RU2499330C1 - Organic donor-acceptor heterojunction for solar cell - Google Patents

Organic donor-acceptor heterojunction for solar cell Download PDF

Info

Publication number
RU2499330C1
RU2499330C1 RU2012123249/28A RU2012123249A RU2499330C1 RU 2499330 C1 RU2499330 C1 RU 2499330C1 RU 2012123249/28 A RU2012123249/28 A RU 2012123249/28A RU 2012123249 A RU2012123249 A RU 2012123249A RU 2499330 C1 RU2499330 C1 RU 2499330C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
acceptor
heterojunction
donor
solar cell
organic
Prior art date
Application number
RU2012123249/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Эскендер Куртаметович Алиджанов
Юрий Дмитриевич Лантух
Сергей Николаевич Летута
Сергей Николаевич Пашкевич
Иван Евгеньевич Кареев
Вячеслав Павлович Бубнов
Эдуард Борисович Ягубский
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Оренбургский государственный университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Оренбургский государственный университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Оренбургский государственный университет"
Priority to RU2012123249/28A priority Critical patent/RU2499330C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2499330C1 publication Critical patent/RU2499330C1/en

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/549—Organic PV cells

Landscapes

  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: organic donor-acceptor heterojunction for a solar cell, consisting of a mixture of a donor semiconductor polymer with acceptor nanoclusters of gadolinium endometallofullerene, tuned to plasmon resonance in the visible part of the optical spectrum.
EFFECT: high efficiency of the organic photovoltaic energy converter.
2 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов на твердом теле с использованием комбинации органических материалов с другими материалами в качестве активной части, специально предназначенных для преобразования энергии светового излучения в электрическую энергию.The invention relates to the field of solid state semiconductor devices using a combination of organic materials with other materials as an active part, specifically designed to convert light radiation energy into electrical energy.

Известны органические фотовольтаические преобразователи энергии, сформированные на основе объемного донор-акцепторного гетероперехода, который изготавливается из смеси полупроводникового полимера с фуллеренами или их производными (J. Ibid., 1994, v. 64, № 25, p. 3422-3424; J. Mater. Chem., 2006, v. 16, № 1, p. 45-61). Для улучшения эффективности преобразования солнечной энергии, в полимерный анодный буферный слой фотоэлементов добавляют металлические, металлокомпозитные наночастицы с плазменным резонансом, настроенным на видимый световой диапазон (ACS Nano, 2011. V. 5, N.2, р. 959-967; патент на полезную модель №104780, опубл. 20.05.2011).Organic photovoltaic energy converters are known, formed on the basis of a bulk donor-acceptor heterojunction, which is made from a mixture of a semiconductor polymer with fullerenes or their derivatives (J. Ibid., 1994, v. 64, No. 25, p. 3422-3424; J. Mater Chem., 2006, v. 16, No. 1, p. 45-61). To improve the efficiency of solar energy conversion, metallic, metal-composite nanoparticles with plasma resonance tuned to the visible light range are added to the polymer anode buffer layer of solar cells (ACS Nano, 2011. V. 5, N.2, pp. 959-967; patent for useful model No. 104780, publ. 05.20.2011).

В результате такой модификации в области плазменного резонанса происходит значительное увеличение коэффициента поглощения света за счет возбуждения в наночастицах локализованных плазмонов. Плазменные возбуждения, с одной стороны, формируют дополнительные экситонные состояния, с другой стороны, как показывают измерения кинетики люминесценции, резко сокращают их время жизни, способствуя более эффективному пространственному разделению зарядов (электронов и дырок) в активном слое за счет плазмон-экситонного спаривания. В результате чего происходит увеличение коэффициента полезного действия (КПД) фотоэлемента.As a result of this modification, a significant increase in the light absorption coefficient occurs in the plasma resonance region due to the excitation of localized plasmons in nanoparticles. Plasma excitations, on the one hand, form additional exciton states, on the other hand, as shown by measurements of the luminescence kinetics, they drastically shorten their lifetime, contributing to a more efficient spatial separation of charges (electrons and holes) in the active layer due to plasmon-exciton pairing. As a result, there is an increase in the efficiency (efficiency) of the photocell.

Органический донорно-акцепторный гетеропереход для солнечного элемента с буферным слоем, модифицированным добавлением в него металлических плазменных наночастиц, является наиболее близким аналогом и принят за прототип (ACS Nano, 2011, v. 5, N.2, p. 959-967).An organic donor – acceptor heterojunction for a solar cell with a buffer layer modified by the addition of metal plasma nanoparticles is the closest analogue and is accepted as a prototype (ACS Nano, 2011, v. 5, N.2, p. 959-967).

