سلولهای آلی خورشیدی تودهای اتصاالت پایه بر فولرین پلیمر- از نامتجانس رفیعی محمد مترجم: رهای پلیم از که خورشیدیای لهای سلو راندمان اخیر سال ده در درصد ۹ به درصد ۱ از شدهاند ساخته فولرین مشتقات با مخلوطشده تجاریسازی مستعد را خورشیدی سلولهای فناوری و یافته افزایش جدید مواد توسعه نتیجه در سلولها این بازدهی افزایش است. کرده فولرین ترکیبات است: جدید رهای پلیم یعنی کمتر نوری گافهای با ساختار کنترل در جدید تهای پیشرف و بیشتر بار تفکیک با آلی لهای سلو عملکرد بر حاکم اصول کیفی درک از میکروسکوپی چارچوب یک مطالعات این موازات به میشوند. حاصل خورشیدی ساختار کامل طراحی امکان که است شده دیده تدارک فیزیکی فراهم فوتوولتایی آلی پیشرفته ابزارهای ساخت برای را مواد و رها ابزا فیزیک و مواد علم زمینه دو در را تها پیشرف اینجا در ما یکند. م یکنیم. م بررسی آلی فتوولتایی مواد برای هها دستگا استفاده به عمومی گرایش گذشته سال ده در دو هر در π ترکیب با سلولی الکترونیک مواد از داشته زیادی بسیار افزایش صنعت و علم بخش عامل دو براساس گرایش این کلی بهطور است. منابع به دستیابی ضرورت است: شده ایجاد قابل پیشرفت و کم کربن با و ارزان الکتریسیته»پالستیک.«یا آلی الکترونیک حوزه در مالحظه یا آلی نیمرساناهای از استفاده اولیه انگیزه دورنمای خورشیدی سلولهای در مولکولی چاپ از استفاده با نها آ باالی تولید عملیاتی پیوسته فرایند یک طی محلول از پوشش یا حجم کنار در تولید ارزان شهای رو این است. هزینه یتواند م نیاز مورد آلی نیمرساناهای کم تولید وات هر بهازای یورو ۱ از کمتر به را تولید استفاده کاهش با درنتیجه و دهد کاهش انرژی نوری الکتریسیته استخراج میزان کربنی منابع از ذاتی سبک وزن دهد. افزایش را تولیدشده شفافیت و رنگ تنظیم امکان و انعطافپذیری است یهایی ویژگ آلی خورشیدی سلولهای اجزای ساختار در کها فتوولتائی از استفاده که میکند. جذاب را وسایل دیگر یا ساختمان ساختمان در که انرژیای کم مقدار بهعالوه رد که یدهد م را نوید این یشود م ذخیره آنها در که آیندهای باشند داشته بیشتری رشد آینده ییابد. م افزایش بهسرعت انرژی بهای آن مولکولی مواد از استفاده برای اولیه شهای تال در یک از آلی خورشیدی سلولهای در الکترونیکی مستقیم جایگزین بهعنوان آلی نیمرسانای خورشیدی لهای سلو در غیرآلی نیمرساناهای ضعیف عملکرد آن نتایج و شد استفاده معمول ماده یک امیدوارکننده اولیه دستاورد این بود. نیمرسانای متفاوت الیه دو دارای چندپیوندی به قوی تمایل الیهها این از یکی است غیرآلی دریافت به تمایل دیگری و نها الکترو گرفتن بخش در که مطلبی به باتوجه دارد. حفرهها ساختارهایی میگیرد قرار بحث مورد بعدی تا است الزم نامتجانس تودهای اتصاالت با این مرز در شدن تولید از پس نور حاملهای روی بر کار شوند. جدا یکدیگر از اتصاالت پردازش قابل لهای حال با آمیخته رهای پلیم تودهای اتصاالت با ساختارهایی که داد نشان درونریزی از یتوانند م نامتجانس توزیعشده یا یا متفاوت پلیمر دو از مخلوطی از الیه یک درون در فولرین حل قابل مولکول و پلیمر چندپیوندی مواد نوع این شوند ساخته حالل ساختارهایی بودهاند. موثر نوری جریان تولید در با پلیمر ترکیب از نامتجانس تودهای اتصاالت با نیمرسانای نانوذرات کوچک لهای مولکو دیگر ترکیبات از و فلزی اکسید پذیرندههای یا غیرآلی وجود با شدهاند ساخته تبخیرشده مولکولی داشتهاند: تمرکز پلیمر بر تحقیقات اغلب این دهه در کلیدی تهای پیشرف فولرین. ترکیبات انتخاب از حاصل عملکرد بهبود کشف با اخیر عملیات خودترتیب پلیمر یک از استفاده حالل دها الکترو بهتر تطبیق حرارتدهی مانند پردازش کمتر پیوند شکاف با رهای پلیم آلی ههای الی با پتانسیل با رهای پلیم و جایگزین پذیرندههای آنها دستاورد داشتهاند ادامه بیشتر یونیزاسیون ۹ باالی و )تاییدشده( درصد ۳/۸ بازده بیشنه از وسیعی طیف است. )تاییدنشده( درصد خورشیدی سلولهای برای مادی مهای سیست حالل با پلیمرهای شامل که شدهاند کاوش آلی )که پذیرنده مهای سیست هستند: پردازششده مولکول فولرین باشد( پلیمر یتواند م پذیرنده غیرآلی نیمرسانای نانوذرات کوچک حل قابل تهای شرک گذشته سال پنج در فلزی. اکسید یا 3 شماره خرداد 92 دوازدهم سال 32
