WŁAŚCIWOŚCI FOTOWOLTAICZNE MIESZANIN AZOMETIN Z POLIMERAMI TIOFENOWYMI.

Transkrypt

1 łowa kluczowe: fotowoltaika organiczna, ogniwa słoneczne, PCBM, azometiny,p3ht Elżbieta M. WAK 1, Marzena GRUCELA 2, Ewa CHAB-BLCERZAK 2, Jerzy AETRA 3 WŁAŚCIWŚCI FTWLTAICZE MIEZAI AZMETI Z PLIMERAMI TIFEWYMI. treszczenie: W pracy przedstawiony jest wpływ materiałów GR27 oraz GR28 na właściwości fotowoltaiczne mieszaniny PCBM:P3HT. Wprowadzając dodatkowy związek do tej mieszaniny zwiększono wydajność kwantową układu z 3,94% na 4,88% i 5,34%. 1. WTĘP Dla współczesnego człowieka najważniejszym wyzwaniem jest zapewnienie energii dla wszystkich mieszkańców Ziemi. Konwencjonalne źródła energii takie jak węgiel czy ropa naftowa są coraz trudniej dostępne i w końcu ich zasoby zostaną wyczerpane. Podobnie sytuacja wygląda z elektrowniami jądrowymi, które ponadto wymagają składowania odpadów, choć energia uzyskiwana tą drogą jest stosunkowo tania. Elektrownie wiatrowe czy wodne mają niestety negatywny wpływ na środowisko. Pozostaje wykorzystanie efektu fotowoltaicznego. Zastosowanie półprzewodników nieorganicznych do tego efektu jest niestety bardzo drogie ponieważ wymaga dużej ilości energii do ich wyprodukowania. Trzeba więc zastosować fotowoltaikę opartą na materiałach organicznych. Zaletami związków organicznych jest niedroga produkcja, elastyczność, dowolność kształtu i faktury, częściowa przepuszczalność światła. Model wyjaśniający zjawisko fotowoltaiczne zakłada, że foton zaabsorbowany w warstwie aktywnej kreuje ekscyton, który musi się rozdzielić na swobodną dziurę i elektron gdy napotka różnicę potencjału występującą na połączeniu dwu związków. ależy zatem dobrać materiały tak, aby różnica potencjałów zapewniała skuteczne rozseparowanie (rys. 1). Ładunki po rozdzieleniu dyfundują do elektrod. 1. WIiTCh, Politechnika Krakowska ul. Warszawska 24, Kraków 2. CMPW, Polska Akademia auk, ul. M. Curie-kłodowskiej 34, Zabrze 3. WFMiI, Politechnika Krakowska, ul. Podchorążych 1, Kraków

2 2. MATERIAŁY I PRZYGTWAIE TRUKTUR FTWLTAICZYCH W artykule przedstawione zostaną właściwości fotowoltaiczne materiałów przedstawionych na rys. 2. ą to materiały charakteryzujące się poziomami energetycznymi decydującymi o właściwościach donorowych (P3HT) oraz akceptorowych (PCBM, GR27 i GR28). Związki te zostały umieszczone w odpowiedniej strukturze w komórce fotowoltaicznej (rys. 3). a podłożu szklanym pokrytym nanometryczną (ok. 100 nm) warstwą IT (tlenek cyny i indu) została osadzona cienka warstwa mieszaniny PEDT:P z roztworu wodnego. Rys. 1. Poziomy energetyczne składników struktury ogniwa fotowoltaicznego

3 a) b) c) d) e) Rys. 2. Związki organiczne użyte do wytwarzania ogniw fotowoltaicznych a) PEDT:P, b) PCBM, c) P3HT, d) GR27 i e) GR28. Warstwa ta ma na celu ułatwienie transportu dziur z warstwy aktywnej do elektrody IT. Układ następnie wygrzewano w suszarce próżniowej w temp C przez 30 min. a tak przygotowane podłoże nałożono metodą wirową warstwę aktywną, której skład podano w tabeli 1. a koniec nakładane są elektrody aluminiowe metodą naparowania próżniowego. Rys. 3. truktura komórki fotowoltaicznej. Tak przygotowana struktura następnie jest wygrzewana i poddawana pomiarom charakteryzującym ogniwa fotowoltaiczne. gniwo słoneczne poddano oświetleniu światłem AM 1.5 (100 mw/cm 2 ). a rys. 4 przedstawione są krzywe pomiarów charakterystyk I-V a otrzymane rezultaty przedstawione są w tabeli 1. a podstawie rys. 4 można stwierdzić, że dodanie związku GR27 czy GR28 powoduje zmniejszenie U oc w stosunku do znanego ogniwa fotowoltaicznego o strukturze P3HT:PCBM, jednocześnie zwiększając J sc co w konsekwencji zwiększa wydajność kwantową ogniwa fotowoltaicznego

4 Gęstośc prądu [ma/cm 2 ] ,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 apięcie [V] prąd ciemny P3HT:PCBM GR28:P3HT:PCBM GR27:P3HT:PCBM Rys. 4. Charakterystyki I-V organicznych ogniw fotowoltaicznych o strukturze IT/PEDT:P/warstwa aktywna/al Z przedstawionych danych wynika, że najlepszą wydajność kwantową ogniwa fotowoltaicznego wykazuje struktura GR27:P3HT:PCBM oraz GR28:P3HT:PCBM w stosunku do znanej struktury P3HT:PCBM. a podstawie tab. 1 można stwierdzić że struktury zostały wykonane w podobny sposób tzn. grubości warstw oraz stosunki wagowe składników są prawie takie same. Tabela1.Wielkości charakterystyczne ogniwa fotowoltaicznego o strukturzeit/pedt:p/ warstwa aktywna/al oświetlonego AM1.5 (100 mw/cm 2 ) Warstwa aktywna Grubość [nm] tosunki wagowe J sc [ma/cm 2 ] U oc [V] FF PCE [%] P3HT:PCBM 98 1:1 16,8 0,526 0,45 3,94 GR28:P3HT:PCBM 103 1:2:2 21,4 0,497 0,46 4,88 GR27:P3HT:PCBM 112 1:2:2 26,2 0,440 0,47 5,34 Porównując otrzymane wyniki z wynikami prezentowanymi w artykule [1] trzeba stwierdzić, że w zależności od zastosowanego źródła światła wydajność kwantowa ulega zmianie. tosując wyższe natężenie światła można stwierdzić, że wydajność kwantowa spada o około 10%

5 LITERATURA [1] WAK, E. M., et al. Azomethine naphthalene diimides as component of active layers in bulk heterojunction solar cells, Materials Letters, 2015, Vol. 157, PHTVLTAIC PRPERTIE F AZMETHIE BLED WITH THIPHEE PLYMER This communication presents the investigations of the activity of azomethine naphthalene diimides in organic solar cell. This study explores the photovoltaic properties of materials in bulk heterojunction photovoltaic cells under an illumination of 100mW/cm2. olar cells in the configuration of indium tin oxide/poly(3,4-(ethylene dioxy)thiophene):poly (styrene sulfonate)/active layer/aluminum (IT/PEDT:- P/active layers/al) were constructed. Three kinds of devices which differ in the composition of active layer were fabricated. In the first type of device the active layer contains of [6,6]-phenyl-C61- butyricacidmethylester (PCBM) with the poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT), whereas, in the second type active layer consists of blend of P3HT and PCBM with the GR27. The third type of device comprises of active layer containing P3HT and PCBM with GR28. That structures showed the high value of power conversion efficiency (PCE) of 3.94%, 5.34% and 4.88% respectively