بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش تاثیر نوع لایه کاتد و انتقال دهنده الکترون در سلول خورشیدی آلی با ساختار Glass/ITO/PEDOT:PSS/C60/CuPc/ETL/Cathode مورد شبیه سازی اپتیکی قرار گرفته است. بدین منظور برای کاتدهای مختلف - آلومینیوم، نقره، طلا، مس و کلسیم - و لایههای آلی انتقال دهنده الکترون - - Alq3,BCP,CuPc میزان تلفات ناشی از تولیدمیدان الکتریکی در نواحی غیرفعال، نرخ تولید اکسایتون و بازتاب از سلول، شبیه سازی گردیده است. از نتایج شبیه سازی نشان می-دهد که لایه آلومینیوم نسبت به کاتدهای دیگر دارای تلفات اپتیکی بیشتری میباشد. همچنین لایهCuPc بعنوان لایه سدکنندهاکسایتون باعث تولید اکسایتون بیشتری در ناحیه فعال میشود.
کلید واژه- اکسایتون، سلول خورشیدی آلی، لایه سد کننده اکسایتون، لایه انتقال دهنده الکترون، کاتد، کد 020/0020 -250/0250 - PACS
-1 مقدمه
امروزه سلولهای خورشیدی آلی نسبت به سلولهای معدنی بدلیل خواصی مانند انعطاف پذیری، هزینه کم و روش ساخت آسانتر بسیار مورد توجه قرار گرفته است.[1] این سلولها دارای ساختار کلی بصورت کاتد/ لایه سد کننده الکترون یا انتقال دهنده حفره/ لایههای فعال/ لایه انتقال دهنده الکترون/ لایه شفاف رسانا/ شیشه میباشند. همچنین فرایند تولید انرژی در این قطعات فوتوولتائیک آلی به چهار مرحله اساسی تقسیم می شود که شامل جذب نور و تشکیل اکسایتون، انتشار اکسایتون به طرف پیوند گاه، تجزیه اکسایتون به حاملهای بار و انتقال حاملها به طرف الکترودها و جمعآوری آنها میباشد .[2] انتخاب ماده و ضخامت مناسب برای هر لایه قبل از ساخت جهت بالابردن بازدهی و جلوگیری از هدررفتن منابع مالی از اهمیت زیادی برخوردار است. در این بررسی ساختار زیر که ضخامت لایه فعال آن توسط دیگران 4]و[3 از نظر تجربی و شبیهسازی بهینه شده انتخاب گردید:سپس اثر فلزات آلومینیوم، نقره، طلا، مس و کلسیم بعنوان لایه کاتدی با محاسبات اپتیکی که باعث افزایش بازتاب و تولید اکسایتون در سلول میشود مورد بحث قرار میگیرد. در نهایت نقش لایه انتقالدهنده الکترون با مواد آلی BCP,Alq3, CuPc در تولید اکسایتون در ناحیه فعال و بازدهی کوانتومی خارجی سلول محاسبه گردید.
-2 مبانی نظری
در لایه فعال یک سلول خورشیدی آلی ضمن جذب فوتون فرودی فرآیند انتقال و بازتاب نور اتفاق میافتد. برای محاسبه میدان ناشی از یک موج تخت در ناحیههای فعالکه ساختار سلول بین دو لایه نیمه متناهی 1 - 0, j m - jقرار میگیرند و سلول شامل 1,2.....m j لایه مختلف باضخامت d j و ضریب شکست مختلط ik j n j n میباشد. بادر نظر گرفتن ماتریس انتقال بین لایهها - I - و انتقال فاز در اثر عبور از هر لایه - - L، میدان الکتریکی در لایه j ام توسط ماتریس انتقال کلی بصورت زیر تعریف میشود که در رابطه - - 1 متغیرها بصورت زیر میباشند:
با استفاده از بردار پوئین تینگ در عمق z یک لایه نازک، میانگین انرژی پخش شده در هر ثانیه برابر است با :[5]
کهc سرعت نور در خلاء، 0 ثابت گذردهی خلاء،nوk به ترتیب قسمت حقیقی و موهومی ضریب شکست،E - z - میدان الکتریکی نور در نقطه z و I0 شدت تابش استاندارد AM1.5 برابر با ٍmW.cmًًٌ میباشد. اگر نرخ تولید اکسایتون یک در نظر گرفته شود تعداد کل اکسایتونهای تولیدی در ناحیه جذب مواد برابر است با:
همچنین برای محاسبه میزان عبور و بازتاب از کل سلول از نظریه ماتریسی استفاده شده است .[6]
-3 شبیهسازی
ترازهای انرژی ساختار - I - در شکل - 1 - نشان داده شده است، همانطور که مشاهده میشود سه لایه برای انتقال دهنده الکترون - سد کننده حفره - و پنج کاتد مختلف برای این سلول پیشنهاد شده است. لایه کاتد علاوه بر جمع آوری بارها نقش بازتابندگی نور را دارد لذا در طراحی سلول های خورشیدی باید فلزی انتخاب گردد که ضمن داشتن تابع کار نزدیک تراز LUMO لایه انتقال دهنده الکترون، دارای بازتاب بالایی در ناحیه طول موجی جذب مواد آلی و کمترین میزان عبور - به ازاء ضخامت کم لایه - را داشته باشد. بدین منظور فلزات، آلومینیوم، نقره، طلا، مس و کلسیم برای لایه کاتد در نظر گرفته شد که در شکل - 2 - بازتاب و عبور این فلزات به ازاء ضخامت 100 nm بر روی زیر لایه شیشه - 1 mm - آورده شده است که نشان میدهد فلزات آلومینیوم و نقره دارای بیشترین بازتاب و کمترین عبور هستند.
همچنین با محاسبه میدان الکتریکی نسبی در هر لایه می توان میزان تلفات هر لایه را مشخص نمود. بدین صورت هرچه میدان در لایههای آند، انتقال دهنده الکترون - حفره - و کاتد کمتر باشد و از طرف دیگر در لایه فعال بیشتر باشد میزان اتلاف انرژی در سلول کمتر خواهد بود. لذا در شکل - - 3 تغییرات میدان در طول سلول برای هر پنج فلز آورده شده است که لایه کاتد آلومینیومی دارای بیشترین تلفات و لایه کلسیم دارای کمترین تلفات در لایههای غیر فعال را دارا میباشند. لذا با توجه به اینکه آلومینیوم دارای بیشترین بازتاب است اما تلفات انرژی در لایه انتقال دهنده حفره را بههمراه دارد.همچنین با محاسبه نرخ تولید اکسایتون در سلول همانند شکل - - 4، مشاهده می شود تاثیر همه کاتدها بر نرخ تولید اکسایتون در ناحیه فعال تقریبا یکسان است.جهت بررسی لایه انتقالدهنده الکترون، نرخ تولید اکسایتون به ازاء سه ماده آلی CuPc, BCP, Alq3 با ضخامت ثابت 7 nm محاسبه شد - شکل. - 5 مشاهده شد لایه CuPc نسبت به دو لایه دیگر در ناحیه فعال دارای بیشترین نرخ