و مواد توسعه زمینه در فعالیت حوزه به زیادی و شدهاند وارد آلی خورشیدی سلولهای فناوری بنیادی حوزه دو هر بر تمرکز با علمی تحقیقات است. شده شکوفا تجاری و سلولهای مفهوم درباره مختصری مقاله این سپس کرد. خواهد بحث آلی خورشیدی و دستگاهها علم در اخیر سال پنج تهای پیشرف پلیمری روی بر تمرکز با - آلی فتوولتائیک مواد شده: مطالعه آن روی بر گسترده بهصورت که باتوجه شد. خواهد مرور - فولرین مادی سیستم دیگر مواد ترکیبات مقاله این محدود مجال به توسعه یا تولید پردازش به مربوط مسائل و فتوولتائیک مواد خصوص در تجربی تحقیقات یکنیم. نم بررسی را آلی الکترونیکی سیستم یک کربن مهای ات همسایگی تودههایی اطراف در پراکنده لهای اوربیتا با π شکاف یدهد. م تشکیل نانومتر چندین اندازه با که پرشده π لهای اوربیتا باالترین بین انرژی مولکولی اشغالشده اوربیتال باالترین عنوان با اوربیتال پایینترین و یشود م شناخته (HOMO) معمول بهطور (LUMO) مولکولی اشغالنشده شکاف از کمتر بسیار میزان این است. ۳ ۱ ev در اشغالنشده سطوح و اشغالشده سطوح بین کربن π( ترکیب )نه اشباعنشده مولکول یک است. مرئی نور جذب قابلیت مهمتر مسئله است است معنی این به π لهای اوربیتا تثبیت عدم یا الکتریکی بهصورت است ممکن )که بارها که یتوانند م و دارند ضعیفی پیوند شوند( تولید نوری لها مولکو بین در و درون آزادانه و بهسرعت شکلگیری در بینظمی همچنین شوند. جابهجا ممکن که است معنی این به مولکولی ساختمان مختلف الکترونیکی شهای بخ یهای انرژ است به اتفاق این باشد متفاوت لها مولکو روی بر منجر LUMO و HOMO یهای انرژ پراکندگی انرژی مقدار پایینترین با شهای بخ یشود. م ممکن HOMO انرژی مقدار باالترین و LUMO وجود نتیجه در کنند. عمل بار تله بهصورت است شهای بخ بین الکترونیکی ضعیف شهای واکن بار انتقال قابلیت باری ههای تل و بههمپیوسته است 1 تا 10 6- / محدوده در بهدستآمده نیمرساناهای در که است مقداری از کمتر بسیار و است. شده مشاهده بلوری غیرآلی که مهمی خاصیت فتوولتائیک دهای کاربر در متمایز غیرآلی نیمرساناهای از را آلی نیمرساناهای برانگیخته حاالت آنها در که است این یکند م یک که زمانی هستند. نقطهای و متمرکز حاالتی یشود م جذب آلی نیمرسانای یک توسط فتون بر که اکسایتون یا خنثی برانگیخته جزء یک است متمرکز بخش یک یا و مولکول یک روی چند تنها آن حجم دلیل بههمین و یکند م تولید کنار در فضایی مرزبندی این است. نانومترمکعب آلی نیمرساناهای در )4>ξ>3( عایق کم رسانایی مجزا حفرههای و الکترون به را نها اکسایتو تجزیه در پیونددهنده کلمب انرژی زیرا یسازد م مشکل است زیاد kbt با مقایسه در متمرکز بارهای این کریستال در اکسایتون مقایسه در ۱(. )حدود انرژی با و دارد نانومتر دهها برابر قطری سیلیکون باری تهای جف تولید امکان ۰/۱ حدود پیوند فراهم خودبهخودی بهصورت اتاق دمای در را نیمرسانای یک در اکسایتون درنتیجه یکند. م از پس شد نخواهد تجزیه مختلف بارهای به آلی گاهی که یکند م تنزل پایه حالت نانوثانیه چند لهای سلو در میشود. نور تولید به منجر اوقات با مشکل این نوری دهای دیو و آلی خورشیدی الکترون( )پذیرنده ثانویه مولکولی ذره یک معرفی فولرین مانند دارد الکترون به بیشتری تمایل که اکسایتون یک که زمانی سپس است. شده حل به نزدیک و دهنده اولیه فاز در نوری بهصورت تفاوت با الکترون یشود م تولید دوم نوع مولکول جذب بیشتر تمایل با مولکول به آزاد انرژی را ازدسترفته اکسایتون پیوند انرژی و یشود م و اکسایتون بین ΔG آزاد یهای انرژ تفاوت با ۱(. )شکل یکند م جبران جداشده بار با جزء متفاوت لهای مولکو روی بر بارها آنکه از پس حفرهها و پذیرنده لهای مولکو روی بر نها الکترو بارها گرفتند جای دهنده لهای مولکو روی بر توسط که یدهند م تشکیل دوقلو جفت یک شدهاند. داشته نگه هم کنار در کلمبیک نیروهای است ممکن بار نوع دو جفت این جداشدن با است ممکن یا شوند منتقل مربوطه فازهای به بیرونی مدار به پایین مقاومت با تماس یک در دو که است این نیازمند امر این شوند. جمعآوری باشند. داشته نفوذ واسطه درون در فاز پتانسیل اختالف و نوری جریان ایجاد الزمه پذیرنده دهنده آلی دستگاه یک در نوری است: زیر بهشرح هر یا دهنده پذیرنده بهوسیله باید مرئی نور شود جذب دو باید پذیرنده و دهنده خالص مواد ههای دامن پیش اکسایتون یک که باشد مسافتی از کمتر تمام تا >( 10nm( یکند م طی تجزیه از یعنی شوند جدا نور با تولیدشده نهای اکسایتو شده مخلوط هم با بهخوبی باید ترکیب جز دو باشند برای را مداوم بانفوذ ههای شبک باید فاز دو هر دهند تشکیل دها الکترو به فیلم توده ارتباط باشند متفاوت الکتریکی نظر از باید الکترودها حفرهها و آنها از یکی روی بهخوبی نها الکترو تا ایجاد برای جهتی و کنند تجمع دیگری روی بر با یتواند م انتخاب این کنند. ایجاد نوری جریان یک و پرکار عملکرد با الکترود یک بهکارگیری آید. دست به کمکار عملکرد با الکترود بهصورت الیهای ساختار معمول دستگاه یک قلع اکسید شیشه/ ۲(: )شکل دارد زیر یاکسیتیوفن یاتیلند پل /)ITO( ایندیوم یاستیرن پل :)polyethylenedioxythiophene( polystyrene sulphonate)( سولفونات الیه نوری/ فعال ترکیبی الیه /)(PEDOT: PSS.)LiF/Al یا Ca )مانند کاتدی داخلی