|
Cooperare
Bilaterală Slovenia – România nr. 5CB/2008 Proprietăţi
Electronice şi Optice ale Celulelor Solare Organice de tip BULK
HETEROJUNCTION Valoarea
proiectului: 83945 lei Durata
proiectului: 18 luni Coordonator
proiect: Universitatea din Bucureşti Director de proiect: Prof. Univ. Dr. Ştefan ANTOHE Contact:
tel. +4021 457 45 35 fax. +4021 457 44 18 e-mail. santohe@solid.fizica.unibuc.ro De când
Tang [1] a prezentat pentru prima dată o celulă solară
organică de straturi subţiri bazată pe heterojoncţiunea
donor-acceptor, s-a depus un efort enorm pentru a îmbunătăţi
eficienţa de conversie (η) a acestor dispozitive organice. Primele celule
forovoltaice erau de tipul Schottky M1/Strat Organic/M2 (M1 şi M2 sunt
metale cu lucruri de extracţie diferite, astfel încât un contact era de
tip ohmic, iar celălalt de blocare). În aceste structuri, stratul organic
putea fi ftalocianină, merocianină, porfirină, etc., iar
răspunsul fotovoltaic este datorat separării sarcinilor electrice
fotogenerate în câmpul electric construit la interfaţa
metal/semiconductor. Eficienţa puterii de conversie era mică, de
ordinul 10-2 % [2]. Folosind structuri cu două straturi în care
regiunea fotoactivă este heterojoncţiunea între două straturi
organice cu spectrul de absorbţie complementar, eficienţa puterii de
conversie a crescut cu două ordine de mărime [3]. Încercându-se
lărgirea regiunii fotoactive s-au realizat structuri cu trei straturi cu
eficienţă de conversie crescută datorată
îmbunătăţirii procesului de disociere a excitonilor [4]. Recent au
fost realizate structuri fotovoltaice, bazate pe polimeri, a căror
eficienţă de conversie este de aproximativ 4 – 5 % şi ale
căror costuri de producere sunt mai mici decât în cazul structurilor
similare, dar bazate pe filme subţiri monomerice [5]. Dintre toate
materialele polimerice testate, celulele solare de tip „bulk heterojunction”
bazate pe fulerene par să fie cele mai promiţătoare, în special
datorită mobilităţii ridicate şi a stabilităţii
termice. Structurile
fotovoltaice bazate pe poli(3-hexiltiofenă) (P3HT),
1-(3-metoxicarbonil)-propil-1-phenyl-(6,6)C61 (PCBM) şi blenda
acestora P3HT:PCBM (1:1) au fost preparate folosind tehnica de spin coating,
substratul fiind sticlă optică acoperită cu un strat de 30 nm de
ITO. Caracteristicile curent – tensiune (I-V), pentru întuneric şi la
iluminare prin electrodul de ITO, au fost măsurate pentru structurile
ITO/PEDOT/P3HT/Al, ITO/PEDOT/PCBM/Al şi ITO/PEDOT/P3HT:PCBM (1:1)/Al.
Non-linearitatea şi asimetria acestora a fost explicată pe baza
comportamentului la interfaţa electrod/semiconductor organic. Rezultatele
obţinute după trasarea spectrului de acţiune au fost în
concordanţă cu cele obţinute pentru măsurătorile
optice. În cazul structurilor de tip blendă, a fost obţinut un factor
de umplere (FF) a cărui valoare a fost mai mare decât în cazul celulelor
fotovoltaice care aveau doar unul dintre polimeri ca strat activ. De asemenea,
şi eficienţa de conversie este mai mare pentru structurile de tip
blendă decât pentru cele bazate doar pe P3HT sau PCBM. Colaborarea
ştiinţifică a început în anul 2008 între grupul condus de Prof.
