سلول های خورشیدی پلیمری

ایده استفاده از پلیمرها به جهت خواص رسانایی الکتریکی شان در سال ۱۹۷۷ با یافته هیگر(Hegger)، مک دی آرمید (Mcdiarmid) و شیراکاوا (Shirakawa) با کشف اینکه پلی استیلن ترانس دوپه شده (Dopped (دوپانت ‏های اکسیداسیونی پذیرنده الکترون یا دهنده الکترون هستند که به پلیمر افزوده شده و باعث رسانا شدن آنها می شوند)، رسانایی فلزی از خود نشان می دهد پدیدار شد [۵]. از آن موقع به بعد پلیمرهای رسانا به عنوان مواد جدیدی که خواص الکتریکی فلزات یا نیمه رساناها را با حفظ کردن خواص سودمند پلیمر نشان می دهند، معرفی شدند (شکل۵).

گاف انرژی پلیمر (E_g) که تفاوت انرژی بین (LUMO=Lowest Unoccupied Molecular Orbital) و (Highest Occupied Molecular Orbital HOMO) است توسط عوامل متفاوتی کنترل می شود. پلیمرهای با گاف کوچک، پلیمرهایی تعریف می شوند که جذب نور با طول موج بالای ۶۰۰nm  را داشته باشند. پلیمرهای تجاری استفاده شده در فتوولتاییک آلی از قبیل MEH-PPV دارای جذبی است که تا طول موج ۵۵۰nm قابل گسترش است و P3HT که به طور معمول استفاده می شود دارای جذبی است که تا ۶۵۰nm گسترش می یابد. اگر از یک پلیمر با گاف انرژی پایین استفاده شود این عدم تطابق طیفی تقلیل می یابد که نشان از همپوشانی بهتر با طیف نشری خورشید دارد. به منظور بدست آوردن سلول خورشیدی با کارایی بالا یافتن مواد دهنده که محدوده جذب نوری و همپوشانی بهتر با نور خورشید دارند (دارای گاف انرژی پایین) ضروری می باشد. گاف انرژی می تواند عملا برای تعیین انرژی که می توان از سلول بدست آورد استفاده شود [۳].

همانطورکه گفته شد فاکتورهای متعددی روی گاف انرژی پلیمرها موثر است برای مثال: طول مزدوج شدگی، تناوب طول پیوند، انتقال بار درون زنجیری، برهمکنش های بین مولکولی، آروماتیسیته (Aromaticity)، و استخلاف ها. یک ادغام از بخش های غنی از الکترون (دهنده) و دارای کمبود الکترون (گیرنده) در زنجیر پلیمر، روش خیلی موفق جهت سنتز پلیمرهای با گاف انرژی پایین می باشد. این تناوب در زنجیر اصلی پلیمر منجر به انتقال بار درون ملکولی (ICT= Intra Molecular Charge Transport) از دهنده به گیرنده شده و نوار جذبی در انرژی کمتر را منجر می شود. منطق پشت مفهوم دهنده- گیرنده-دهنده این است که HOMO بالای دهنده و LUMO پایین گیرنده در پلیمر حاصل، ادغام می شوند و بنابراین در ساختار الکترونیکی پلیمر خصلت پیوند دوگانه افزایش و منجر به گسترش نوارهای رسانش و هدایت و القاء گاف انرژی پایین می شوند [۶].

گیرنده  یا پذیرنده های الکترون (Acceptors) می توانند پلیمر یا مولکولی کوچک باشند (شکل۷). مواد گیرنده الکترون با الکترونخواهی بالا (Electron Affinity) شامل C₆₀ ومشتقات محلول آن می باشند. فولرن ها به دلیل الکترونخواهی بالا و توانایی انتقال کارای بار، گیرنده های پرکاربردی هستند و در واقع بهترین گیرنده های الکترونی که تاکنون شناخته شده اند، می باشند. مشتقات فولرن با حلالیت خوب برای این منظور استفاده می شوند و PCBM یک مشتق متانوفولرن با حلالیت بالاست ((۶و۶)- ( فنیل-C₆₁– بوتریک اسید متیل استر). همچنین قابل ذکر است که افزایش گیرندگی الکترون در فولرن، بهبودی بیشتری را در کارایی ابزار حاصل می کند.

