariciftci N.S., Conjugated Polymer-based Organic Solar Cells, Chem. Rev., 107, , Saunders B.R. and Turner M.L., Nanoparticle polymer Photovoltaic Cells, Adv. Colloid Interfac Sci., 138, 1-23, Winder C. and Sariciftci N.S., Low Bandgap Polymers for Photon Harvesting in Bulk Heterojunction Solar Cells, J. Mater. Chem., 14, , Lee C.T. and Lee C.H., Conversion Efficiency Improvement Mechanisms of Polymer Solar Cells by Balance Electron hole Mobility Using Blended P3HT: PCBM: Pentacene Active Layer, Org. Electron., 14, , Jönsson S., Birgerson J., Crispin X., Greczynski G., Osikowicz W., Van der Gon A.D., Salaneck W.R., and Fahlman M., The Effects of Solvents on the Morphology and Sheet Resistance in Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrenesulfonic acid (PEDOT PSS) Films, Synthetic Met., 139, 1-10, Kesters J., Kudret S., Bertho S., Van den Brande N., Defour M., Van Mele B., Penxten H., Lutsen L., Manca J., and Vanderzande D., Enhanced Intrinsic Stability of the Bulk Heterojunction Active Layer Blend of Polymer Solar Cells by Varying the Polymer Side Chain Pattern, Org. Electron., 15, , Benanti T.L. and Venkataraman D., Organic Solar Cells: An Overview Focusing on Active Layer Morphology, Photosynth. Res., 87, 73-81, Facchetti A., Polymer Donor Polymer Acceptor (All-Polymer) Solar Cells, Mater. Today, 16, , Thompson B.C. and Frechet J.M., Polymer Fullerene Composite Solar Cells, Angew. Chem. Int. Ed., 47, 58-77, Ala'a F.E., Sun J.P., Hill I.G., and Welch G.C., Recent Advances of non-fullerene, Small Molecular Acceptors for Solution Processed Bulk Heterojunction Solar Cells, J. Mater. Chem. A, 2, , Gregg B.A. and Hanna M.C., Comparing Organic to Inorganic Photovoltaic Cells: Theory, Experiment, and Simulation, J. Appl. Phys., 93, , Chen J.T. and Hsu C.S., Conjugated Polymer Nanostructures for Organic Solar Cell Applications, Polym. Chem., 2, , McGehee M.D. and Heeger A.J., Semiconducting (conjugated) Polymers as Materials for Solid-State Lasers, Adv. Mater., 12, , Halls J., Walsh C., Greenham N., Marseglia E., Friend R., Moratti S., and Holmes A., Efficient Photodiodes from Interpenetrating Polymer Networks, Nature, 376, , Yu G., Gao J., Hummelen J., Wudl F., and Heeger A., Polymer Photovoltaic Cells: Enhanced Efficiencies via A Network of Internal Donor-Acceptor Heterojunctions, Science, 270, , Greenham N.C., Peng X., and Alivisatos A.P., Charge Separation and Transport in Conjugated-Polymer/Semiconductor-Nanocrystal Composites Studied by Photoluminescence Quenching and Photoconductivity, Phys. Rev. B, 54, , Van Hal P.A., Wienk M.M., Kroon J.M., Verhees W.J.H., Slooff L.H., van Gennip W.J.H., Jonkheijm P., and Janssen R.A.J., Photoinduced Electron Transfer and Photovoltaic Response of a MDMO-PPV:TiO 2 Bulk-Heterojunction, Adv. Mater., 15, , Mishra A. and Bäuerle P., Small Molecule Organic Semiconductors on the Move: Promises for Future Solar Energy Technology, Angew. Chem. Int. Ed., 51, , فصلنامه علمي-ترويجي سال ششم شماره 3 پاييز 1395 مروری بر سلولهاي خورشیدی پلیمری سازوكار عملکرد... 54