Фотоэлементы, солнечные элементы и фотоконденсаторы на основе полимеров карбазола

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН

2006, том 49, №8

ФОТОЭЛЕМЕНТЫ, СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И ФОТОКОНДЕНСАТОРЫ

Органические фотоэлектрические элементы интенсивно изучаются с целью их широкого использования на практике [1,2].

Известно, что работа фотоэлементов (ФЭ) основана на фотовольтаическом эффекте, который обусловлен пространственным разделением неравновесных электронов и дырок. Для эффективной работы фотовольтаической ячейки в качестве фотоэлемента необходим выбор такого фотовольтаического материала и электродов, которые могли бы достигнуть величины не только фото-э.д.с, но и фототока, так как от величины последнего зависит чувствительность фотоэлемента. При выборе же фоточувствительного материала для создания фотоэлементов наряду с фоточувствительностью немаловажное значение имеют такие физикохимические свойства, как растворимость, пленкообразование и адгезия фотопроводника к подложке. В этом отношении физико-химические и электрофизические свойства поли-Ы эпоксипропилкарбазола (ПЭПК) удовлетворяют требованиям, предъявляемым к фоточувст-вительным материалам для использования их в качестве фоточувствительного полимерного фотопроводника в фотоэлементах, солнечных элементах, фотоконденсаторах. В настоящей работе разработан способ изготовления органического фотоэлемента и фотоконденсатора с использованием в качестве фоточувствительного слоя полимеры N-2,3-эпоксипропилкарбазола (ЭПК) [3-4].

Величина фото-э.д.с, фотоэлемента на основе ПЭПК равна 0.6 В, фототок короткого

2 „ 2 замыкания 40.. .66 мкА/см при величине подающей световой энергии 20 мВт/см .

НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРОВ КАРБАЗОЛА

80

16

70

14

12

10

8

6

4

О

200

400

600

800

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0.7

Рис.1. Спектральная чувствительность органического фотоэлемента на основе

ЧВ

Рис.2. Вольтамперная характеристика органического фотоэлемента на основе

ПЭПК+ТНФ.

ПЭПК+ТНФ.

На рис.1 представлена спектральная чувствительность органического фотоэлемента, а на рис. 2 его вольтамперная характеристика.

Полученные данные показывают, что величина фотовольтаического эффекта достаточно велика, чтобы считать органический фотопроводник (ПЭПК) перспективным материалом для создания фотоэлементов на его основе.

При разработке фотоконденсаторов на основе ПЭПК в качестве добавки к полимеру использованы пирилиевые сенсибилизаторы. Способ изготовления фотоконденсатора заключается в том, что фотопроводящий слой, состоящий из смеси ПЭПК и 10-85 мас.% олигомерной соли пирилия (ОСП) ММ 600.. .1200, наносят из раствора диоксана в стеклянной камере, помещенной в водяную баню.

Полученный таким образом фотоконденсатор обладает достаточно высокой чувствительностью, добротностью (при I кГц тангенс угла диэлектрических потерь равен 8.10- и

о

5.10- для фотоконденсатора с фотопроводниковым составом ПЭПК + 10 мас.% ОСП и ПЭПК + 85 мас.% ОСП соответственно) и малой инерционностью (для нарастания и спада начального участка емкости характерна постоянная времени 10-4 сек.).

Относительное изменение емкости, измеренное при I кГц и 200С в зависимости от концентрации ОСП, составляет от 1.09 до 7.96.

Рис.3. а - зависимость е материала фотопроводника от состава ПЭПК+Х мас.%; б - зависимость е от частоты: 1 - ПЭПК + 85 мас.% ОСП, 2 -ПЭПК + 10 мас.% ОСП; в - зависимость от частоты: 1 - ПЭПК + 85 мас.% ОСП, 2 - ПЭПК + 10 мас.% ОСП.

На рис. 3 а приведена зависимость диэлектрической проницаемости материала фотопроводника от состава (Х) в мас.% (ПЭПК + Х мас.% ОСП).

