پژوهش های نوین فیزیک

بررسی اثرات آلایش و بازترکیب حاملین بار در سلول خورشیدی آلی توده ای نامتجانس با ساختار P3HT:PCBM

نویسنده

علی محمودلو

دانشگاه فرهنگیان

https://doi.org/10.61882/jmrph.7.2.56
چکیده
خواص ترابرد حاملین بار برای نیم رساناهای آلی بستگی به حضور و نحوه توزیع سایتهای تله دارد. بطوریکه می دانیم تله ها نتیجه بی نظمی در مولکول ها و زنجیره های پلیمری که ناشی از ناخالصی های فیزیکی یا شیمیایی موجود در ساختار نیم رساناهای آلی می باشد. از نقطه نظر نقص های بلوری که باعث تغییر در ترازهای انرژی می شوند و ایجاد گاف انرژی در نظریه نواری می شوند، خواص ترابردحاملین بار در این نوع سیستم ها نیز دستخوش تغییراتی خواهد شد که مهمترین پارامتر در این موضوع جایگزیده شدن و یا دچار تله شدن در فرایند رسانش خواهد بود. البته نقص ها می توانند در نقش مراکز پراکننده در سیستم باشند.

در این مقاله با استفاده در مدل های مختلف بازترکیب حاملین، اثرات پارامترهای اساسی بر عملکرد سلول های خورشیدی آلی نامتجانس و همچنین انتقال بار مورد بررسی قرار گرفته است. برای شبیه سازی این فرآیندها، دراین بخش بااستفاده ازحل خودسازگارمعادلات سوق-پخش ومعادله پواسون وهمچنین استفاده ازمدلهای مختلف بازترکیب ازطریق روش اجزاءمحدود،پارامترهای اساسی سلولهای خورشیدی آلی توده ای باساختار P3HT:PCBM موردمطالعه قرارگرفته است. همچنین با استفاده از مدل سوق-پخش و استفاده از مدل های مختلف ارائه شده برای بازترکیب حاملین بار، اثرات آلایش نوع n و p را در پلیمرهای مورد استفاده در یک سلول خورشیدی آلی توده ای با ساختار P3HT:PCBM مورد بررسی قرار داده ایم. در بیشتر مدل ها و مطالعات نظری ارائه شده، ناحیه فعال در سلول های خورشیدی آلی را به صورت ذاتی فرض می نمایند حال آنکه این فرض برای مطالعه و بهینه سازی آنها دارای اشکالاتی می باشدو می بایست سهم آلاییده کردن پلیمرها برای مطالعه بهتر، در نظر گرفته شود. ساختار مورد مطالعه در شکل(3) نشان داده شده است. این ساختار شامل ناحیه فعال با ساختار توده ای P3HT:PCBM به ضخامت 100 نانومتر می باشد.

کلیدواژه‌ها

سلول خورشیدی پلیمری
مدل سوق و پخش
ترابرد بار
بازترکیب حاملین بار
بازترکیب دوتایی

عنوان مقاله English

Investigation of the effects of doping and recombination of charge carriers in Polymer Bulk Heterojunction P3HT:PCBM Solar Cells

نویسنده English

Ali Mahmoudloo
farhangian university
چکیده English

Properties of charge carriers transport in organic semiconductors depend on the presence and distribution of trap sites. As we know, traps are the result of disorder in polymer molecules and chains caused by physical or chemical impurities in the structure of organic semiconductors. From the point of view of crystal defects that cause changes in energy levels and create an energy gap in the band theory, The transport properties of the charge carriers in these types of systems will also undergo changes, and the most important parameter will be localized or getting trapped in the conduction process. In this paper, we have investigated the effects of basic parameters on the performance of heterojunction organic solar cells as well as charge transfer using different carrier recombination models. In order to simulate these processes, we have studied the basic parameters of bulk organic solar cells with P3HT:PCBM structure by using the self-consistent solution of drift- diffusion equations and Poisson's equation, as well as using different recombination models through the finite element method. We have also investigated the effects of n-type and p-type impurity in the polymers used in a bulk organic solar cell with P3HT:PCBM structure by using the drift-diffusion model and the use of different models presented for the recombination of charge carriers. In most of the presented theoretical models and studies, the active area in organic solar cells is assumed to be intrinsic, while this assumption has some problems for their study and optimization, and the contribution of doping polymers. The studied structure is shown in figure (3). This structure includes the active area with a P3HT:PCBM bulk structure with a thickness of 100 nm.

