فرایندهای سطحی مرتبط با عملکرد پیل های خورشیدی
استفاده از انرژی پیل های خورشیدی ساخته شده از مواد آلی (به ویژه پیل های خورشیدی پلیمری) به دلیل مزایایی همچون سبک وزن بودن، هزینه های ساخت کمتر، ادغام آسان تر با سایر محصولات، اثرات زیست محیطی کمتر در حین تولید و بازیابی انرژی در کوتاه مدت جایگزین مناسبی برای پیل های خورشیدی تهیه شده از سیلیکون محسوب می شوند. با این حال، حتی با وجود آخرین بازدهی گزارش شده تا 17 درصد، تکرارپذیری این بازدهی با تغییرات قابل توجهی در موارد ذکر شده در دیگر مقالات یکسان نیست. از آنجایی که این دستگاه ها مبتنی بر فیلم های آلی چند لایۀ فوق نازک هستند، رابط ها نقش مهمی در عملکرد و پیاده سازی آنها ایفا می کنند. در این مقاله، گزارش مختصری از مسائل سطحی مهم که عملکرد دستگاه را تحت تاثیر قرار می دهند، با تاکید بر مکانیسم های فیزیکی آنها ارائه شده است. پس از بیان مقدمه ای بر اصول اولیه پیل های خورشیدی پلیمری، به طور مختصر درمورد فتوجنریشن و بازترکیب بار که در رابط ناهمگون توده ای دهنده - پذیرنده رخ می دهد، بحث می شود. سپس، مورفولوژی سطحی لایه فعال و چگونگی تاثیر آن بر عملکرد و ثبات این دستگاه ها را مورد بحث قرار می دهد. در ادامه، شکل گیری موانع تزریق، استخراج و حتی نقش آنها در عملکرد دستگاه بررسی می شود. در نهایت، رایج ترین رویکردها برای تغییر این موانع با هدف بهبود بازدهی پیل های خورشیدی من جمله استفاده از دوقطبی های سطحی را مورد بررسی قرار می دهد. این مسائل به یکدیگر مرتبط هستند و درک روشن و مختصری از عملکرد ضعیف ناشی از پدیده سطحی که در داخل دستگاه اتفاق می افتد ارائه می دهند. این مطالعه نه تنها برخی از رویکردهای پیاده سازی شده که برای حل این مسائل اتخاذ شده اند را بررسی می کند، بلکه به بیان مسائل سطحی نیز می پردازد که هنوز به طور کامل در پیل های خورشیدی آلی درک نشده اند.
پیل های خورشیدی ساخته شده از پلیمر از دهه گذشته موضوع تحقیقات متمرکز و مستمرتری بوده اند که با توجه به جدول زیر، شاهد افزایش شدید بازدهی تبدیل توان آنها از 6 درصد به 17 درصد در کمتر از یک دهه هستیم.
جدول 1:
این دستاوردهای مهم تنها با معرفی مواد جدید من جمله پلیمرهایی با شکاف باند کمتر، مشتقات فولرن جدید و سایر مولکول های پذیرنده، بهبود خواص مواد موجود مانند حلالیت و شکاف باند فولرن ها، توسعه معماری دستگاه، افزودن لایه های بافر جدید به معماری کنونی دستگاه و اتخاذ رویکردهای جدید برای بازپخت حرارتی و حلال امکان پذیر شده است. در واقع، مشکل بازدهی پایین تر پیل های خورشیدی پلیمری با توجه به سایر روش های آلی یا ترکیبی به عواملی مانند معماری دستگاه، مواد مورد استفاده برای ساخت پیل های خورشیدی و خواص آنها (وزن مولکولی پلیمر دهنده، خلوص مواد، تراز سطح انرژی و شکاف باند)، پارامترها و شرایط پردازش در حین ساخت پیل های خورشیدی مانند شرایط پوشش اسپین، حلال و مواد افزودنی مورد استفاده، تیمار حرارتی و بازپخت حلال و حتی مدت زمان آنها که ضخامت و مورفولوژی لایه ها و رابط های آلی مختلف را تعیین می کند نسبت داده می شود. جدا از کارایی آنها، سایر جنبه های مرتبط با عملکرد دستگاه را می توان ثبات و تخریب پیل های خورشیدی پلیمری در حین پیاده سازی نام برد. اینها همچنین به خواص موادی نسبت داده شده اند که آنها را مستعد تغییرات ساختاری پس از واکنش با اکسیژن و رطوبت محیط در مواجهه با آنها می کند. اگرچه رویکردهای متعددی برای درک عوامل پنهان این عملکرد ضعیف اتخاذ شده و روش هایی هم برای رسیدگی به آنها مطابق با جدول زمانی تحقیقات بر روی پیل های خورشیدی پلیمری توسعه داده شده است، اخیرا اثبات شده است که رابط ها نقش مهمی در عملکرد و ثبات دستگاه دارند. در واقع، باید این انتظار را داشت چون که این دستگاه ها متکی بر فیلم های آلی چندلایه بسیار نازک هستند و بار هم باید در بسیاری از رابط های مشترک شامل مواد آلی و معدنی با خواص بسیار متفاوت منتقل شود. بنابراین، بررسی دقیق با تمرکز مطلق بر مسائل سطحی در پیل های خورشیدی پلیمری کاملا ضروری است.