رسانای پلیمر یک PEDOT: PSS اینجا در الکترود فعالیت باالبردن برای که است تقویتشده یشود. م گرفته بهکار حفرهها پذیرش در پایینی عملکرد با فلزی )معموال کاتدی درونی الیه از الکترون فعالیت میزان کاهش برای کمکار( الیه یشود. م استفاده الکترون پذیرش در باالیی ۲۰۰ تا ۱۰۰ بین ضخامتی معموال نوری فعال تا ۵۰ بین هها الی دیگر ضخامت و دارد نانومتر ممکن الیهای ساختار همین است. نانومتر ۱۰۰ مانند شفاف انعطافپذیر الیه یک روی بر است تشکیل شیشه بهجای )PET( پلیاتیلنترفتاالت قطبیت با مشابه ساختار حاضر حال در شود. فلزی/ اکسید /ITO شیشه/ )بهصورت: معکوس آلی فوتوولتایی ههای دستگا و مواد 1 پایه بر مولکولی مواد آلی نیمرساناهای مولکول وزن با پلیمرها شامل کربن وزن با»کوچک«لهای مولکو و ۱۰ ۱۰۰ kda اطراف در که هستند ۱۰۰ ۱۰۰۰ مولکولی گرفتهاند. قرار sp هیبریدشده نهای کرب از ستونی رد Pz لهای اربیتا بین الکتریکی شهای واکن 33 3 شماره خرداد 92 دوازدهم سال
a b در که فوتونی هر خورشیدی. آلی سلول یک در الکترون گیرنده و الکترون دهنده بین چندپیوندی انرژی سطح نمودار طرحواره )a( ۱. شکل با سپس و گیرنده LUMO به الکترون آن است ممکن آن از پس یدهد. م ارتقا دهنده LUMO سطح به را الکترون یک شود جذب دهنده انرژی مقدار جزء نمودار )b( است ΔEe یعنی LUMO یهای انرژ بین تفاوت تحریک اسمی نیروی شود. منتقل پیوند از بیرون به جهش یک تفج سهگانه( و )تکی پذیرنده سهگانه( و تکی )اجزای دهنده راست به چپ از یدهد. م نشان داشتهاند نقش جفت تشکیل در که را اجزا هب منتج فرایند قرمز فهای ردی یدهد. م نشان چندپیوندی ماده در را اجزا فضایی تکامل پایین قسمت شدهاند. تفکیک بار با جز و دوقلو غیرجفت بازتولید و جفت بازتولید برانگیختهشده جزء تجزیه و رفتن بین از دهای فراین آبی فهای ردی یدهد. م نشان را نوری جریان تولید یدهد. م نشان را نقره( /PEDOT: PSS نوری/ فعال ترکیبی الیه بهدلیل است گرفته قرار مطالعه مورد بیشتر احتیاج تبخیری فلزی الیه به آن ساختار در اینکه TiO 2 مانند کمکار عملکرد با فلزی اکسید نیست. همین کرد تهنشین محلول از یتوان م را ZnO یا بهکار خمیر بهعنوان یتواند م نقره باالیی اتصال به رل فرایند یک در تولید امکان و شود گرفته کند. فراهم را رل ههای مشخص سیاه( )خط )b( ۳ شکل در بهترین به مربوط ولتاژ جریان معمول از ترکیبی آلی خورشیدی لهای سلو انواع مشتقات و )p3ht( لتیوفن هکسی ۳ پلی استر متیل اسید بوتیریک C61 فنیل فولرین] 6,6 [ مهای سیست به مربوط اطالعاتی کنار در است. شده داده نشان باالتر عملکرد با مادی غیرآلی خورشیدی سلولهای با مقایسه در مدار جریان چگالی فتوولتائیک آلی دستگاههای کمتر ) ( ) ( انباشتگی فاکتور و )Jsc( باز مدار مقادیر اما دارند غیرآلی دستگاههای از لهای سلو به مربوط مقادیر با V( OC ( ولتاژ این با است. مقایسه قابل غیرآلی خورشیدی فتوولتائیک لهای سلو با درمقایسه حال مقدار غیرآلی جاذب مواد انرژی گاف از کمتر زیادی اختالف با از زیادی بخش که یدهد م نشان این است نور تلف نور توسط تولیدشده الکتروشیمیایی انرژی میشود. خورشیدی لهای سلو با مقایسه در تها تفاو مواد خواص به توجه با یتوان م را غیرآلی مقدار JSC مورد در کرد. توجیه آلی نیمرسانای غیرآلی خورشیدی سلولهای به مربوط کمتر نیمرسانای بزرگتر نوری گاف به مربوط بیشتر تا ۱/۵ بین معموال میزان این است استفاده مورد برابر مقدار این سیلیکن در و است الکترونولت ۲ نیمرساناهای به بنابراین است. الکترونولت ۱/۱ مادون ده محدو در بیشتر نور جذب با پایدار آلی که کنیم تاکید باید هرچند است. نیاز قرمز استاندارد خورشیدی طیف در بهینه انرژی گاف بارها جداسازی صرف که انرژی مقداری بهدلیل چندپیوندی خورشیدی سلول یک برای یشود م سیلیکون مانند تکپیوندی ماده یک از بیشتر کهای الکتروولتائی در JSC مقدار بهعالوه است. تحت بسیار چندالیه نازک ساختارهای در آلی دارد. قرار نوری تداخلی اثرات تاثیر جریان تولید بین تغییر با بیشتر انباشتگی فاکتور الکترودها تمایل تغییر با بار بازترکیب و نوری عموما بازتولید دهای فراین یشود. م کنترل»دومولکولی«نام )با غیردوقلو و دوقلو باعنوان بازترکیب یشوند. م متمایز یشود( م شناخته نیز تولیدشده بارهای جفت بازتولید به جفت از )پس اکسایتون گسستگی از پس بالفاصله ویژگی این یشود. م گفته میلیثانیه( ۱۰۰ از و است آلی خورشیدی سلولهای مخصوص ناشی تفکیکشده بارهای جدایش بودن مشکل که الکتریکی میدان یک با یتوان م یشود م دها الکترو در ایجادشده تمایل در وابستگی نوعی بازترکیب کرد. کمک فرایند این به میآورد پدید تفکیکشده بارهای بازترکیب به غیردوقلو فازهای و کم بار پویایی بهدلیل و یشود م گفته پیش مخالف بارهای که معنی این )به