malzemeler kullanarak daha düşük frekanslara sahip olan fotonlarında eksitasyon mekanizmasına katkıda bulunmasını sağlamaktır. Bu yüzden güneş spektrumuyla daha fazla çakışma sağlayabilen düşük bant aralığına sahip polimerler kullanan organik güneş hücreleri son yıllarda dikkatleri üstüne toplamıştır. Şekil 1’de Organik fotovoltaiklerde yaygın olarak kullanılan P3HT, MEH-PPV ile düşük bant aralıklı polimerin emme tayfı kıyaslanmıştır. Genel olarak düşük bant aralığına dayalı güneş hücreleri uzun dalga boylu fotonların yutulmasında düşük foto voltaj verilir. Çeşitli bant aralıklarda bir grup değişik polyfluorne kopolimerler sentezlenmişlerdir ve bu kopolimerlerin bazılarına dayalı güneş hücreleri 1 V luk etkileyici bir foto voltaj sergilemişlerdir.

620 nm den daha uzun dalga boylarını absorbe edebilen yani bant aralığı 2 ev tan daha düşük olan polimerler düşük bant aralığına sahip polimerlerdir. Polimer güneş hücreleri, iki elektrot arasındaki aktif bir tabaka yerleştirerek yapılır. Aktif tabaka genellikle, elektron vericisi ve elektron alıcısını bünyesinde barındıran kopolimerden oluşur. Kopolimerler fused ring adı verilen bir sistemle sentezlenir. Kopolimerlerin düşük bant aralığına sahip olmasının 3 nedeni vardır. Birincisi elektron verici ve alıcı birim arasındaki geliştirilmiş çift bağ sistemidir. Diğeri ise kopolimerin bant aralığının verici birimin HOMO’su alıcı birimin ise LUMO’su tarafından belirlenmesidir(şekil 3). Verici ve alıcı birimlerin bant aralığı eklentilerle değiştirilebilir. Örneğin verici birime thiophene ve pyrrole eklenerek HOMO seviyesi yükseltilir, elektron alıcı gruba ise thiadiazole ve pyrazine eklenerek LUMO seviyesi düşürülür. Sonuncusu ise zincir içi yük transferi elektron ilgisiyledir. Verici birimin elektron ilgisinin alıcı birime göre düşük olduğu görülmüştür bu da yüklerin ayrışmasını sağlar. Bunlara ek olarak π-konjugasyonunun uzunluğu arttıkça bant aralığını azaltır.

Kısa Devre Akımı (I), hücre üzerine uygulanan gerilim Va=0 V iken ölçülen akım, kısa devre akımıdır(Isc). Soğurulan fotonlardan kaynaklanan akım olan aydınlık akımına eşittir.

Kısa devre akımı, cihazın morfolojisine, yük taşıyıcıların ömrüne ve mobilitelerine önemli ölçüde bağlıdır. Bant aralığının düşürülmesi photon emilimini artırdığı için en yüksek teorik kısa devre akımını artırır.

Açık Devre Gerilimi (V), güneş hücrelerinde mümkün olan en yüksek gerilim değeridir. Elektrotlar birbiriyle bağlanmadığı durumda düzenekten akım geçmez ve soğurulan fotonlardan oluşan taşıyıcılar ( elektron ve holler) güneş hücresi içerisinde bir gerilim farkı oluştururlar. Bu gerilim farkı açık devre voltajını oluşturur. Örneğin,güneş hücresindeki basit bir p-n birleşmesinde ışığın etkisiyle meydana gelen taşıyıcıların birikimi, p-n birleşmesinin(p-n junction) n tarafında elektron artışına ve p tarafında hol artışına sebep olur. Bu yük ayrılması birleşme bölgesinde bir elektrik alan oluşturur ve bu alan birleşmenin önceden oluşan boşalma bölgesindeki elektrik alanla zıt yönde olduğu için net elektrik alan azalır. Boşalma bölgesindeki elektrik alan, ileri eğilimli(forward bias) difüzyon akımının geçişini engellediğinden, bu azalma difüzyon akımını artırır ve yeni bir denge durumu oluşur. Açık devre düzeneklerde,ışıkla oluşan akım ileri eğilimli difüzyon akımıyla dengeleninceye kadar N-P birleşmesinin ileri eğilimi devam eder. Bu iki akımın dengeye ulaşılması için gereken gerilim güneş hücresinin açık devre gerilimini oluşturur.