Недостатком такого модифицированного органического донорно-акцепторного гетероперехода является невозможность добавления металлических наночастиц в его внутренний объем, поскольку это приводит к нарушению работоспособности гетероперехода. Происходит его шунтирование и резкое уменьшение фотоэлектродвижущей силы (фотоЭДС). Эффект плазмон-экситонного спаривания реализуется в толщине 10-20 нм фотоактивного донорно-акцепторного слоя, примыкающего к полимерному слою анодного буфера, доппированного плазменными наночастицами (ACS Nano, 2011, v. 5, N.2, р. 959-967). При этом большая часть гетероперехода (до 90%) работает в обычном режиме.The disadvantage of such a modified organic donor-acceptor heterojunction is the inability to add metal nanoparticles to its internal volume, since this leads to disruption of the heterojunction. It shunts and a sharp decrease in the photoelectromotive force (photoEMF). The effect of plasmon – exciton pairing is realized in a thickness of 10–20 nm of the photoactive donor – acceptor layer adjacent to the polymer layer of the anode buffer doped with plasma nanoparticles (ACS Nano, 2011, v. 5, N.2, p. 959-967). At the same time, most of the heterojunction (up to 90%) operates in the normal mode.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности органического фотовольтаического преобразователя энергии за счет применения в нем оригинального донорно-акцепторного гетероперехода.The technical result of the invention is to increase the efficiency of an organic photovoltaic energy converter through the use of an original donor-acceptor heterojunction in it.

Поставленная задача решается тем, что в органическом донорно-акцепторном гетеропереходе для солнечного элемента, состоящего из смеси донорного полупроводникового полимера с акцепторными фуллереновыми структурами, в качестве акцепторного компонента используются нанокластеры эндометаллофуллерена гадолиния, составляющего 8-12% от общей массы гетероперехода, настроенные на плазменный резонанс в видимой части оптического спектра.The problem is solved in that in an organic donor – acceptor heterojunction for a solar cell consisting of a mixture of a donor semiconductor polymer with acceptor fullerene structures, endometallofullerene gadolinium nanoclusters, representing 8–12% of the total heterojunction resonance tuned, are used as an acceptor component in the visible part of the optical spectrum.

Организация молекул M@C82 в нанокластеры размером 50-80 нм инициируется их большим собственным дипольным моментом (3-4 D). При концентрационных соотношениях акцепторной компоненты 8-12% нанокластеры M@C82 настраиваются на наноплазмонный резонанс в видимой области спектра 300-400 нм (Оптика и спектроскопия, 2010, том 109, №4, с. 630-636).The organization of M @ C 82 molecules into nanoclusters 50-80 nm in size is initiated by their large intrinsic dipole moment (3-4 D). At concentration ratios of the acceptor component of 8–12%, M @ C 82 nanoclusters are tuned for nanoplasmon resonance in the visible spectral range of 300–400 nm (Optics and Spectroscopy, 2010, Volume 109, No. 4, p. 630-636).

Вместе с тем молекулы M@C82 обладают ярко выраженными акцепторными свойствами по отношению к большинству полупроводниковых полимеров. Таким образом, используя при формировании донор-акцепторного гетероперехода нанокластеры M@C82, акцепторные и плазменные свойства совмещаются в рамках одного объекта - наночастице эндометаллофуллеренов. M@C82 наночастицы заполняет весь объем гетероперехода без нарушения его фотовольтаических свойств, что позволяет использовать эффект плазмон-экситонного спаривания в полном объеме гетероперехода.At the same time, M @ C 82 molecules have pronounced acceptor properties with respect to most semiconductor polymers. Thus, using the M @ C 82 nanoclusters in the formation of the donor – acceptor heterojunction, the acceptor and plasma properties are combined within the framework of one object — the endometallofullerene nanoparticle. M @ C 82 nanoparticles fills the entire volume of the heterojunction without violating its photovoltaic properties, which allows the use of the plasmon-exciton pairing effect in the full volume of the heterojunction.

На фигуре 1 изображен органический донорно-акцепторный гетеропереход для солнечного элемента, на фигуре 2 приведена схема взаимодействия плазменных и экситонных возбуждений в органическом донорно-акцепторном гетеропереходе.The figure 1 shows the organic donor-acceptor heterojunction for the solar cell, the figure 2 shows the interaction of plasma and exciton excitations in the organic donor-acceptor heterojunction.

Органический донорно-акцепторный гетеропереход для солнечного элемента включает: алюминиевый электрод 1, гетеропереход 2, прозрачный электрод из окиси индия 3, стеклянной подложки 4. К электродам 1 и 3 подключен мультиметр 5.An organic donor – acceptor heterojunction for a solar cell includes: an aluminum electrode 1, heterojunction 2, a transparent electrode of indium oxide 3, a glass substrate 4. A multimeter 5 is connected to electrodes 1 and 3.