متداخل با برخورد معرض در دها الکترو توسط جذب از خورشیدی سلولهای برای هستند( یکدیگر دو هر برای است. برخوردار باالیی اهمیت از آلی جمع یا و تولید در رقابت غیردوقلو و دوقلو فرایند داخلی میکروساختار تاثیر تحت بازترکیب و بار دارد. قرار ترکیب تفکیکشده بارهای انرژی سطوح بهوسیله V OC LUMO و دهنده به مربوط HOMO یعنی این با است شده محدود پذیرنده به مربوط ممکن انباشتگی فاکتور هم و V OC هم حال برای الکترودها با ناقص اتصاالت توسط است ههای الی یا انرژی ضعیف تطبیق بهدلیل مثال بر اتفاق این شود. محدود ارتباطی مقاومتی رهای پلیم زیرا دارد تاثیر آلی کهای الکتروولتائی شوند تقویت بهسرعت یتوانند نم آمیختهشده الکترود در الکتروشیمیایی توان دلیل بههمین انتقال میزان و الکترود کاری عملکرد میزان از یهای انرژ از نهتنها و آلی نیمرسانای بهوسیله بار تاثیر نیمرسانا به مربوط LUMO و HOMO یپذیرد. م در اهدافی آمدن بهوجود سبب یها ویژگ این خورشیدی سلولهای برای جدید مواد توسعه از: عبارتاند اهداف این است شده آلی برای پلیمر نور لبهجذب و انرژی گاف کاهش JSC افزایش بخشنده ماده یونیزاسیون پتانسیل افزایش افزایش برای الکترونخواهی کاهش الکترون بار جدایش هنگام انرژی اتالف کاهش و V OC کنترل قابلیت با خودسازمانده مواد و ترکیب میکروساختار با مطابق کاری عملکرد با الکترود مواد توسعه قابلیت و شفافیت همچنین و جدید نیمرساناهای هدایت. جدید مواد ساخت روی تحقیقات تمرکز داشته همراه به زمینه این در نوینی دستاورهای 3 شماره خرداد 92 دوازدهم سال 34
این درباره بعدی بخش در ۳(. )شکل است شد. خواهد بحث دها دستاور الکتروولتائیک دستگاههای توسعه دیگر هدف سلول چند یا دو آنها در )که چندطبقه درون در متفاوت نوری شکاف با چندپیوندی بازدهی با گرفتهاند( قرار عمودی ساختار یک چندطبقه خورشیدی سلولهای است. باالتر تبدیل با را موثر کار به بازده افزایش امکان جذبشده فتون یهای انرژ از بیشتری مقدار استفاده با را آنها یتوان م قاعدتا یکنند م فراهم چندالیهای محلول پردازش کهای تکنی همان از مورد تکپیوند دستگاههای برای که ساخت ایجاد در نسبی سهولت گرفت. قرار استفاده فرایند یک در پیدرپی بهصورت الیه چندین برای را چندطبقه ساختارهای ساخت مستمر یکند. م دسترسپذیر بسیار آلی نیمرساناهای ههای توسع مرور برای را الزم مجال اینجا در دوطبقه آلی کهای الکتروولتائی در انجامشده سلولهای که یکنیم م تاکید اما نداریم سلول اجزای روی بر کارامد دوطبقه خورشیدی برای که قواعدی و یشوند م ساخته کارامد در یشود م ذکر آلی الکتروولتائیک مواد توسعه است. صادق نیز دوطبقه دستگاههای )c( ) b ( معکوس و )a( معمولی قطبیت در خورشیدی سلول یک الیهای ساختار ۲. شکل تصویر )d( انعطافپذیر الیه یک روی آلی الکتروولتائیک مدول یک در هها الی شمای است. آمده بهدست الکترونی پرتونگاری با که فعال الیه در میکروساختار جریان چگالی )b( فولرین پلیمر: برپایه خورشیدی لهای سلو کارامدی تکامل )a( ۳. شکل و سیاه( )خط P3HT: PCBM شناختهشده سیستم برای ولتاژ ههای مشخص دستگاه قرمز( )منحنی PCBM مکرر نفوذ با P3HT برتر: مواد بهای ترکی از تعدادی poly[2,6- (4,4-bis- (2-ethylhexyl) -4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b ]-dithiophene) -alt- نارنجی( )منحنی 4,7- (2,1,3-benzothiadiazole) ] (PCPDTBT) : PC70BM poly[n-9-hepta-decanyl-2,7-carbazole-alt-5,5- (4,7-di-2-thienyl-2,1,3-benzothiadi- و آبی( )منحنی azole) (PCDTBT) : PC70BM Poly[[4,8-bis[ (2-ethylhexyl) oxy]benzo[1,2-b: 4,5-b ]dithiophene-2,6-diyl][3-fluoro-2-[ (2-ethylhexyl) carbonyl]thieno[3,4-b]thiophenediyl]] (PTB7) : PC70BM نشان نیز تاییدشده خورشیدی سلول کارامدترین به مربوط JSC و VOC مقدار همچنین است. شده داده پیشرفتدرطراحی سنتز وکنترلمواد 2 پایین نوری شکاف با مواد.1 2 در جذب میزان افزایش جهت راهبردهایی آلی خورشیدی سلولهای برای دهنده رهای پلیم راهکارهایی شامل راهبردها این شدهاند. اتخاذ در پیوند طول افزایش آنها هدف که است مثال: بهعنوان است π ترکیب با شهای بخ که تیوفن ههای حلق با فنیل ههای حلق جایگزینی استری اثرات با پلیمر اسکلت الیهایکردن به استفاده با اطراف رهای مونوم الیهایکردن به یا الیهایکردن یکند. م کمک واسط مهای ات از تودههای برای شکلگیری امکان ایجاد با یتواند م شود. نوری شکاف بیشتر کاهش سبب π انبوه یها چنداتم دادن تغییر جایگزین دستاورد سولفور اتم جایگزینی است: کلی اسکلت در انرژی ایجاد سبب که سلنیوم با یتیوفن پل در تغییر بدون HOMO انرژی ولی کمتر LUMO استفاده اکنون که سوم راه یشود. م مولکول در ترکیب از استفاده است یافته گسترش آن از کمالکترون و تیوفن( )مانند پرالکترون دهای واح نام به که ساختاری با بنزوتیادیازل] BT [( )مانند اصلی اسکلت در یشود م شناخته کشش رانش مربوط HOMO انرژی مورد این در است. پلیمر به مربوط HOMO انرژی بر کمالکترون واحد به بر پرالکترون واحد LUMO انرژی نیز کوپلیمر استراتژی این یشود. م مسلط آن LUMO انرژی کشش و رانش دهای واح گسترده طیف بهدلیل همچنین و دارد وجود آنها از استفاده امکان که LUMO و HOMO یهای انرژ کنترل امکان بهشکل مستقل بهصورت کوپلیمر به مربوط 35 3 شماره خرداد 92 دوازدهم سال