کلیدواژه‌ها English

Polymer Solar Cell
drift – diffusion Model
charge Transport
charge Carrier Recombination
geminate Combination
[1] C. Liang, Y. Wang, D. Li, X. Ji, F. Zhang, Z. He, Modeling and simulation of bulk heterojunction polymer solar cells, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 127 (2014) 67-86. [DOI:10.1016/j.solmat.2014.04.009]
[2] T. Tromholt, M. Manceau, M. Helgesen, J. E. Carle, F. C. Krebs, Degradation of semiconducting polymers by concentrated sunlight, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 95 (2011) 1308-1320 [DOI:10.1016/j.solmat.2010.09.022]
[3] Y. Zhou, J. Pei, Q. Dong, X. Sun, Y. Liu, W. Tian, Donor- Acceptor Molecule as the Acceptor for Polymer-Based Bulk Heterojunction Solar Cells, J. Phys. Chem. C, 113 (2009) 7882- 78809 [DOI:10.1021/jp811522p]
[4] A. Mahmoudloo , S. Ahmadi , Influence of the temperature on the charge transport and recombination profile in organic bulk heterojunction solar cells: a drift-diffusion study, J. Applide Physics A,119(4), (2015) 1523-1529. [DOI:10.1007/s00339-015-9130-3]
[5] D. Rezzonico, B. Perucco, E. Knapp, R. Hausermann, N. A. Reinke, F. Muller, B. Ruhstaller, Numerical analysis of exciton dynamics in organic light-emitting devices and solar cells, J. of Photonics for Energy, 1 (2011) 011005-1. [DOI:10.1117/1.3528045]
[6] J. D. Kotlarski, L. J. A. Koster, P. W. M. Blom, M. Lenes, and L. H. Slooff, Combined optical and electrical modeling of polymer:fullerene bulk heterojunction solar cells, J. Appl. Phys. 103 (2008) 084502. [DOI:10.1063/1.2905243]
[7] A. H. Fallahpour, A. Gagliardi, F. Santoni, D. Gentilini, A. Zampetti, M. Auf der Maur, and A. Di Carlo Modeling and simulation of energetically disordered organic solar cells, J. Appl. Phys, 103(2014) 184502. [DOI:10.1063/1.4901065]
[8] R. Yahyazadeh, Z. Hashempour, Effect of Hyrostatic pressure on optical Absorption coeffivient of InGaN/GaN of Multiple Quantum well solar cells, Journal of optoelectronical Nano structures,6.2 (2021) 1-22
[9] L. J. A. Koster, E. C. P. Smits, V. D. Mihailetchi, P. W. M. Blom, Device model for the operation of polymer/fullerene bulk heterojunction solar cells, Phys. Rev. B, 72 (2005) 085205. [DOI:10.1103/PhysRevB.72.085205]
[10] J. Nelson, J. J. Kwiatkowski, J. Kirkpatrick, and J. M. Frost, Modeling charge transport in organic photovoltaic materials, Acc. Chem. Res., 42 (2009) 1768. [DOI:10.1021/ar900119f] [PMID]
[11] F. F. Stelzl, Uli Wurfel, Modeling the influence of doping on the performance of bulk heterojunction organic solar cells: One-dimensional effective semiconductor versus two-dimensional onor/acceptor model, Phys. Rev. B., 86 (2012) 075315. [DOI:10.1103/PhysRevB.86.075315]
[12] B. Ray and M. A. Alam, Random vs regularized OPV: Limits of performance gain of organic bulk heterojunction solar cells by morphology engineering, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 99 (2012) 204. [DOI:10.1016/j.solmat.2011.11.042]
[13] M. Pfeiffer , K. Leo, X. Zhou, J.S. Huang, M. Hofmann, A. Werner, J. Blochwitz-Nimoth, Doped organic semiconductors: Physics and application in light emitting diodes, Organic Elec. 4 (2003) 89103. [DOI:10.1016/j.orgel.2003.08.004]
[14] B. A. Gregg, Transport in Charged Defect-Rich p-Conjugated Polymers, J. Phys. Chem. C, 113 (2009) 5899. [DOI:10.1021/jp900616g]
[15] B. A. Gregg, Charged defects in soft semiconductors and their influence on organic photovoltaics, Soft Matter., 5 (2009) 2985 [DOI:10.1039/b905722f]
[16] A. Nollau, M. Pfeiffer, T. Fritz, K. Leo, Controlled n-type doping of a molecular
Organic semiconductor: naphthalenetetracarboxylic dianhydride (NTCDA) doped with bis (ethylenedithio)- tetrathiafulvalene (BEDT-TTF), J. Appl. Phys., 87 (2000) 4340-4343. [DOI:10.1063/1.373413]
[17] A. Veysel Tunc, A. De Sio, D. Riedel, F. Deschler, E. Da Como, J. Parisi, E. von Hauff, Molecular doping of low-bandgap-polymer: fullerene solar cells: Effects on transport and solar cells, Org. Electron., 13 (2012) 290. [DOI:10.1016/j.orgel.2011.11.014]
[18] B. Maennig, M. Pfeiffer, A. Nollau, X. Zhou, K. Leo, P. Simon, Controlled p-type doping of polycrystalline and amorphous organic layers: Self-consistent description of conductivity and field-effect mobility by a microscopic percolation model, Phys. Rev. B, 64 (2001) 195208. [DOI:10.1103/PhysRevB.64.195208]

صفحه اصلی

راهنمای نویسندگان

ارسال مقاله

داوران

تماس با ما