На рис. 3б показана зависимость диэлектрической проницаемости 8 от частоты £ Кривая I снята при освещении интегральным светом лампы накаливания при различных интенсивностях освещения, при этом максимальная интенсивность освещения Ьщ=2000 лк. Кривая 2 снята при освещении монохроматическом светом (Х=400 нм), максимальная интенсивность освещения Ьш= 0.35 мВт.

На рис. 3в показана зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от частоты

1_д

Рис.4. Зависимость относительного изменения емкости от относительного изменения освещения для фотоконденсатора с фотопро-водниковым составом:

а) 1 - ПЭПК + 85 мас.% ОСП при 2000 лк; 2 - ПЭПК + 85 мас.% ОСП при различных интенсивностях монохроматического света;

б) 1 - ПЭПК + 85 мас.% ОСП при 2000 лк; 2 - ПЭПК + 85 мас.% ОСП при 35 мВт (^=400 нм); 3 -ПЭПК + 10 мас.% ОСП при 2000 лк; 4 - ПЭПК + 10 мас.% ОСП при 0.35 мВт (^=400 нм).

На рис. 4а и рис. 4б приведена зависимость относительного изменения емкости от относительного изменения интенсивности освещения для фотоконденсаторов с различным фо-топроводниковым составом.

На основе ПЭПК и ОСП нами разработан органический фотопроводниковый состав для изготовления мишени видикона (телевизионная передающая трубка) [5].

В предложенной мишени видикона фотогенерация происходит в слое ПЭПК + СП, который обладает высокой фоточувствительностью и низкой темновой проводимостью, слой ТНФ образует гетеропереход со слоем ПЭПК + СП, благодаря чему мишень видикона обладает фотодиодными свойствами. Это позволяет использовать предлагаемую мишень видико-на помимо вещательного, также в малокадровом телевидении. Длительная релаксация потенциала после выключения засветки обусловлена как низкой темновой электропроводностью от, так и наличием в системе глубоких ловушек в запрещенной зоне ПЭПК + СП. Совместно с фотодиодными свойствами (наличием устойчивого малоинерционного фототока без приложения внешнего поля) это обеспечивает возможность записи и накопления информации, ее долговременное хранение и оперативное считывание. Необходимый режим работы устанавливается выбором потенциала сигнальной пластины. Увеличение фоточувствительностьи и расширение функциональных возможностей устройства связано с тем, что ПЭПК с добавкой ОСП обладает более высоким темновым сопротивлением и более высокой кратностью фототока (отношение фототока к темновому). Кроме того, слой фотопроводника образует со слоем акцептора, нанесенным на него, гетеропереход и обладает фотодиодными свойствами. При этом фоточувствительность мишени видикона в целом повышается.

Пирилиевая соль использованная в фотоконденсаторе, относится к арил замещенным пирилиевым солям с заместителями в фениловом радикале и является димером с молекулярной массой 832.5, в то время как известные пирилиевые соли относятся к мономерной форме.

Результаты измерений фото- и темновой проводимости (оф/оТ) систем ПЭПК + ОСП (10 мас.%), ПЭПК+ОСП (50 мас.%) и ПЭПК + ОСП (50 мас.%) - ТНФ приведены в таблице (здесь К - отношение фотопроводимости к темновой).

Таблица

Величина темновой и фотопроводимости слоев ПЭПК + СП различного состава

при различной освещенности

Освещенность ПЭПК+ОСП (10 мас.%) ПЭПК+ОСП (50 мас.%) ПЭПК+ОСП (50 мас.%) - ТНФ

Оф, Ом-1 см-1 К Оф, Ом-1 см-1 К Оф, Ом-1 см-1 К

20 лк 1.1-10-14 0.16 2.810-14 8.3 7.010-17 219

200 лк 8.610-14 1.25 1.310-13 37 1.910-13 59.4

2000 лк 7.010-13 10.0 1.810-12 514 2.310-12 719

(1=400 нм) 1.7510-13 2.5 5.310-13 152 7.310-13 228

Темновая проводимость 7.010-14 - 3.510-15 - 3.210-15 -

Нужно отметить, что данные таблицы получены при напряжении 0.1 В (т.е. в полях 5...25 В/см). Однако с ростом поля фоточувствительность полимеров увеличивается за счет роста квантового выхода фотогенерации, обусловленного увеличением начального разделения электронно-дырочных пар полем. Действительно, это подтвердилось на примере ПЭПК+СП (10 мас.%) для Х=400 нм. Поэтому фоточувствительность предлагаемой мишени видикона может быть значительно увеличена. Например, для слоя ПЭПК+ОСП (10 мас.%) величина К возрастает с 2.5 до 8.5 (Х=400 нм) при увеличении напряжения на слое от 0.1 до 30 В (т.е. до 104 В/см).