پیشرفت یگیرد. م قرار استفاده مورد گسترده با آلی کهای الکتروولتائی کارایی در ذکر قابل دست به رانش کشش رهای کوپلیم بهکارگیری یتیوفن د ساختارهای پایه بر که است آمده BT25 کربازل ساختارهای 28 BT24 و اصالحشده BT یتیونوبنزن د ساختارهای ساخته تیوفن پیرولوپیرول یکتو د ساختارهای ۴(. )شکل شدهاند مرئی محدوده در نوری جذب نها فولری در و است ضعیف C60 قفس باالی تقارن بهدلیل اینجا در است. ممنوع نوری انتقال برای تقارن این با C60 قفس جایگزینی با یتوان م را نور جذب این داد. بهبود C70 مانند کمتقارنتر ماده یک آبی سبز جذب باالی قدرت ایجاد سبب راهکار دلیل بههمین یشود م C70 نهای فولری توسط پایین شکاف با رهایی پلیم با آنها از معموال کامل را پلیمر جذب قدرت تا یشود م استفاده دهد. پوشش نیز را مرئی محدوده و کند پلیمرهاییباپتانسیلیونیزاسیونباالتر 2. 2 کمتر الکترونخواهی با ههایی پذیرند و طراحی برای کشش رانش کوپلیمرهای از جهت پایینتر HOMO انرژی با پلیمرهایی تا یشود م استفاده نیز دستگاه V OC افزایش LUMO و HOMO یهای انرژ کنترل امکان همچنین کند. فراهم جداگانه بهصورت را پلیمر رهای پلیم میدهد نشان که دارد وجود شواهدی بار جفت جدایش امکان یتوانند م کشش رانش انواع دیگر به نسبت ΔG پایینتر مقادیر در را افزایش برای دیگر راهکارهای کنند. فراهم پلیمر مهای ات جانشینی شامل پلیمر در HOMO انرژی ایجاد و الکترونیکی منفی نهای سیلیک با اتصالی این البته است پلیمر اصلی اسکلت در پیچش دارد. منفی تاثیر نوری شکاف افزایش بر عملیات V OC آوردن دست به برای خوب روش یک افزدون با فولرین الکترونخواهی کاهش بیشتر و PCBM مانند مشتقاتی به جانبی زنجیرههای اشغالشده اندوهدرال نهای فولری به همچنین دستاورد این ۴(. )شکل است فلزی هیدرید با یکند م کار P3HT پلیمر کریستالین با بهخوبی باموفقیت آمورف رهای پلیم از هیچیک با اما یتواند م موضوع این دلیل است. نکرده کار باشد آن انتقال درنتیجه و نامنظم میکروساختار ایجاد غیرمتبلور فولرین کشیدن درون با که بهدلیل بار تولید بر تاثیری یتواند م و یکند م باشد. داشته کاهش رقابت به هم فاز جدایی از خاصی درجه بهعالوه بین رقابت به هم و بازترکیب و بار جمع بین در یکند. م کمک دوقلو بازتولید و بار تفکیک که طولی با باید هها دامن اندازه ایدهآل حالت یشوند م منتشر آن از بیشتر طول در نها اکسایتو چند بین معموال اندازه )این باشد مقایسه قابل از برخی برای نانومتر ۱۰ و P3HT برای نانومتر نیز نانومتر ده چند این وجود با است(. پلیمرها گزارش کریستالی مولکولی نیمرساناهای برای در رقابت خصوص در که تحقیقاتی است. شده که یدهد م نشان گرفته صورت بازترکیب و تولید فازها از یکی حداقل که هنگامی بار تفکیک بازده ییابد م کاهش است خوشترکیب کریستالین/ بیشتر تثبیت عدم است ممکن اتفاق این دلیل کولومبیک ترکیب انرژی و الکترونیک اجزای باشد. ایجادشده کمتر یک از که ترکیبی فیلم ساختار عمل در فاکتورهای به است شده تهنشین تکی محلول شهای رو حالل )ازجمله: است حساس زیادی و مواد خودمدیریتشونده خواص دما تهنشینی افزودنیها( و پذیرنده و دهنده بین انفعاالت و فعل راهبردی است. سخت آن کنترل دلیل بههمین میشود استفاده میکروساختارها کنترل برای که است ساختاری موتیف یک در آن ساختن شامل را پلیمر زنجیرههای خودسازمانده بهطور تا رژیورگیوالر P3HT با مثال برای کند تقویت عملیات یا پردازشی یهای افزودن از استفاده با و یکند. م کنترل را دینامیکی استحکام که گرمایی حدود تا یکدیگر در نفوذ میزان یا تفکیک میزان امکان به بهویژه و پلیمر ساختار به زیادی پلیمر زنجیرههای میان در فولرین جایگیری یتواند م جفت فازی رفتار مطالعه است. وابسته را میکروساختار بهترین که حاالتی تعریف به بهدست ترکیبات همه کند. کمک کند ارائه ترمودینامیکی ناپایدار ساختارهای سمت به آمده طول در فازها فروپاشی خطر و دارند گرایش ساختارهایی دارد. وجود گرما معرض در یا زمان از استفاده با یتوان م را بهتر فازی رفتار تعریف با در کهای بلو طول که چندبلوکی رهای کوپلیم مهای فیل در را دامنه اندازه پلیمر اصلی اسکلت این با بخشید تحقق یکند م مشخص ترکیب ترکیب دستگاههای در رها