Фотоэлектрический элемент на основе объёмной гетероструктуры органических полупроводников фталоцианина меди и фталоцианина без металла

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2014, том 57, №7_

ФИЗИКА

УДК 539.21:537.31

Х.С.Каримов, академик АН Республики Таджикистан Х.М.Ахмедов, Нисар Ахмед*, А.Фарук*,

З.Ю.Ризви*

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ НА ОСНОВЕ ОБЪЁМНОЙ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ ОРГАНИЧЕСКИХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ ФТАЛОЦИАНИНА МЕДИ И ФТАЛОЦИАНИНА БЕЗ МЕТАЛЛА

Центр инновационного развития науки и новых технологий АН Республики Таджикистан, Институт технологии и прикладных наук им. Гулам ИсхакХана, Пакистан

В работе исследованы свойства фотоэлектрического элемента на основе объёмной гетеро-структуры органических полупроводников фталоцианина меди и фталоцианина без металла. Методом вакуумного испарения были осаждены плёнки фталоцианина меди и фталоцианина без металла толщиной (200-300) нм на подложки из проводящего стекла. Исследованы вольтамперные характеристики, зависимости тока от интенсивности света, а также спектр поглощения фотоэлемента в диапазоне длин волн 200-850 нм.

Ключевые слова: фотоэлектрический элемент - органический полупроводник - объёмная гетерост-руктура - фталоцианин меди - фталоцианин без металла.

Органические полупроводниковые приборы на основе объёмных гетероструктур интенсивно исследуются ввиду простоты технологии их получения, возможности использования гибких подложек при их изготовлении и сравнительной дешевизны [1,2]. Фотоэлектрические элементы используются в оптоволоконных системах связи, измерительной технике и в энергетике [3,4]. В [5] были исследованы фотоэлектрические свойства элемента на основе гетероструктуры органического полупроводника фталоцианина меди и арсенида галлия (Ag/p-CuPc/n-GaAs/Ag). Фталоцианин меди (CuPc) и фталоцианин без металла (H2Pc) имеют сравнительно разные работу выхода электронов и ширину запрещённой зоны (4.04 эВ и 3.87 эВ, 2.2 эВ и 1.6 эВ соответственно) [6,7]. Эти органические полупроводники обладают фоточувствительностью и вследствие этого использовались, по отдельности, для создания демонстрационных солнечных элементов и других электронных приборов [8,9]. Объёмные гетероструктуры представляют собой смеси двух материалов, обладающих донорно-акцепторными свойствами или различающихся существенно работами выхода электронов [10]. В данной статье приведены результаты исследований свойств фотоэлектрического элемента на основе объёмной гетероструктуры органических полупроводников фталоцианина меди и фталоцианина без металла.

Для изготовления объёмной гетероструктуры CuPc и H2Pc были приобретены в фирме Sigma Aldrich (Германия). Фотоэлектрический элемент изготовливали следующим образом. Пластинка проводящего стекла (ITO) промывалась в ацетоне и дистиллированной воде. Порошки CuPc и H2Pc в

Адрес для корреспонденции: Ахмедов Хаким Мунавварович. 734063, Республика Таджикистан, г. Душанбе, ул. Айни, 299/1, Центр инновационного развития науки и новых технологий АНРТ. E-mail: khakim48@mail.ru

соотношении 50 вес. % : 50 вес. % отдельно прессовали в пресс-таблетку методом совместной сублимации при вакууме, равном 10-4 Pa, осаждали плёнки на пластинку из проводящего стекла, используя вакуумную установку (EDWARD 306). Было установлено, что испарение CuPc и H2Pc начинается при 425 и 440оС соответственно. Толщина осаждённых плёнок контролировалась с помощью пьезоэлектрического датчика FTM-5 EDWARD. Толщина плёнок органических полупроводников была равна 100 нм, 200 нм и 300 нм. Скорость осаждения плёнок - 0.1-0.2 нм/с. Далее на плёнки органических полупроводников осаждали плёнки алюминия, для чего использовался алюминий чистоты 99.9% .

48 nm О nm

Рис.1. Изображения поверхности плёнок органических полупроводников CuPc-H2Pc в объёмной гетерострукту-ре, полученные с помощью атомного микроскопа: 2-мерное (а) и 3-мерное (б) изображения.

На рис.1 приведены изображения плёнок органических полупроводников CuPc-H2Pc в объёмной гетероструктуре, полученные с помощью атомного микроскопа.

