Μελέτη των ηλεκτρονιακών ιδιοτήτων της επιφάνειας ημιαγώγιμων πολυμερών για εφαρμογές σε φωτοβολταϊκά κελιά

Loading...
Thumbnail Image

Date

2013-10-14

Authors

Τάντης, Ιωσήφ

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Publisher

Abstract

Τα οργανικά φωτοβολταϊκά (OPV) είναι συσκευές που παρουσιάζουν μια ελκυστική λύση για εφαρμογές ηλιακής ενέργειας λόγω του χαμηλού κόστους παραγωγής τους, της μηχανικής ευκαμψίας και τη δυνατότητα παραγωγής συσκευών μεγάλης έκτασης και μικρού βάρους. Οι πιο αποδοτικοί δέκτες ηλεκτρονίων μέχρι σήμερα στα OPVs βασίζονται σε τροποποιημένα φουλερένια. Ωστόσο, χρειάζονται περαιτέρω βελτιώσεις προκειμένου να επιτευχθεί πιο αποτελεσματική μεταφορά των διαχωρισμένων φορέων στα αντίστοιχα ηλεκτρόδια. Προσπάθειες προς αυτή την κατεύθυνση έχουν γίνει, είτε επηρεάζοντας την αναμειξιμότητα μεταξύ του δότη και δέκτη είτε με την ανάπτυξη πιο αποτελεσματικών δοτών ή δεκτών ηλεκτρονίων. Νέα υβριδικά υλικά με βάση το φουλλερένιο έχουν χρησιμοποιηθεί για να επηρεάσουν τις ημιαγώγιμες ιδιότητες των πολυμερών. Δεδομένου ότι οι πολυκινολίνες αποτελούν μια από τις πλέον υποσχόμενες κατηγορίες πολυμερών μεταφοράς φορτίου (οπής ή ηλεκτρονίου) για εφαρμογή σε διάφορες οπτοηλεκτρονικές εφαρμογές, ο συνδυασμός τους με C60 αναμένεται να παράσχει μια λύση για την ενίσχυση των οπτικών, μορφολογικών και ηλεκτρονικών τους ιδιοτήτων. Πρόσφατη έρευνα έχει δείξει ότι η τροποποίηση των πολυκινολινών ώστε να έχουν χαμηλότρες τιμές LUMO θα ενισχύσει τις ιδιότητες τους ως δέκτες ηλεκτρονίων. Στην εργασία αυτή μελετήθηκαν οι ηλεκτρονικές ιδιότητες διαφόρων υλικών που αντιστοιχούν στα διαδοχικά στάδια σύνθεση ενός νέου υβριδικού συμπολυμερικού δέκτη μέσω των φασματοσκοπιών φωτοηλεκτρονίων από ακτίνες-Χ και ακτινοβολία UV (XPS/UPS). Το τελικό υβριδικό πολυμερές που μελετήθηκε είναι η πολυ-πενταφθόροφενυλοκινολίνη η οποία υβριδίστηκε με C60 (P5FQ-C60). Το μονομερές πενταφθόροφενυλοκινολίνη (Ph5FQ), το καθαρό C60 και το υβριδικό μονομερές Ph5FQ-C60 έχουν επίσης μελετηθεί. Επίσης μελετήθηκαν τα υβριδικά συμπολυμερή P3OT-co-P5FQ και P3OT-co-(P5FQ-Ν-C60) με αναλογία 1:10 για χρήση ως δέκτες ηλεκτρονίων με καλύτερη αναμειξιμότητα με τον δότη. Για την φασματοσκοπική έρευνα τα δείγματα αποτέθηκαν σε υποστρώματα Si με χρήση spin coating από διαλύματα τολουολίου, THF ή χλωροφορμίου. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε θάλαμο ανάλυσης υπερυψηλού κενού (βασική πίεση 5x10-9 mbar). Από τις μετρήσεις XPS η κορυφή F1s των μη υβριδικών μορίων εμφανίστηκε σε ενέργεια σύνδεσης (BE) 688.3 eV, μια τιμή που αντιστοιχεί σε άτομα φθορίου με δεσμούς C-F. Η ίδια κορυφή μετατοπίζεται σε χαμηλότερες ενέργειες σύνδεσης σε όλα τα υβριδικά υλικά, υποδεικνύοντας την επίδραση των μορίων C60 στο ηλεκτρονιακό νέφος των φθορίων της κινολίνης. Από τα φάσματα UPS μετρήθηκε το υψηλότερο κατειλημμένο μοριακό τροχιακό (HOMO) σε σχέση με το επίπεδο Fermi καθώς και το κατώφλι υψηλών ενεργειών σύνδεσης (HBE) για κάθε υλικό. Από αυτά, υπολογίστηκε το έργο εξόδου τους, ενώ από το άθροισμα του έργου εξόδου και της ενέργειας σύνδεσης του ΗΟΜΟ υπολογίστηκαν οι Ενέργειες Ιονισμού (ΙΡ). Αυτή είναι μια χρήσιμη παράμετρος για τον χαρακτηρισμό των ημιαγώγιμων πολυμερών επειδή αντιστοιχεί στην απόσταση μεταξύ του ΗΟΜΟ και του επιπέδου κενού και σε συνδυασμό με το ενεργειακό χάσμα (Eg) μπορεί να υπολογιστεί η χαμηλότερο μη κατειλημμένο μοριακό τροχιακό (LUMO). Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι ιδιότητες των ημιαγώγιμων πολυμερών ή μονομερών μπορούν αποτελεσματικά να επηρεαστούν με υβριδοποίηση με χρήση νανοδομών του άνθρακα, που σε αυτή την περίπτωση είναι το C60.

Description

Keywords

Οργανικά φωτοβολταϊκά, Ημιαγώγιμα πολυμερή

Citation