Dolum Faktörü (FF), fotovoltaik hücredeki en yüksek güç çıktısının teorik güç çıktısına oranı olarak tanımlanır. Theorik güç çıktısı açık devre geriliminin kısa devre akımıyla çarpımından hesaplanır. Güneş hücresinin performansı ölçümlerinde kullanılan önemli bir parametredir.

Güç Dönüşüm Verimi (η), fotovoltaik hücrelere gelen güneş ışığı enerjisinin ne kadarının elektrik enerjisine dönüştüğünü gösteren bir parametredir. Güç çıktısının güç girdisine oranıyla bulunur.

Kuantum Verimi (QE), güneş hücresi tarafından biriktiren taşıyıcı sayısının, güneş hücresine gelen belirli enerjideki fotonların sayısına oranını gösterir. Belirli dalga boylarındaki fotonların hepsinin güneş hücresinde absorbe edilmesi ve oluşan bütün yük taşıyıcılarının hücre içerisinde biriktirilmesi kuantum veriminin 100% ya da 1 olduğunu belirtir. Güneş hücresinin kuantum verimliliği harici ve dahili kuantum verimliliği olmak üzere iki şekilde ifade edilir. Harici kuantum verimliliği gelen fotonların yansımalardan ve iletiminden kaynaklanan kayıpları içerir. Dahili kuantum verimliliği yalnızca absorbe edilmiş olan fotonların yansıma ve iletim kayıplarını içerir.

Organik güneş hücreleri belirli süreçlerden geçerek elektrik akımının oluşmasını sağlar. Temel süreçler aşağıda belirtilmiştir.

Güneş hücrelerindeki esas amaç gelen ışığın olabildiğince yüksek miktarlarda absorbe edilip elektrik enerjisine çevrimi olduğundan inorganik ve organik güneş hücrelerinde genellikle yansımayı engelleyici bir tabaka güneş hücresinin üzerine kaplanır. Bu kaplamalar özel kalınlıklarda seçilmiş ince bir dielektrik malzeme tabakasından oluşur. Burada amaç, bu dielektik katmandan yansıyan dalgaların yarı iletken yüzeyden yansıyan dalgalarla faz dışı kalarak tahrip edilmesi ve gelen ışığın yansımasının engellenmesidir. Gelen ışığın dalga boyunun 1/4 üne tekamül eden dalga boyunu sağlayacak bir dielektrik malzeme seçilerek bu kaplamanın kalınlığı belirlenir.

Fotovoltaik bir hücrenin yarattığı elektrik akımı, o hücredeki yaratılmış yüklerin sayısı ve bu yüklerin elektrotlarda birikimiyle orantılı olarak değişir. Elektrotlarda biriken yük sayısı,güneş hücresinde absorbe edilen fotonun oranına, elektron hol çiftlerinin coulomb etkisiyle bağlanarak oluşturduğu eksitonun ayrılma oranına, ve ayrılmış serbest yüklerin elektrotlara ulaşarak elektrik akımını oluşturma oranına göre değişir.

Organik güneş hücresi içerisinde verimli bir şekilde foton birikmesi için fotoaktif organik tabakanın emilim spektrumu güneş yayılım spektrumuyla eşleşmeli ve bu tabakanın gelen ışığı yüksek miktarlarda absorbe edecek kalınlığa sahip olması gerekir. Genellikle organik malzemelerin optic emilim katsayısı, kristal ve amorf yapıdaki silikonun optik emilim katsayısına göre çok daha yüksektir. Örneğin, MDMO-PPV ve P3HT gibi conjuge polimerlerin optik katsayısı, spektrumun görülebilir bölgesinde olup, 1×10–5 cm-1 düzeyini aşmaktadır. Bu değere göre, 100 nanometre kalınlıktaki bir organik polimer tabakası kullanılarak güneşten gelen fotonların yoğunluğunu, orijinal yoğunluğunun % 36 ına indirmek mümkündür. Organik malzemenin yarattığı etki, kristal silikonun ışık yoğunluğunu indirgemesiyle karşılaştırıldığında, aynı ölçüde bir ışık yoğunluğu azalımı için silikon tabakanın kalınlığının organik tabakaya kıyasla 100 kez daha büyük olması gerekir.

