ИСТИНА

Актуальность работы Растущая глобальная энергетическая потребность, ограниченность запасов традиционных источников энергии, их вредное влияние на окружающую среду – всё это делает актуальным разработку полупроводниковых солнечных фотоэлементов (СФ). Наиболее широко используемые СФ выполнены на основе кремния, эффективность лучших образцов которых достигает 24%. Однако из-за особенностей технологии производства стоимость таких СФ высока. Перспективной альтернативой кремниевым фотоэлементам являются СФ на основе органических полупроводниковых материалов – низкомолекулярных соединений и полимеров, содержащих π-сопряжённые цепи атомов углерода. Основные преимущества органических СФ перед неорганическими — простота производства, низкая стоимость, механическая гибкость, малый вес и полупрозрачность. Наиболее перспективные органические фотоэлементы основаны на гетеропереходе II типа, когда активный слой состоит из двух органических полупроводников с различными значениями электронного сродства – донора электронов и акцептора электронов. Гетеропереход необходим для разделения экситонов, образующихся при поглощении фотонов в органических полупроводниках, на свободные электроны и дырки. Гетеропереход может быть планарным, когда донор и акцептор представляют два отдельных параллельных слоя, либо объёмным, когда донор и акцептор перемешаны, и их контакт распределён по всему активному слою. В качестве донорных компонентов применяются сопряжённые полимеры и низкомолекулярные соединения, а в качестве акцепторных – главным образом производные фуллеренов. Однако эффективность органических фотоэлементов невелика – КПД наилучших лабораторных образцов достигает 12%. Относительно низкий КПД органических СФ в заметной степени связан с недостаточным пониманием факторов, влияющих на эффективность преобразования энергии оптического излучения в электричество в данных устройствах. Современные достижения полупроводниковой индустрии во многом связаны с реализацией управляемого легирования неорганических полупроводников, так, например, успехи кремниевой электроники во многом связаны с разработкой методов легирования кремния. Однако применение легирующих примесей для органических СФ почти не изучено, хотя известно, что многие полупроводниковые полимеры обычно изначально содержат легирующие примеси. Таким образом, актуальной задачей является исследование влияния легирования на фотоэлектрические характеристики органических СФ, что и было проведено в данной работе путём численного моделирования. Эффективность органических СФ в основном определяют свойства компонентов активного слоя, в частности сопряжённых полимеров и производных фуллеренов. Перспективным подходом к повышению эффективности органических СФ является разработка новых сопряжённых полимеров с относительно малой шириной запрещённой зоны (оптимальной считается ширина 1.3 – 1.7 эВ), способных поглощать более низкоэнергетические фотоны солнечного излучения, что ведёт к повышению фототока. Одними из наиболее перспективных узкозонных полимеров выступают полимеры на основе бензодитиофена. Кроме того, актуальной является разработка новых, более дешёвых и простых в синтезе производных фуллерена; такими соединениями могут стать индолинон-замещённые фуллерены. Для достижения максимального КПД СФ на основе новых органических полупроводников, как донорных, так и акцепторных, необходимо выяснить, как особенности их молекулярной структуры (например, типа акцепторного фрагмента в сополимере, длины цепи алкильных заместителей, и др.) влияют на фотоэлектрические параметры СФ. В данной работе проведено исследование свойств органических СФ на основе новых бензодитиофен-содержащих узкозонных полимеров, а также новых индолинон-содержащих производных фуллеренов в зависимости от их молекулярной структуры. Целью работы является определение зависимости эффективности органических СФ от концентрации легирующих примесей в активном слое, а также исследование влияния молекулярной структуры компонентов активного слоя органических СФ на их эффективность. Задачи работы. Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи: 1. Создание численных моделей органических СФ с объёмным и планарным гетеропереходами, в которых учитывается легирование в активном слое. 2. Расчёт и анализ вольтамперных характеристик (ВАХ) СФ на основе разработанных моделей при различных концентрациях легирующих примесей, а также зависимостей тока короткого замыкания, напряжения холостого хода, фактора заполнения и КПД от концентрации примесей при различных параметрах СФ. 3. Сравнение фактора заполнения ВАХ органических СФ с предельным фактором заполнения неорганических СФ (предел Шокли-Квайссера), поиск основных причин превышения предела Шокли-Квайссера фактором заполнения для органических СФ с планарным гетеропереходом. 4. Экспериментальное исследование зависимости фотоэлектрнических характеристик (тока короткого замыкания, напряжения холостого хода, фактора заполнения, КПД) СФ на основе производного фуллерена PCBM и бензодитиофен-содержащих донорно-акцепторных сопряжённых полимеров от типа акцепторного фрагмента. 5. Экспериментальное исследование зависимости фотоэлектрических характеристик СФ на основе поли-3-гексилтиофена и индолинон-содержащих производных фуллерена от длины алкильного заместителя. Научная новизна работы Впервые построена численная модель органических СФ, учитывающая присутствие легирующих примесей в активном слое, влияние объёмного заряда на напряжённость электрического поля, дрейф и диффузию носителей заряда, а также зависимость генерации и рекомбинации носителей заряда от напряжённости электрического поля в активном слое. С помощью данной модели проведено исследование влияния легирования на эффективность органических СФ. Впервые показано, что легирование может приводить к увеличению КПД органических СФ как с планарным, так и с объёмным гетеропереходом. Впервые показано, что фактор заполнения ВАХ органических СФ может превышать теоретический предел для неорганических СФ благодаря наличию зависящей от напряжённости электрического поля рекомбинации свободных носителей на границе донорного и акцепторного слоёв. Впервые созданы и исследованы образцы органических СФ на основе новых бензодитиофен-содержащих узкозонных полимеров и органических СФ на основе индолинон-содержащих производных фуллерена. Научная и практическая значимость Предложены численные модели органических СФ с планарным и объёмным гетеропереходами, описывающие генерацию, транспорт и рекомбинацию носителей зарядов и учитывающие легирование в активном слое. Данные модели, а также полученные в данной работе с помощью них результаты могут быть использованы для разработки различных типов органических СФ и оптимизации их фотоэлектрических характеристик. Показано, что фактор заполнения ВАХ органического СФ может превышать предел Шокли-Квайссера для неорганических СФ. Данный результат открывает новые возможности для оптимизации фотоэлектрических характеристик органических СФ. Для органических СФ на основе новых индолинон-содержащих фуллеренов найдены оптимальная длина алкильного заместителя и оптимальные условия изготовления образцов. В результате удалось получить КПД, сравнимый с таковым для органических СФ на основе широко исследуемого производного фуллерена PCBM (Phenyl-C61-Butyric Methyl ester). Учитывая более простой и менее энергозатратный синтез индолинон-содержащих производных фуллеренов, они могут стать перспективной заменой РСВМ.