Спектры поглощения органических полупроводников, осаждённых на стеклянных подложках, были получены с помощью спектрометра Lambda, Perkin Elmer UV-Vis. Для измерения напряжений и токов использовали цифровые приборы HIOKI 3256. Интенсивность источника света измерялась с помощью прибора LM-80 AMPROBE. Все измерения проводились при комнатной температуре и атмосферном давлении.

Спектр поглощения фотоэлемента охватывает диапазон длин волн в интервале 200-850 нм и состоит из двух широких полос поглощения от 200 до 450 нм и от 500 до 800 нм. Практически фотоэлектрический элемент чувствителен во всем спектре видимого света. На рис.2 приведены вольтам-перные характеристики фотоэлектрического элемента ITO /CuPc-H2Pc/Al при разных условиях освещения: без освещения (1), при интенсивности света, равной 150 Вт/м2 (2), при интенсивности света -750 Вт/м2 (3). Как видно из рис. 2, зависимость вольтамперных характеристик данного фотоэлемента аналогична характеристикам органических фотоэлементов [5]. Вместе с тем особенность свойств данного фотоэлемента заключается в том, что как обратный ток, так и прямой ток существенно возрастают под действием света.

-1.2

0.02

0.01

-1 _-0.8____0.6____-1Г4""

_0---- --------

0.2 " 0 0.2 0.4 0.6

-0.01

-0.02

-0.03.

-0.04

-0.05

-0.06

0.8 1 1.2 ' Напряжение

-1

-----2

<

jt

sc о

Рис.2. Вольтамперные характеристики фотоэлектрического элемента ITO /CuPc-H2Pc/Al при разных условиях освещения: без освещения (1), при интенсивности света 150 Вт/м2 (2), при интенсивности света 750 Вт/м2 (3).

Интенсивность света

Рис.3. Зависимости прямого и обратного тока фотоэлектрического элемента ITO /CuPc-H2Pc/Al от интенсивности света при напряжении равном 10 В.

Как видно из рис.3, токи фотоэлемента растут с увеличением интенсивности света квазилинейно. При этом прямой ток растёт сильнее, чем обратный ток фотоэлемента, что не является характерным для фотоэлементов на основе неорганических полупроводников [11].

Зависимость фототока от интенсивности света фотоэлемента может описываться следующим выражением [12, 13]:

II = К Fa,

где К и a являются константами. В данном случае a = 0.879, К = 4.7 x 10-9 м2 /В.

Отношение фототока к прямому темновому току при интенсивности света 750 Вт/м2 равно 45 при напряжении 10 В.

Фоточувствительность фотоэлемента может быть определена по следующему выражению

[14]:

S = Il d / A P V,

где d, A, P и V - толщина плёнки, площадь поверхности фотоэлемента, мощность источника света и приложенное напряжение соответственно. Было рассчитано, что S=4.4 x 10-6 S/м Вт. Это значение близко к фоточувствительности объёмной гетероструктуры MEH-PPV:C60 [13]. На основе данного фотоэлектрического элемента возможна разработка устройства для практического использования. Следует отметить, что в объёмных гетероструктурах, как правило, имеет место вызванный светом переход электронов от донора к акцептору [1]. При этом электронный ток перемещается по молекулам акцепторов, а дырочный ток - соответственно по донорам. Вследствие этого снижается рекомбинация электронов и дырок и соответственно повышается эффективность устройства. Учитывая, что работа выхода электронов в фталоцианине меди выше, чем в фталоцианине без металла (4.04 эВ и 3.87 эВ соответственно), можно полагать, что CuPc играет роль акцептора, а H2Pc - донора электронов. Детальный анализ данного явления в объёмной гетероструктуре на основе органических полупроводников CuPc и H2Pc требует дальнейших исследований.

Таким образом, установлено, что спектр поглощения объёмной гетероструктуры на основе органических полупроводников CuPc и H2Pc охватывает длины волн в интервале 200-850 нм. Фотоэлектрический элемент ITO /CuPc-H2Pc/Al обладает достаточно высокой чувствительностью и стабильностью свойств, вследствие чего может использоваться в учебных целях и для разработки приборов и практического использования.

Поступило 29.04.2014 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Brabec C.J., Dyakonov V. - Parisi J. and Saricifitci N. S., 2003, Organic Photo Voltaics: Concepts and Realization, Berlin: Springer-Verlag.

2. Rauch T., Henseler D., Schilinsky P., Waldauf C. - Hauch J. and Brabec C.J., 2004, Performance of bulk-heterojunction organic photodetectors 4th IEEE Conference on Nanotechnology, pp.632-634.

3. Ahmad Z., Suhail M.H., Muhammad I.I., Al-Rawi W.K., Sulaiman K., Zafar Q., Hamzah A.S. and Shaameri Z. - Chin. Phys. B., 2013, v. 22, pp. 701-707.