Экспериментальная проверка способности модифицированного органического донорно-акцепторного гетероперехода эффективно разделять фотовозбужденные электронно-дырочные пары осуществлялась на мультислойных системах, полученных методом полива на стеклянную подложку 4 с проводящим ITO покрытием 3, смеси раствора MEH-PPV и 8%; 10%; 12% Gd@C82. Толщина высохшей пленки органического донорно-акцепторного гетероперехода 2 составляла 200-300 нм. Через маску на поверхность сформированной пленки донорно-акцепторного гетероперехода 2 наносился слой Al-1 толщиной ~1 мкм. Образец сравнения изготавливался по аналогичной технологии с использованием в качестве акцепторной примеси С60.An experimental test of the ability of a modified organic donor – acceptor heterojunction to efficiently separate photoexcited electron – hole pairs was carried out on multilayer systems obtained by sprinkling onto a glass substrate 4 with conducting ITO coating 3, a mixture of MEH-PPV solution and 8%; 10%; 12% Gd @ C 82 . The thickness of the dried film of the organic donor-acceptor heterojunction 2 was 200-300 nm. Through the mask, an Al-1 layer ~ 1 μm thick was deposited on the surface of the formed film of the donor – acceptor heterojunction 2. The comparison sample was prepared by a similar technology using C 60 as an acceptor impurity.

При освещении мультислойных систем со стороны прозрачного электрода из оксида индия 3 светом от лампы ДКсШ-150 с плотностью мощности W=0,1 Вт/см2, для образцов ITO/MEH-PPV:Gd@C82/Al и ITO/MEH-PPV/С60/Аl, измеряли фотоЭДС, ток короткого замыкания, спектральную чувствительность с помощью мультиметра 5. Обнаружили, что в случае использования в качестве акцепторной компоненты вместо С60 Gd@C82, величина фотоЭДС возрастает с 0,5 до 0,55 мВ, ток короткого замыкания увеличивается на 20%, спектральная чувствительность системы в области 300-400 нм возрастает в несколько раз, что отражено в таблице. Полученный положительный эффект превосходит положительный эффект прототипа на 5%.When illuminating multilayer systems from the side of a transparent electrode of indium oxide 3 with light from a DKS-150 lamp with a power density of W = 0.1 W / cm 2 , for ITO / MEH-PPV samples: Gd @ C 82 / Al and ITO / MEH- PPV / С 60 / Аl, photo-emf, short-circuit current, spectral sensitivity were measured using a multimeter 5. It was found that when using instead of C 60 Gd @ C 82 as the acceptor component, the photo-emf increases from 0.5 to 0.55 mV, short circuit current increases by 20%, the spectral sensitivity of the system in the region of 300-400 nm increases several times, th about is reflected in the table. The resulting positive effect exceeds the positive effect of the prototype by 5%.

ТаблицаTable Тип гетеропереходаHeterojunction type MEH-PPV/C60 образец сравнения (прототип)MEH-PPV / C 60 reference sample (prototype) MEH-PPV/Gd@C82 MEH-PPV / Gd @ C 82 Доля акцепторной компоненты в смеси СA/(CA+CD)·100%The proportion of the acceptor component in the mixture C A / (C A + C D ) · 100% 8%8% 10%10% 12%12% 8%8% 10%10% 12%12% ФотоЭдс, мВPhoto-emf, mV 500500 500500 500500 550550 550550 550550 Ток короткого замыкания, мкАShort circuit current, μA 1212 12,112.1 12,112.1 1313 14,514.5 14fourteen

Таким образом, применение заявляемого изобретения, в сравнении с прототипом, позволяет повысить эффективность преобразования солнечной энергии органическим фотоэлементом, что может найти применение в устройствах солнечной энергетики.Thus, the application of the claimed invention, in comparison with the prototype, can improve the efficiency of conversion of solar energy by an organic photocell, which can find application in solar energy devices.

Claims (1)

Органический донорно-акцепторный гетеропереход для солнечного элемента, состоящий из смеси донорного полупроводникового полимера с акцепторными фуллереновыми структурами, отличающийся тем, что в качестве акцепторного компонента используются нанокластеры эндометаллофуллерена гадолиния, составляющего 8-12% от общей массы гетероперехода, настроенные на плазмонный резонанс в видимой части оптического спектра. An organic donor-acceptor heterojunction for a solar cell, consisting of a mixture of a donor semiconductor polymer with acceptor fullerene structures, characterized in that the nanoclusters of gadolinium endometallofullerene are used as an acceptor component, representing 8-12% of the total heterojunction mass, tuned to the plasmon resonance optical spectrum.
RU2012123249/28A 2012-06-05 2012-06-05 Organic donor-acceptor heterojunction for solar cell RU2499330C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012123249/28A RU2499330C1 (en) 2012-06-05 2012-06-05 Organic donor-acceptor heterojunction for solar cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012123249/28A RU2499330C1 (en) 2012-06-05 2012-06-05 Organic donor-acceptor heterojunction for solar cell