Univ. Dr. Ştefan Antohe de la Facultatea de Fizică, Universitatea din
Bucureşti şi grupul condus de Prof. Univ. Dr. Gvido Bratina de la
Universitatea din Nova Gorica. Trebuie notat că între cele două
ţări există numeroase colaborări cu rezultate
ştiinţifice notabile. Partenerul
sloven (Laboratorul de Epitaxie şi Nanostructuri din cadrul
Universităţii Nova Gorica) are mare experienţă în
prepararea şi caracterizarea filmelor subţiri din materiale organice
şi anorganice, precum şi, aparatura necesară tehnicilor moderne
de depunere, cum sunt: epitaxia în fază lichidă şi evaporare
termică în vid specializate pentru metale, compuşi AIIBVI
şi materiale organice. Partenerul român (Centrul de Cercetare
pentru Materiale şi Dispozitive Electronice şi Optoelectronice din
cadrul Facultăţii de Fizică) posedă echipamentele necesare
pentru caracterizarea structurală, morfologică, electrică
şi optică a celulelor fotovoltaice, cum sunt: Cameră Curată
Clasă 1000, XRD cu posibilitatea de reflectometrie, AFM şi SEM cu
modul pentru nanolitografie, spectrofotometru Perkin Elmer Lambda 35 şi
simulator solar. În ceea ce priveşte colectivul
implicat în realizarea acestui proiect, ambele părţi au o bună
experienţă în domeniul care face obievtul proiectului, şi
coroborând cu facilităţile experimentale care sunt puse la
dispoziţie de ambele părţi, considerăm că această
colaborare va fi una fructuoasă pentru cele două ţări
implicate. Considerăm că această
colaborare duce la îndeplinirea obiectivelor acestui proiect: 1. Prepararea
şi caracteriyările structurală, electrică şi
optică ale filmelor subţiri de MEH-PPV sau a altor polimeri
conjugaţi cu nanofire MoSIx (MN’s) şi analiza
comportării din punct de vedere electric şi optic a interfeţelor
ITO/Polimer sau Metal/Polimer. 2. Realizarea şi caracterizările
electrică şi optică a celulelor fotovoltaice de tipul
P3HTx/PCBM1-x Studiul celulelor fotovoltaice reprezintă
în acest moment o prioritate pentru comunitatea ştiinţifică
europeană. Prezentul proiect poate fi considerat o contribuţie la
studiul întreprins în acest domeniu. Mai mult decât atât, pentru industria din
România, diseminarea rezultatelor va fi importantă pentru acele companii
care şi-au propus investiţii majore în acest domeniu. Rezultatele obţinute au fost trimise în
vederea publicării în Journal of
Material Science and Engineering B, „Electrical
and Photoelectrical Properties of Organic Photovoltaic Cells Based on
poly(3-hexylthiophene) and 1-(3-methoxycarbonyl)-propyl-1-phneyl-(6,6)C61”.,
fiind prezentate la conferinţe internaţionale şi naţionale,
cum sunt: 6th International Conference on Nanosciences &
Nanotechnologies, 13 – 15 July 2009, Thessaloniki, Greece; Romanian Conference
on Advanced Materials, 25 – 28 August, Brasov, Romania şi 2009 Annual
Scientific Conference, 5 June 2009, Faculty of Physics, University of
Bucharest, Romania. Alte două articole sunt în pregătire şi vor
fi trimise în vederea publicării în reviste cotate ISI. Datele obţinute experimental au confirmat
presupunerile iniţiale. Comparativ cu celulele fotovoltaice care aveau ca
strat activ doar unul dintre cei doi polimeri, structurile de tipul
ITP/PEDOT/P3HT:PCBM (1:1)/Al au un răspuns spectral mult mai bun. De
asemenea, pentru aceste structuri spectrele de absorbţie şi de
acţiune s-au mărit, apărând aşa numitul efect de
„co-sensibilizare”. Tot pentru structurile de tip blendă numărul
interfeţelor Donor/Acceptor a crescut semnificativ. [1] Tang, C.W. Appl. Phys. Lett. 1986, 48, 183. [2] Antohe, S., Phys.Stat.Sol.(a)1993,136, 401. [3] Antohe, S.; Tugulea, L., Phys.Stat.Sol. (a) 1991, 128,
253. [4] Antohe, S.; Ruxandra, V.; Tugulea, L.; Gheorghe,
V.; Inascu, D., J.Phys.III France 1996, 6, 1133. [5] Schmidt-Mende, L.; Fechtenkötter, A.; Müllen, K.,
Moons, E.; Friend, R.H., MacKenzie, J.D. Science
2001, 293, 1119. [6] Padinger, F.;
Rittberger, R. S.; Sariciftci, N. S. Adv.
Funct. Mater. 2003, 13, 85; [7] Chirvase, D.;
Parisi, J.; Hummelen, J.C.; Dyakonov, V. Nanotechnology
2004, 15, 1317; [8] Li, G.;
Shrotriya, V.; Yao, Y.; Yang, Y. J. Appl.
Phys. 2005, 98, 043704; [9] Schilinsky, P.;
Asawapirom, U.; Scherf, U.; Biele, M.; Brabec, C.J. Chem. Mater. 2005, 17, 2175; [10] Kim, Y.;
Choulis, S.A.; Nelson, J.; Bradley, D.D.C.; Cook, S.; Durrant, J.R. Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 063502. |