4. Arredondo B., Romero B., Pena J.M S., Pacheco A.F., Alonso E., Vergaz R. and Dios C.D. - Sensors,., 2013, v.13, рр. 12266-12276.

5. Karimov Kh.S., Tariq Saeed M., Khalid F.A. and Karieva Z.M., Journal of Semiconductors, 2011, v. 32, №7, doi :10.1088/1674-4926/32/7/072001.

6. Fiodorov M.I. - Influence of the doping to the conductivity and photoconductivity of the phthalocyanines, Ph.D. Thesis, Chernogolovka, Moscow, Russia, 1973.

7. Debe M.K., Poirer R.I., Erickson D.D., Tommet T.N., Field DR. and White KM. - Thin Solid Films, 1990, v. 186, pp. 257-288.

8. Xiong G., Tong M., Xia Y., Cai W., Moon J.S., Cao Y., Yu G., Shieh C.L., Nilsson B. and Heeger A.J. -Science, 2009, v. 325, pp. 1665-1667.

9. Salamandra L., Susanna G., Penna S., Brunetti F. and Reale A. I - EEE photonics technology letters, 2011, v. 23, № 12, pp. 780-782.

10. Menke S.M., Pandey R., and Holmes R.J. - Appl. Phys. Lett., 2012, v. 101, pp. 223301-223306.

11. Епифанов Г.И., Мома Ю.А., Твёрдотельная электроника. - М.: Высшая школа, 1986, 320 с.

12. Yakuphanoglu F. Sensors and Actuators A: Physicalvol,, 2008, v.141, pp. 383-389.

13. Wang S.B., Hsiao C.H., Chang S.J., Lam K.T., Wen K.H., Hung S.C., Young S.J. and Huang B.R. - Sensors and Actuators A: Physical, 2011, v.171, pp. 207-211.

14. Park S.H., Ogino K. and Sato H., Synthetic Metals, 2000, v.13, pp. 135-143.

Х.С.Каримов, Х.М.Ахмедов, Нисар Ахмед*, А.Фарук*, З.Ю.Ризви*

ЭЛЕМЕНТИ ФОТОЭЛЕКТРИКЙ ДАР АСОСИ ГЕТЕРОСОХТОР^ОИ ХДЧ,МИИ НИМНОЦИЛ^ОИ ОРГАНИКИИ ФТАЛОСИАНИНИ МИС ВА

ФТАЛОСИАНИНИ БЕ МЕТАЛЛ

Маркази рушди инноватсионии илм ва технологиями нави Академияи илм^ои Цум^урии Тоцикистон, *Институти технология ва илм^ои амалии ба номи Гулом Ис^оц Хон, Покистон

Хосиятх,ои фотоэлектрикии элемент дар асоси гетеросохтори хдчмии нимнокилх,ои ор-ганикии фталосианини мис ва фталосианини бе металл омухта шудааст. Бо усули бугкунй дар вакуум кабат^ои тунуки (200-300 нм) фталосианини мис ва фталосианини бе металл дар асос аз шишаи чараёнгузаранда хобонда шудааст. Нишондих,андах,ои волт-ампери, вобастагии чараён аз интенсивнокии рушной ва спектри фурубарии фотоэлемент дар фосилаи (диапазон)-и даро-зии мавч 200-850 нм омухта шудааст.

Калима^ои калиди: элементи фотоэлектрики - нимноцили органики - гетеросохтори %ацмй - фталосианини мис - фталосианини бе металл.

Kh.S.Karimov, Kh.M.Akhmedov, Nisar Ahmed*, Amjad Farooq*, Z.Y.Rizvi* PHOTOELECTRIC CELL ON THE BASE OF BULK HETEROJUNCTION OF ORGANIC SEMICONDUCTORS COPPER PHTHALOCYANINE AND METAL

FREE PHTHALOCYANINE

Center for Innovation development of Science and new technologies Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan, Gulam Ishak Khan Institute of Technology and Applied Sciences, Pakistan In the article the properties of the photoelectric cell based on balk heterojunction of copper phthalocyanine and metal free phthalocyanine organic semiconductors were investigated. By vacuum subli-

mation the thin films of thickness of (200-300) nm of the copper phthalocyanine and metal free phthalocyanine blend were deposited on conductive glass (ITO) substrates. It was investigated I-V characteristics , dependences of current on intensity of light and absorption spectrum of the photoelectric cell in the range of wavelength 200-850 nm.

Key words: photoelectric cell - organic semiconductor - balk heterojunction - phthalocyanine copper -metal free phthalocyanine.