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2499330C1 true RU2499330C1 (en) 2013-11-20

Family

ID=49710224

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012123249/28A RU2499330C1 (en) 2012-06-05 2012-06-05 Organic donor-acceptor heterojunction for solar cell

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2499330C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2554590C1 (en) * 2014-01-29 2015-06-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Башкирский государственный университет" Methane fullerenes as organic materials for solar batteries

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2324643C1 (en) * 2006-10-06 2008-05-20 Государственное учебно-научное учреждение Физический факультет Московского Государственного университета им. М.В. Ломоносова Method of preparing thin-film nanocomposite coating on solid-state body
AU2009100376A4 (en) * 2009-04-24 2009-05-28 Defries, Anthony Mr Engineered or structured coatings for light manipulation in solar cells and other materials
RU104780U1 (en) * 2011-02-02 2011-05-20 Общество с ограниченной ответственностью "ИНЛАЙФ" ORGANIC PHOTOVOLTAIC SOLAR ENERGY CONVERTER

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2324643C1 (en) * 2006-10-06 2008-05-20 Государственное учебно-научное учреждение Физический факультет Московского Государственного университета им. М.В. Ломоносова Method of preparing thin-film nanocomposite coating on solid-state body
AU2009100376A4 (en) * 2009-04-24 2009-05-28 Defries, Anthony Mr Engineered or structured coatings for light manipulation in solar cells and other materials
RU104780U1 (en) * 2011-02-02 2011-05-20 Общество с ограниченной ответственностью "ИНЛАЙФ" ORGANIC PHOTOVOLTAIC SOLAR ENERGY CONVERTER

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Wu, J. L. et al. Surface Plasmonic Effects of Metallic Nanoparticles on the Performance of Polymer Bulk Heterojunction Solar Cells. ACS Nano, v. 5, №2, 959-967 (2011). *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2554590C1 (en) * 2014-01-29 2015-06-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Башкирский государственный университет" Methane fullerenes as organic materials for solar batteries

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kielar et al. Long-term stable organic photodetectors with ultra low dark currents for high detectivity applications
Baran et al. Reduced voltage losses yield 10% efficient fullerene free organic solar cells with> 1 V open circuit voltages
Jagadamma et al. Correlating photovoltaic properties of a PTB7-Th: PC 71 BM blend to photophysics and microstructure as a function of thermal annealing
Ann et al. Device design rules and operation principles of high-power perovskite solar cells for indoor applications
Im et al. All solid state multiply layered PbS colloidal quantum-dot-sensitized photovoltaic cells
Li et al. Graphdiyne-doped P3CT-K as an efficient hole-transport layer for MAPbI3 perovskite solar cells
Meng et al. A perylene diimide based polymer: a dual function interfacial material for efficient perovskite solar cells
Sun et al. Mechanism of bifunctional p-amino benzenesulfonic acid modified interface in perovskite solar cells
Wang et al. Melanin–perovskite composites for photothermal conversion
Wang et al. Toward ultra-thin and omnidirectional perovskite solar cells: Concurrent improvement in conversion efficiency by employing light-trapping and recrystallizing treatment
Kusuma et al. A review on electrical characterization techniques performed to study the device performance of quantum dot sensitized solar cells
Patel et al. Effect of ultraviolet radiation on organic photovoltaic materials and devices
Lin et al. Effect of grain cluster size on back‐contact perovskite solar cells
Tavakoli Dastjerdi et al. Oxygen plasma-induced p-type doping improves performance and stability of PbS quantum dot solar cells
Brus et al. Electrical and photoelectrical properties of P3HT/n-Si hybrid organic–inorganic heterojunction solar cells
Uddin et al. Surface plasmonic effects on organic solar cells
Chi et al. Fully understanding the positive roles of plasmonic nanoparticles in ameliorating the efficiency of organic solar cells
Brenner et al. White-light bias external quantum efficiency measurements of standard and inverted P3HT: PCBM photovoltaic cells
Nourolahi et al. Silver nanoparticle plasmonic effects on hole-transport material-free mesoporous heterojunction perovskite solar cells
Wilken et al. Improvement of ITO-free inverted polymer-based solar cells by using colloidal zinc oxide nanocrystals as electron-selective buffer layer
Grob et al. Solvent vapor annealing on perylene-based organic solar cells
Shin et al. Harvesting near-and far-field plasmonic enhancements from large size gold nanoparticles for improved performance in organic bulk heterojunction solar cells
Lin et al. Balancing charge extraction for efficient back‐contact perovskite solar cells by using an embedded mesoscopic architecture
Tang et al. Fully-solution-processed organic solar cells with a highly efficient paper-based light trapping element
Jägeler-Hoheisel et al. Direct electrical evidence of plasmonic near-field enhancement in small molecule organic solar cells

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20140606