Для работы мишени видиконов характерны поля 105 В/см, поэтому квантовый выход фотогенерации, а следовательно, и предлагаемых слоев станет еще больше.

Спад потенциала мишени видикона (фото.э.д.с.) после прекращения освещения описывается зависимостью, близкой к гиперболической, и зависит от величины первоначального потенциала.

Видиконы с предлагаемой мишенью могут быть эффективно использованы для реверсивной записи информации, например в ОЗУ, обеспечивая ее хранение в течение времени 104 - 105 сек. Возможна запись голограмм и работа в голографическом ОЗУ

В работах [6,7] нами были приведены сведения о принципиальной возможности создания на основе карбазол содержащих полимеров элементов солнечных батарей. Однако изготовленные нами солнечные элементы с использованием в качестве фоточувствительного слоя ПЭПК+ТНФ имели низкие значения КПД. (0.1-0.5%).

Физико-технический институт им. С.У. Умарова Поступило 02.10.2006 г.

АН Республики Таджикистан

ЛИТЕРАТУРА

1. Arici E., Sacriciftci N.S. and Meissner D. Hybrid solar cell, Encyclopedia of Nano science and Nano technology

2. Karimov Kh.S., Ahmed M.M., Moiz S.A., Fedorov M.I. - Solar Energy Materials & Solar cells, 2005, vol. 87, pp. 61-75

3. А. с. 1181473 СССР. Способ изготовления органического фотоэлемента. Ахмедов Х.М., Каримов Х.С., Черкашин М.И., 1984.

4. А. с. 1581101 СССР. Способ изготовления фотоконденсатора / фотоэлемента. Ахмедов Х.М., Каримов Х.С., Черкашин М.И., 1988.

5. А. с. 1600577 СССР. Мишень видикона / Фомин А.М., Ахмедов Х.М., Каримов Х.С., Черкашин М.И., 1988.

6. Федоров М.И., Ахмедов Х.М., Каримов Х.С. Солнечные элементы на основе органических полупроводников. Обзорная информация. - Душанбе, 1989, 50 с.

7. Ахмедов Х.М., Каримов Х.С., Федоров М.И. Полимерные преобразователи солнечной энергии. Деп. в ВИНИТИ, М., 1991, №3384-В91.

Н.М.Ахмедов, Х,.С.Каримов ФОТОЭЛЕМЕНТНО, ЭЛЕМЕНТНОЙ офтобй ва ФОТОКОНДЕНСАТОРНО ДАР АСОСИ ПОЛИМЕРНОЙ КАРБАЗОЛ

Дар макола усули сохтани фотоэлементхо ва фотоконденсаторхо бо истифода аз кабатхои полимерии ба рушнои хассоси N-2,3- эпоксипропилкарбазол оварда шудааст. Нишон дода шудааст, ки коэффициенти таъсири фоиданоки элементхои номбурдаро бо рохи бехтар намудани технологияи истехсол, иваз намудани электродхо ба электродхои фаолияти калони корй, то андозаи оптималй васеъ намудани доираи монеа, сохтани структурахои бисёркабата ба даст овардан мумкин аст.

Kh.M.Akhmedov, Kh.S.Karimov PHOTO-ELECTRIC CELLS, SOLAR CELLS AND PHOTO CAPACITORS ON THE BASIS OF CARBAZOLE POLYMERS

It is described the fabrication of photo-electric cells and photo-capacitors on the basis of photosensitive poly-N-epoxypropylcarbazole thin films. It is shown that the properties of the devices may be improved by improvement of fabrication technology, by proper selection and by making of multi-layer structures.