این مقاله مطالعه جامعی از فرایندهای فیزیکی متفاوت ارائه می دهد که در رابط های درون پیل های خورشیدی آلی (با تاکید بر دستگاه های ناهمگون توده ای پلیمری) اتفاق افتاده و تاثیر قابل ملاحظه ای بر کارایی آنها دارند. مباحث به چند بخش فتوجنریشن و بازترکیب بار در رابط دهنده/پذیرنده، نقش مورفولوژی سطحی (تفکیک فاز عمودی) بر خواص دستگاه، اثر تزریق بار و موانع استخراج بر روی عملکرد دستگاه، روش های بکار رفته در رسیدگی به مشکلات عملکرد ناشی از موانع انرژی در پیل های خورشیدی تقسیم شده اند. امیدوار هستیم این مطالعه به حجم گسترده ای از تحقیقات با هدف درک و کنترل این پدیده های سطحی بر طیف گسترده ای از مواد اشاره کرده باشد. از میان موضوعاتی که در اینجا بحث شده است، به چند مورد اشاره می کنیم که معتقدیم بیشتر مرتبط هستند یا باید بیشتر بررسی شوند. بعنوان مثال، بازترکیب بار با کاهش جریان اتصال کوتاه و فاکتور پر کردن کاملا برای عملکرد کلی پیل خورشیدی مضر بوده و بیشتر به مورفولوژی ناهمگون توده ای و تحرک حامل مرتبط است. بنابراین، بسط مطالعه سیستماتیک و کمّی در این رابطه بسیار مهم است. اگرچه بررسی مورفولوژی سطحی و تفکیک فاز عمودی نسبتا دشوار است و به تکنیک های توصیفی پیشرفته نیاز دارد، اما قویا درک عملکرد ضعیف دستگاه را تحت تاثیر قرار می دهد و با این حال، به توسعه بیشتری نیاز دارد. موضوع مهم دیگر استفاده از لایه های دوقطبی برای تراز سطح انرژی است. در حالی که مکانیسم فیزیکی آن کاملا به خوبی درک شده است، نمی توان به راحتی هم ترازی مولکولی این دوقطبیِ رابط را در پیکربندی دستگاه عامل تفسیر کرد. در نتیجه، این چالش بزرگ باید برطرف شود. همچنین باید مشخص شود که همه این فرایندهای مختلف در پیل های خورشیدی آلی با یکدیگر مرتبط هستند و نقش مهمی در تعیین بازدهی آنها دارند. بعنوان مثال تفکیک فاز عمودی ممکن است درقطبی های سطحی ایجاد کند که موانع انرژی را تحت تاثیر قرار می دهد که باز هم به نوبه خود ممکن است باعث تجمع بار در لایه فعال و افزایش بازترکیب حامل شود. درک کامل همه این مسائل سطحی بسیار چالش برانگیز است؛ هم به دلیل پیچیدگی و تنوع سیستم های مولکولی و هم به دلیل دشوار بودن انجام تحقیقات تجربی در رابطه با انواع مختلف رابط های پنهان در این دستگاه ها (فلزی/آلی، آلی/آلی، معدنی/آلی) به ویژه با تکنیک هایی که درک مولکولی از ساختار سطحی و انرژی را ارائه می دهند. از این نظر، اگر شبیه سازی کامپیوتری سطح الکترونیکی/مولکولی این رابط ها محبوب تر و واقعی تر باشد، بسیار مفید خواهد بود.