سلول های فتوولتاییک تک لایه ساده ترین صورت را در بین سلول های فتوولتاییک مختلف دارند. این سلول ها با ساندویچ کردن یک لایه از مواد فتوالکترونیکی آلی بین دو رسانای فلزی که معمولا یک لایه از ایندیم قلع اکسید (ITO) با تابع کار بالا با یک لایه از فلزات با تابع کار پایین مانند Ca ،Mg،Al است ساخته می شوند (شکل۸). تفاوت تابع کار بین دو رسانا، یک میدان الکتریکی را در لایه آلی راه اندازی می کند. موقعی که یک لایه آلی، نور را جذب می کند الکترون ها به اوربیتال LUMO برانگیخته شده، و تشکیل اکسایتون (Exciton)- (مترادف حفره-الکترون) می کنند. میدان الکتریکی مسئول جدایی پیوندهای الکتروستاتیک اکسایتون ها بوده که منجربه کشیدن الکترون به سمت الکترود مثبت و حفره ها به سمت الکترود منفی می شود که جریان و ولتاژ حاصل شده از این فرایند می تواند جهت انجام کار استفاده شود [۸].

این نوع از سلول های خورشیدی فتوولتاییک شامل دو لایه متفاوت بین الکترودهای هادی می باشند (شکل۸). این دو لایه از مواد دارای الکترونخواهی و انرژی یونیزاسیون متفاوت می باشند و بنابرین نیروی الکتروستاتیکی در سطح مشترک بین دو لایه ایجاد می شود و بنابراین این میدان های الکتریکی محلی هر چه بزرگتر باشند امکان گسست اکسایتون ها را نسبت به سلول های فتوولتاییک تک لایه فراهم می کنند. لایه با الکترونخواهی و پتانسیل یونیزاسیون بالا به عنوان گیرنده الکترون و لایه دیگر دهنده الکترون می باشد. این ساختار به اتصالات نامتقارن دهنده- گیرنده مسطح نیز معروف است. یک لایه پلیمری، به ضخامت حد اقل ۱۰۰nm جهت جذب نور کافی نیازمند است و در چنین ضخامت بزرگی فقط بخش کمی از اکسیتون ها می توانند به سطح مشترک دو لایه برسند [۹]. برای رفع این مشکل نوع جدیدی از سلول های فتوولتاییک با اتصالات نامتقارن طراحی شدند که به سلول های فتوولتاییک با اتصالات نامتقارن پخش شده (توده) موسومند.

در این نوع سلول ها، الکترون گیرنده و الکترون دهنده با هم مخلوط شده و تشکیل یک آلیاژ می دهند (شکل۸). اگر اندازه طول جدایی فاز مشابه طول نفوذ اکسایتون (۱۰۰nm) باشد بیشترین مقدار اکسایتون های تولید شده امکان رسیدن به سطح مشترک را دارند که به این ترتیب اکسایتون ها به طور کارایی گسست می یابند والکترون ها به طرف ناحیه گیرنده الکترون حرکت کرده و سپس در الکترود مربوطه انباشته می شوند و حفره ها در مسیر مخالف کشیده شده و در الکترود مقابل جمع می شوند. این نوع پیکربندی باعث افزایش مساحت بین سطحی فاز دهنده و گیرنده و در نتیجه منجر به بهبود کارایی سلول فتوولتاییک می شود [۱۰].

اتصال شیمیایی بخش های گیرنده الکترون به طور مستقیم به زنجیره اصلی پلیمر دهنده از جدایی فاز جلوگیری می کند (شکل۱۱). الکترون هایی که بوسیله انتقالات تحریک شده ایجاد می شوند بوسیله جهیدن بین بخش های گیرنده آویزان، انتقال یافته و به حفره باقیمانده در زنجیره پلیمر اجازه انتقال بار مثبت را می دهند [۱۱].