Teorik olarak bir güneş hücresinin verimli olması için ışığın emilimi sonrasında oluşan bütün eksitonların, serbest yük taşıyıcılarının oluşumunu sağlaması gerekir. Gerçekte eksiton taşınımı sırasında ışımalı rekombinasyon(hareketli yük taşıyıcıların birleşerek elenmesi ve ışıma yapması) ya da ışıldama gibi bozunma işlemleri olur. Bu işlemler eksitonun ömrünü azaltmakla beraber difüzyon uzunluğunu da kısaltır.Bir eksitonun ömrü, ışımalı ve ışımasız bütün bozunma hızlarının tersi alınarak bulunmaktadır. Eğer bu hesaplanan ömür süresi içerisinde eksitonların çoğu fotoaktif arayüze ulaşabilirlerse verimli bir güneş hücresi elde edilebilir. Moleküler malzemelerde eksiton ömrü birkaç nano saniye olduğu için, difüzyon uzunluğu da yaklaşık 10 nanometreye kadar olmaktadır ve arayüzden difüzyon uzaklığı bu uzunluk içerisinde olan eksitonlar yüklerin ayrılmasını sağlayabilir.

Organik güneş hücrelerinin çoğunda yük ayrılması, ışıkla uyarılmış elektronların aktarımıyla gerçekleşir. Güneş hücresinde absorbe edilen fotonların sağladığı enerji sayesinde, bir elektron elektron verici(donor) malzemeden elektron alıcı(acceptor) malzemeye aktarılır. Elektron verici malzemenin afinitesinin elektron alıcı malzemenin afinitesinden düşük olmasından kaynaklanan farkdan ötürü, eksitonların ayrılması için itici bir kuvvet oluşur. Bu kuvvetin etkisiyle eksiton, verici alıcı arayüzünde bozunur ve ayrılmış yükler yaratır. Verimli bir şekilde bu yüklerin yaratılması için emilen fotonların enerjisinin, ışımasız bozunmalarla kaybedilmeden yük ayrılmasını yaratması ve bu ayrılan yüklerin( elektron ve holler)denge durumunda olup elektrotlara ilerlemesi gereklidir.

Eksitonların ayrılması her zaman serbest yük taşıyıcıların oluşmasıyla sonuçlanmaz çünkü ayrılmış eksitonlardan önemli miktarı, arayüzdeki kulombik bir çekimden ötürü bağlı halde kalabilir. Örneğin, conjuge polimer-fullerene harmanlarında( blends) verici alıcı arayüzündeki bağlı elektron hol çiftlerinin ayrışma verimliliğinin, ışıl akımı( fotocurrent ) etkileyen baskın bir faktör olduğu gösterilmiştir. Kulomb yarıçapı yüklerin sıçrama uzaklığından yüksekse, pozitif ve negative taşıyıcılar birbirlerinin kolumbik çekiminden kurtulamaz ve sonucunda rekombine olup serbest hareketli yük taşıyıcıları oluşturamazlar. Bundan ötürü, yük taşıyıcılarının hareketliliği ve kulomb yarıçapı, kulombik olarak bağlanmış yük çiftlerinin ayrışma (dissociation) verimliliğini etkileyen en önemli iki parametredir. Hareketliliği ve dielektrik sabiti yüksek olan mazemeler ya da verici alıcı arayüzünde elektrik alan oluşturan dipollerin varlığı, hareketli taşıyıcıların oluşmasındaki verimliliği artırır. 
Serbest yük taşıyıcılarının elektrotlarda biriktirilmesi, genellikle hücrenin bir yanındaki saydam ve iletken oksit tabakaları olan indiyum kalay oksit (ITO) ya da kalay oksit (SnO2)tarafından ve diğer yanındaki metal kontak tarafından gerçekleşir. Elektrotlar ve moleküler tabakalar arasında ohmik temas olmasına dikkat edilir ve güneş hücresinin performansını artırmak için özel kontak tabakaları pratikte geliştirilir. Saydam iletken tabakanın olduğu taraftaki PEDOT:PSS ve metal kontaktaki LiF tabakaları buna örnek gösterilebilir.




The