научная статья по теме ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ С ОБЪЕМНЫМ ГЕТЕРОПЕРЕХОДОМ Энергетика

Текст научной статьи на тему «ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ С ОБЪЕМНЫМ ГЕТЕРОПЕРЕХОДОМ»

№ 2

ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА

2010

УДК 53.082.5

© 2010 г. БАБЕНКО С.Д., БАЛАКАЙ А.А., МОСКВИН Ю.Л., СИМБИРЦЕВА Г.В., ТРОШИН П.А.

ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ С ОБЪЕМНЫМ ГЕТЕРОПЕРЕХОДОМ

Исследованы переходные характеристики органических солнечных батарей с объемным гетеропереходом при импульсном лазерном зондировании. Анализ осциллограмм фотоотклика типичного органического солнечного элемента, полученных для различных значений внешнего напряжения при варьировании сопротивления нагрузки в широком интервале значений, позволил получить детальную информацию о параметрах фотоэлемента, характеризующих электронно-транспортные свойства активных слоев. Показано, что подвижность носителей зарядов позволяет достижение в указанных фотоэлементах высоких значений фактора заполнения ~0,6. Установлено шестикратное увеличение дифференциальной емкости фотоэлемента (по сравнению с величиной геометрической емкости) при приближении к напряжению холостого хода. Сделано предположение о механизме рекомби-национных потерь в активной среде.

Введение. Многочисленные исследования [1, 2] привели к тому, что органические солнечные элементы рассматриваются как альтернатива традиционным кремниевым фотоэлементам [3], несмотря на более низкую энергетическую эффективность, которая к настоящему времени составляет ~5% [4]. Ряд преимуществ органических солнечных элементов связан с низкой стоимостью их производства, возможностью создавать тонкие активные слои различной площади на гибкой подложке. Недостатком органических материалов является относительно низкая подвижность носителей заряда и высокая величина энергетической щели органических полупроводников, приводящая к меньшей эффективности преобразования солнечной энергии.

Как перспективные органические солнечные элементы рассматриваются элементы с объемными гетеропереходами, в которых разделение зарядов, возникающих под действием света, происходит в объеме активного слоя между молекулами доноров и акцепторов (аналогично р-п переходам в традиционных солнечных элементах). При этом в качестве электронных акцепторов используются производные фуллеренов, в качестве электронных доноров — сопряженные полимеры [5]. До настоящего времени физические процессы, протекающие в рассматриваемых устройствах с объемными гетеропереходами не полностью выяснены. Их более глубокое понимание необходимо для оптимизации и реализации эффективного преобразования солнечной энергии. Большинство исследований органических систем относятся к стационарным измерениям вольт- и люксамперных кривых. Стационарные характеристики отражают только суммарные физические процессы, протекающие в активных слоях, и не позволяют независимо выделить отдельные элементарные стадии, а проводимые до настоящего времени нестационарные исследования относятся, в основном, к оценкам подвижно-стей носителей заряда в отдельных компонентах активных слоев [6].

Рис. 1. Типичная вольт-амперная характеристика органического солнечного элемента с объемным гетеропереходом

Представляет интерес найти дифференциальные характеристики органических фотоэлементов, определяющие эффективность преобразования световой энергии в целом, такие как последовательное и параллельное сопротивления, емкость, эффективность разделения зарядов.

В настоящей работе предпринята попытка исследовать указанные характеристики с помощью импульсного лазерного зондирования. Суть метода заключается в возбуждении активного слоя органического солнечного элемента коротким лазерным импульсом с регистрацией наведенного переходного процесса изменения фотопотенциала в широком диапазоне времен при различных внешних напряжениях смещения и нагрузочных сопротивлениях.

Методика

В работе исследовался типичный фотоэлемент с объемным гетеропереходом [7]. Анод, представляет собой окисел индий-олово, нанесенный на стеклянную подложку и покрытый согласующим слоем органического полупроводника р-типа (_по-ли(3,4-этилендиокситиофен)-поли(стиренсульфанат) РЕВОТРББ). Активный слой состоит из смеси сопряженного полимера (поли-3-гексилтиофен Р3НТ) и производного фуллерена (РС61РВ). В качестве катода использовался алюминий, термически нанесенный в вакууме на активный слой толщиной ~80 нм. Стационарная вольт-амперная характеристика (ВАХ) такого фотоэлемента (рис. 1) имеет вид вольтамперной характеристики кремниевого солнечного элемента.

На рис. 2 показана схема измерений динамических параметров органических фотоэлементов. Постоянное напряжение и на фотоэлементе (разность потенциалов между анодом (1ТО) и алюминиевым катодом в интервале —1400—600 мВ) подавалось от внешнего источника питания через нагрузочное сопротивление Яь. Величина Яь ва-

и + ъи

Рис. 2. Схема измерений динамических характеристик органической ячейки: Е —источник напряжения с малым выходным сопротивлением; — нагрузочное сопротивление; и — напряжение на фотоэлементе; 5 и — изменение напряжения на фотоэлементе под действием импульса света. Параметры фотоэлемента: С — емкость, и Я$н — последовательное и параллельное сопротивления

ъи, В 0,06

0,04

0,02

! ! ! I \ \ \ \ \ \ \

-

\ \ \ \ 1 \ 3

\ \ \

-4 0 4 8

г, с • 10-5

Рис 3. Осциллограммы фотопотенциала при различных нагрузочных сопротивлениях: 1 — 14,7 кОм, 2 2,7 кОм, 3 — 0,33 кОм

0

рьировалось в пределах 16 Ом — 300 кОм. Фотоэлемент освещался импульсами света азотного лазера (337 нм, длительность ~10 нс). При разделении генерированных импульсом света зарядов во внутреннем поле фотоэлемента на нем возникает дополнительное (неравновесное) напряжение 8 и. Временная зависимость 8 и регистрировалась, накапливалась и запоминалась компьютерным осциллографом "Вогдо-221" с разрешением по времени до 3 нс. Типичные импульсы фотопотенциала для различных нагрузок приведены на рис. 3.