پلیم کارایی حال این از جدا است. دستنیافتنی هنوز فولرینی باتوجه غیرآلی آلی/ هیبریدی ساختارهای بحث غیرآلی پایدار و صلب چارچوب ساخت امکان به هستند. امیدبخش میکروساختارها کنترل برای کنترل به فاز سهبعدی ساختار کنترل همانند چون است نیاز نیز فیلم ترکیب در فازها تفکیک جهتدهی و الکترود انتخابپذیری به یتواند م انتخاب شامل دها دستاور کند. کمک نوری جریان و بیشانباشتن فرایند با ترکیبشده دهای الکترو محلول درون از مختلف ههای الی ایجاد دهای مت و ترکیب فیلم میکروساختار پیچیدگی یشود. م به منجر نانو مقیاس در ساختار شناسایی دشواری کاوشگرهای از استفاده با فراوانی تحقیقات انجام میکروسکوپی/ ترکیب و میکروسکوپی ساختاری AFM TEM XRD )شامل اسپکتروسکوپی است. شده )PET و SE RAMAN پلیمرها P3HT PCPDTBT PCDTBT کلی اسکلت شیمیایی ساختار )a( ۴. شکل وضوح بهمنظور جانبی ههای زنجیر.DPP-co-thienothiophene پلیمر یک و PTB7 دوشاخه شاخهدار ساختار و PCBM فولرین شیمیایی ساختار )b( شدهاند حذف بیشتر.)ICBA( ایندین فولرین از دوشاخه ترکیبی ساختار یک و آن سهشاخه و ترکیب میکروساختار کنترل.3 2 ایدهآل پلیمر نوری جریان موثر تولید جهت ترکیب کافی میزان باید فولرین( )فیلمترکیب آورد فراهم اکسایتون گسیختگی برای را فازها و مولکولی ترتیب از باالیی میزان همچنین ایجاد را پذیرنده و دهنده فازهای بین ارتباط یکنند. م تسهیل را بار انتقال موارد این زیرا کند 3 شماره خرداد 92 دوازدهم سال 36
الکترود در استفاده مورد مواد.4 2 تحقیقات رشد با جدید نوری فعال مواد توسعه همراه درونالیهای مواد و دها الکترو زمینه در به نیاز مدیون حدودی تا رشد این است. بوده تابع یا پایینتر کار تابع با الکترودهایی یافتن اهمی اتصاالت به رسیدن برای بیشتر کار LUMO مقدار )با جدید نوری فعال مواد با همچنین است باالتر( HOMO یا پایینتر رسانا شفاف ههای الی برای جستوجو وامدار پایینتر درونی انرژی مقدار و کمتر هزینه با بهصورت )که اکسید قلع اینیدیون به نسبت و است یگیرد( م قرار استفاده مورد گسترده برای پایدارتر نهای جایگزی جستوجوی نیز درونالیهای دهای الکترو انفعالی. کاتدی فلزات دهای اکسی هستند: موارد این شامل جایگزین NiO WO 3 MoO 3 مانند باال کاری عملکرد با TiO 2 مانند پایین کار تابع با پایدار دهای اکسی آلی ههای الی و پلیمری ههای درونالی ZnO و بخار فاز و باال رسانش با PEDOT مانند رسانا ۶۲ کربنی ههای نانولول PEDOT پلیمریشده ههای الی نانوسیمها. پایه بر فلزی ههای الی و ههای الی و پردازش قابل محلول با اکسیدی باال مقیاس در پردازش برای پلیمری رسانای یشوند. م داده ترجیح الکترودی و نوری فعال مواد توسعه از هدف کارایی بهدستآوردن برای تالش مثل نیز بوده دستگاهها بیشتر عمر طول به احتیاج باال این به دستیابی به میتوان دیگر اهداف از است. نیمرساناهای توسعه و طراحی کرد: اشاره موارد بهبودیافته شیمیایی نور پایداری با آلی بیشتر استقامت با ترکیب نهای فورموالسیو پایداری با الکترودی مواد و گرمایش تحت الکتروشیمیاییبیشتر. یکند: م تبعیت دستگاه )۱( 1_. e J=G-R G نوری جریان چگال J ههای مولف رابطه این در بازترکیب حجم میزان R و بار تولید حجم میزان الکترود با بهدرستی که بار چگالی میزان و است خواص ربطدادن دوم چالش است. مرتبط مواد شیمیایی ساختار به مواد اپتوالکتریکی است. کمی بهصورت ولتاژ جریان رفتار لهای مد 4 کهای دستاوردهایاولیهدرمدلسازیالکتروولتائی لهای سلو فیزیکی خواص براساس آلی از یکی شدهاند. حاصل معمول خورشیدی برپایه Schilinsky et al. توسط مفید مطالعات که گرفته صورت دیود ایدهآل تعدیلشده معادله است شده محدود عمر طول با نوری جریان آن در شده استفاده مواد خواص برای تجربی مقادیر از و برای پیوسته مدل یک از بعدی مطالعات است. جهت پیوستگی معادله و پراکندگی لغزش حل انرژی پردازش در موثر واسطهای به رسیدن LUMO انرژی و دهنده ماده به مربوط HOMO این در است. کرده استفاده پذیرنده به مربوط مدلی از استفاده با معموال G بار تولید مدلها اندازهگیریشده نوری خواص بههمراه نوری J در انتقال ههای مولف یشود م محاسبه مواد تحرک از معموال هستند خطی بار چگالی در که بازترکیب یکنند م استفاده اندازهگیریشده زیر معادله مطابق النگوین دو مرتبه فرایند با یشود: م مدلسازی )۲( الکترون و حفره تحرک و معادله این در رسانایی و حفره و الکترون چگالی p و n نتایج از مورد دو یدهد. م نشان را یالکتریک د را دومولکولی بازتولید فرایند نوع این مستقیم بار تحرک اینکه اول کرد: بیان اینطور میتوان دوم و یدهد م افزایش بازترکیب در را کماتالف باید دستگاه در حفره و الکترون تحرک اینکه را بازترکیب اتالفات تا باشد شده متعادل بهخوبی توسط تولیدشده بار چگالی از معینی میزان برای مطالعات این در حال این با دهد. کاهش نور تاریک و روشن JV نمودارهای کاهش امکان توصیف امکان درنتیجه و همزمان بهصورت ندارد. وجود کم انباشتگی فاکتور در کم انباشتگی فاکتور برای تعریف دو شده ارائه آلی کهای الکتروولتائی دستگاههای لهای تمای به بار تولید مجموع میزان 1 است: بار بازترکیب میزان 2 و دارد بستگی اعمالشده به نسبت بار حامل چگالی به قویتری وابستگی آمد. دست به )۲( معادله از که دارد مقداری پایه بر جریان تولید وابستگی به مربوط بحث است شکل همان به و Onsager گسستی تئوری تولید اینجا در بود. کرده استفاده Braun که به وابسته گسستگی بین رقابت بهصورت بار با تولیدشده دوقلوی تهای جف نابودی و میدان به وابسته تولید اثبات است. مدلسازیشده نور دارد قرار طیفنمایی مطالعات با تضاد در میدان وابستگی و رسیدهاند نتیجه به زمان طول در که را مستقل حرکتی مسائل از برخی و میدان بازترکیب این عددی لهای مد در یکند. م بیان شده بیان G متغیر در میدان به وابسته دوقلوی جفت بقای که یدهد م نشان تجربی نتایج است. ردیف به الکتریکی میدان عالوهبر اصوال دوقلو دارد. بستگی مولکولی موضعی ترتیب و انرژیایی کمی بهصورت هنوز تاثیرات این حال این با نشدهاند. درک بهدلیل بار بازترکیب ترتیب دوم نکته با باتوجه آلی نیمرساناهای در بار لهای حام کم تحرک هک تجربیای یهای اندازهگیر است. اهمیت دارای نشان است شده انجام مختلف گروههای توسط پایه بر خورشیدی لهای سلو برای که یدهد م توان با بار چگالی به R مقدار P3HT: PCBM α آن در که R α n α است وابسته ۲ از بیشتر به مربوط یتواند م این است. ۳ حدود در معموال نیمرساناهای به بار پویایی بار چگالی وابستگی از و هستند نامرتب انرژی لحاظ از که باشد آلی ناشی )دام( پایین سطح انرژی شهای بخ شدن پر افتادن دام به غیرخطی اثرات که زمانی یشود. م لهای مد در تلهای شهای بخ توسط بازترکیب و یتوانند م لها مد این یشود م داده جای عددی P3HT: فتوولتائیک دستگاههای انباشتگی فاکتور ولتاژی وابستگی همچنین a( ۵ )شکل PCBM در کنند. توجیه را تیره جریان و نوری جریان به است ممکن دیگر مواد مهای سیست سایر اثر باشد. نیاز هم گرایش به وابسته تولید نرخ توان در LUMO و HOMO یهای انرژ توزیع دهای الکترو در بار لهای حام توده الکتروشیمیایی شبیهسازی نیز خروجی ولتاژ درنتیجه و مربوطه ههای مشخص اخیر تهای پیشرف است. شده یتواند م آلی کهای الکتروولتائی اصلی عملکردی مربوط مواد دهای الکترو خواص به کمی بهصورت باشد. باید بازترکیب ترتیب همانند نیز بزرگی عموما شود اصالح تودهای چندپیوندی ماده یک برای نرخی سرعت کاهش موجب فاز تفکیک چون این یرسند. م یکدیگر به بارها آن در که میشود با P3HT: PCBM ترکیبی مهای سیست در اثرات از پس آنها در شدهاند مشاهده وضوح بیشترین سه تا دو سرعتی با بازترکیب گرمایی عملیات انتظار یشود. م انجام Langevin از آهستهتر برابر کریستالین رهای پلیم برای فاکتور این یرود م باشد بیشتر یدهند( م شدت را بار تفکیک )که ماده خواص و آن بین کمی رابطهای یتوان نم اما کرد. تعریف استفاده مورد ساختارمیکروسکوپیارتباطبینخواص 5 ولتاژی واکنش محاسبه در که مواد رهای متغی یهایفیزیکیدستگاهها پیشرفتویژگ 3 شد آنها به باال در که مواد توسعه راهبردهای بر موانع اصلیترین از یکی هستند. تجربی بسیار ارانیک کهای الکتروولتائی فناوری توسعه راه سر است مناسب مدلسازی چارچوب یک نبود ساختار به را دستگاه عملکرد بتواند که چارچوبی قابل رابطهای با دستگاه شیمیایی و فیزیکی چالش از چالش این سازد. مرتبط پیشبینی بسیار مرسوم خورشیدی سلولهای به مربوط و مواد زیاد تنوع موضوع این علت است. بزرگتر همچنین و است مواد مدیریت در ممکن حاالت )جایگیری آلی نیمرساناهای خاص یهای ویژگ چالش دو اینجا در بودن(. ناهمگن و بینظمی شبیهسازی اول چالش میکنیم. بررسی را اصلی به مربوط )J-V( ولتاژ جریان چگالی خواص مواد اپتوالکتریک خواص از استفاده با دستگاه مناسبی فرمولبندی یافتن نیازمند کار این است. در بازترکیب و تولید جریان ههای مولف از است پایدار حالت رفتار که الکترون پیوستگی تساوی 37 3 شماره خرداد 92 دوازدهم سال
از: عبارتاند هستند دخیل خورشیدی سلول بار تفکیک بر که عواملی 2 انرژی شکاف 1 میدان و دامنه ترتیب و اندازه ΔG( دارند تاثیر در ترکیب فیلم میکروساختار 3 الکتریکی( بازتولید بر که موضعی ترتیب و بار تفکیک مورد اجزای تراکم 4 و یگذارد م تاثیر بار تحرک و تحرک و بازتولید نرخ بر نیز مورد این که مواد به خروجی ولتاژ وابستگی بر همچنین و بار قبولی مورد راه هنوز یگذارد. م تاثیر بار چگالی شیمیایی ساختار از خواص این پیشبینی برای بیشتری تهای پیشرف اما است نشده ارائه ماده است. داده رخ توسعه شهای رو در نوری شکاف که LUMO و HOMO یهای انرژ نیروی نیز یکنند م کنترل را پذیرنده و دهنده از استفاده با و بهآسانی بار تفکیک محرک فولرینها و پلیمرها شیمیایی کوانتومی محاسبات نیروی حال این با b۵(. )شکل یشود م محاسبه یهای دوقطب وجود بهدلیل است ممکن محرک یهای انرژ به توجه با که مقداری با سطحی باشد. متفاوت داریم انتظار LUMO و HOMO انتقال و )تحرک انتقال شبیهسازی فرایند در شها رو از ترکیبی از باید بازترکیب( محدود شروع شیمیایی ساختارهای با اگر کرد. استفاده یهای شبیهساز از بهرهگیری با یتوان م کنیم نهای میدا از استفاده با که مولکولی دینامیک را ساختارهایی شدهاند انجام مناسب نیروی لها مولکو چیدن هم کنار با که کرد شبیهسازی یتوان م نیز را انتقال c۵(. )شکل شدهاند تشکیل رد پیوسته دهای واح بین بارها جهش بهصورت در کرد شبیهسازی نمونه مولکولی ساختارهای کوانتوم با بار درونمولکولی انتقال خهای نر اینجا با بار کلی تحرک و یشود م محاسبه شیمیایی معادله یا کارلو مونت بهای تقری از استفاده یشود. م زده تخمین )Master Equation( ارشد از هم و کمی نظر از هم تحقیقات این حاصل مورد در دستآمده به تجربیات با کیفی نظر شهای رو از دارد. تطابق سیستمها از بسیاری انتقال شبیهسازی برای یتوان م نیز مشابه بازترکیب رهای پارامت استخراج بازترکیب محدود کرد. استفاده اکسایتون انتشار شبیهسازی و کوانتومی محاسبات و ترکیبی مولکولی مدلسازی رب یها نابجای اثرات آوردن دست به در شیمیایی به چندانی کمک اما هستند موثر بار دینامیک چگونگی سر بر یکنند. نم نابجایی مقدار محاسبه آلی کهای الکتروولتائی در اجزا چگالی محاسبه مقیاس در محاسبات اما ندارد وجود نظر اتفاق )Tight binding( کوتاه اتصال لهای مد و باال شدهاند. ارائه P3HT برای واکنش و خواص شبیهسازی برای ابزارها بیشتر دانش بهوسیله آلی الکتروولتائیک دستگاههای انتظار شدهاند برده بهکار مواد ساختار به مربوط شهای رو در رو پیش لهای سا در میرود توسعه و جدید مادی مهای سیست تعریف توسعه قابل تهای پیشرف جدید مواد برای طراحی قواعد عددی مدل یک از استفاده با منحنی این ولتاژ جریان مشخصه منحنی )a( ۵. شکل و الکترون به مربوط تلهای شهای بخ نمایی ههای دنبال شامل که است شده شبیهسازی LUMO و HOMO رهای اربیتا )b( یدهد م نشان را شها بخ پراکندگی نمودار است. حفره برای است. شده محاسبه چگالی تابعی نظریه از استفاده با که PCBDTBT به مربوط روی بر پرالکترون واحد در LUMO رانش کشش رهای پلیم دیگر و PCBDTBT و P3HT ههای زنجیر از که ساختاری از طرحی )c( یگیرد م جای پلیمر اصلی اسکلت است. شده شبیهسازی مولکولی دینامیک از استفاده با و شده تشکیل PCBM لهای مولکو چالش بزرگترین کنیم. مشاهده مالحظهای مناسب فیزیکی مدل یافتن باقیمانده مفهومی تفکیک دلیل هم هنوز است. بار تفکیک برای و فعل انرژی وجود با باال کارایی با بار تهای جف توجیهاتی از است. پوشیده زیاد کلمبیک انفعالی نقش به یتوان م شدهاند ارائه پدیده این برای که تحریکشده ترازهای نقش الکتریکی میدان گرم( ترازهای اصطالحا )یا باال انرژی با مرتعش گسترده ههای دامن در بار پراکندگی تاثیر و مثبتی اثرات است ممکن همچنین کرد. اشاره کشش پلیمرهای در درونزنجیری قطبیت از تفکیک روند بهتر فهم باشد. داشته وجود رانش انتقال اجزای مورد در بیشتر مطالعات نیازمند بار دارند نقش جفت تشکیل در که اجزایی یعنی بار است. ولتاژ تولید و جمعبندی 6 پیشرفت شاهد گذشته سال ده در سطح از بودهایم: آلی کهای الکتروولتائی کارایی با دستگاههایی با علمی یهای کنجکاو و تحقیق پیشرفته سطح تا درصد ۱ حدود منبع: یهای فناور با رقابت قابل دستگاههای با توسعه عوامل از صنعت. به آنها ورود و نازک فیلم دو به میتوان دستگاهها کارایی در پیشرفت آلی نیمرسانای مواد توسعه اول کرد: اشاره مورد کهای الکتروولتائی در استفاده مخصوص و جدید توسعه دوم و تجربی عموما قواعد پایه بر آلی دستگاهها برای مناسب فیزیکی بهای چارچو و دستگاهها ساختار طراحی به دستیابی به که یرسد م بهنظر کرد. کمک مناسب مواد انتخاب دست به قدرت تبدیل در کارایی آینده سال در بهدست برای کند. عبور درصد ۱۰ مرز از آمده کهای الکتروولتائی از توجه قابل خروجی آوردن به نیاز پاسخگوی باید آینده شهای تال آلی باشد موادی طراحی و پایدارتر مواد طراحی طبیعت با هستد مناسب انبوه تولید برای که است. کمهزینه تولیدشان دهای فراین و سازگارند سیستم اجزای توسعه زمینه در باید همچنین وزن و انعطافپذیری جهت نصب حهای طر و تا کنند فعالیت آلی کهای الکتروولتائی مواد کم انرژی به دسترسی و دهند کاهش را کلی هزینه کند. بیشتر را خورشیدی الکتریکی Jenny Nelson, Materials today, V14, 2011 3 شماره خرداد 92 دوازدهم سال 38