Рис. 4. Изменение импульсных сигналов во времени при различных нагрузочных сопротивлениях (и = 0), сверху вниз: = 267: 143: 88: 43: 14: 5,5 кОм

Энергия световых импульсов ограничивалась так, чтобы внутреннее поле в ячейке мало искажалось из-за влияния генерированного светом объемного заряда и, следовательно, регистрируемый сигнал можно было бы рассматривать в линейном приближении.

Нарастающая часть фотоотклика 8 и отражает процесс разделения заряда, наблюдаемый спад — его релаксацию. Для исследованной ячейки нарастание состояло из быстрой составляющей (<~100 нс) и соизмеримой с ней более медленной компоненты со временем 1—2 мкс. При этом для всего набора сопротивлений нагрузки Яь и напряжений и спады импульсного сигнала 8 и достаточно хорошо описывались экспоненциальным законом (характеристические времена 10-5—10-3 с), что видно из кривых рис. 4. Такое поведение системы допускает анализ сигнала в линейном приближении в рамках простой эквивалентной схемы, которая представляет собой комбинацию сопротивления нагрузки последовательного сопротивления ^ (сопротивление контактов), дифференциального параллельного сопротивления фотоэлемента Яш и параллельной ему дифференциальной емкости фотоэлемента .

Экспериментальные результаты

После лазерного импульса равновесие в системе восстанавливается при протекании дополнительного тока через нагрузочное сопротивление Яь и приращения тока в самой ячейке. Нетрудно показать, что суммарный ток релаксации 818 при описанной схеме равен

5/, = 5 и

^н -I

Оказалось, что минимальное значение сопротивления Яш составляло около 1 кОм, что существенно больше последовательного сопротивления (^ ~ 5 Ом) и поэтому в дальнейшем мы пренебрегаем отношением Л^/Л^.

1/1, 1/мВ • мкс 0,035

0,025 -

0,015 -

0,005 0

-0,005

1/Ях, 1/кОм

Рис 5. Зависимость интеграла импульсного напряжения I от нагрузочного сопротивления Я1 в координатах (1/Ях, 1//) при различных напряжениях Ц сверху вниз: и = 570, 500, 400, 300, 200, 0, -200, -500, -1000, -1500 мВ

После интегрирования получаем соотношение между величиной разделившегося в

ад

результате лазерного импульса заряда q = 9 ^8(0 • & и интегралом от импульсного

о

ад

напряжения I = |*8 и (№

о

1 /1 = ( д~1 / Я5Н) + ( д-1 /Яь ). (1)

Использование интегральных параметров q, I существенно повышает соотношение сигнал-шум, что особенно важно вблизи напряжения холостого хода.

Как следует из рис. 5, обратная величина интеграла импульсного напряжения, линейно зависит от обратной величины нагрузочного сопротивления. Величина q определялась по наклону кривой для соответствующего значения напряжения и. На рис. 6 точки показывают зависимость от напряжения величины разделенного импульсного заряда, нормированного на его значение при нулевом напряжении ¥1 = q(U)/q(U), которая фактически описывает относительную эффективность разделения зарядов. Аналогичную зависимость ¥3(Ц можно получить и из стационарных вольт-амперных кривых 18(и) при той же нормировке и относительно слабой освещенности фотоэлемента ¥s = [18(и) - ^(и)]//^(0).

Приведенная на рис. 6 зависимость ¥8(Ц) (кривая 1) хорошо согласуется со значениями ¥1 (Ц), полученными импульсным методом, кривая 2 соответствует интенсивной освещенности фотоэлемента. Увеличение величины ¥3(Ц для отрицательной области в этом случае обусловлено лишь выбором нормировки в точке нулевого напряжения. Если же проводить нормировку при напряжении -1,5 В, то видно заметное снижение эффективности разделения зарядов, что указывает на наличие в системе квадратичных процессов рекомбинации.

и, мВ

Рис 6. Зависимости относительной эффективности разделения заряда от напряжения, полученные из импульсных измерений (точки) и из стационарных вольт-амперных характеристик при разных интенсивно-стях (кривые 1, 2)

Я5Н, кОм 100

10 г

1 г-

-1400 -1000 -600 -200 0 200

600

и, мВ

Рис. 7. Зависимость дифференциального параллельного сопротивления Я$н от напряжения и

Из величины отсечки кривых рис. 5 по оси ординат можно рассчитать в соответствии с (1) величину параллельного сопротивления Яж. Однако при малых значениях величины отсечки целесообразно переписать соотношение (1) в виде

= Кь + ^ 1 RSH

и по наклону кривой в координатах (Ях, Яь/Г) определить величину д~1/

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком