جذب نور در پلیمرهای مزدوج

دسته: مقالات منتشر شده در 17 بهمن 1401
نوشته شده توسط Admin بازدید: 278

بررسی منشا جذب نوری بالا در پلیمرهای مزدوج

جذب نوری خاص در یک نیمه هادی آلی برای عملکرد دستگاه های اپتوالکترونیک آلی بسیار مهم است. برای مثال، در سلول های خورشیدی بازدهی برداشت نور بالاتر منجر به جریان نوری بالاتر بدون نیاز به انتقال الکتریکی عالی در فیلم های ضخیم می شود. ما ضرایب خاموشی را برای بیش از 40 پلیمر مزدوج بررسی می کنیم و تعداد ساختارهای شیمیایی مختلف با حداکثر خواص ظاهری را به دست می آوریم. با این حال، در کوپلیمر دیکتوپیرولوپیرول-تینوتیوفن، جذب نوری بالا در انرژی‌ های فوتون نسبتاً کم را به دقت بررسی و مطالعه می کنیم. همچنین منشا جذب نوری را از نظر ساختار ستون فقرات و ترکیب با استفاده از اندازه گیری ها و محاسبات شیمیایی کوانتومی ارزیابی می کنیم. در ادامه، به این نتیجه رسیدیم که جذب نوری بالا را می توان با افزایش پایداری پلیمر تفسیر کرد. بر همین اساس، جذب بالای نور را در سایر پلیمرها با پایداری بالا را نیز بیان می کنیم. ما معتقدیم برداشت نور مرئی ممکن است در سایر پلیمرهای مزدوج از طریق طراحی دقیق ساختار تقویت شود.

 

مواد الکترونیک مولکولی مانند پلیمرهای مزدوج به جایگاه خاصی در کاربردهای فوتونیک، سنجش و تبدیل انرژی خورشیدی دست یافته اند. اینکه چگونه انرژی انتقال نوری، ناهمسانگردی نوری و انبساط الکترونیکی با ساختار شیمیایی در ستون فقرات مزدوج و پکینگ مولکولی مرتبط است به خوبی درک شده است. در چندین مطالعه گزارش شده است که چگونه این خواص را می توان از طریق انتخاب ساختار و مسیر فرایند کنترل کرد. برخی از نویسندگان به گسترش پاسخ طیفی را با استفاده از جاذب ‌های پانکروماتیک یا سیستم های سه تایی پرداخته اند. طیف جذبی از نظر رابطه بین شکل طیف و ساختار یا ترکیب شیمیایی آنالیز شده و مولکول ها یا مونومرهای منفرد با خاموشی نوری بالا ارائه شده اند. با این حال، افزایش جذب نوری در پلیمرهای مزدوج کمتر مورد مطالعه قرار گرفته و به ندرت بعنوان یک هدف طراحی مد نظر است. توانایی تنظیم میزان جذب می تواند کاربرد آنها را به شدت تأثیر بگذارد. شکل زیر یکنواختی قابل توجه ضریب خاموشی را در پلیمرهای مزدوج نشان می دهد که با استفاده از الیپسومتری طیف سنجی اندازه گیری شده اند. 

 

شکل 1:

 Extinction coefficient k

 

پلیمرها با ساختار شیمیایی مختلف، خود-سازماندهی و شکاف نوری منجر به افزایش k تا 0.9±0.1 می شود که در آن ضریب شکست پیچیده η=nᵣ+ik است. ضریب بیان شدۀ بخش حقیقی تابع دی الکتریک حدود 3.9±0.2 است. همانطور که در ادامه گفته می شود، این ضریب بسیار کمتر از حداکثر جذب آنها است. حتی مقادیر کمتر k برای پلیمرها با فاصله باند کم مشاهده شد که پس از تحریک، تحت انتقال بار درون زنجیره ای قرار می گیرند. با این حال، در اینجا به بررسی تیوفن دیکتوپیرولوپیرول (DPP-TT-T) بعنوان یک پلیمر با شکاف باند کم می‌ پردازیم. این پلیمر به دلیل داشتن تحرک ترانزیستوری با اثر میدانی بالا عملکرد بسیار امیدوارکننده ای بعنوان اهدا کننده سلول های خورشیدی و پایداری بالای نور دارد. علاوه براین، عملکرد سلول خورشیدی با استفاده از این پلیمر با نقطه انشعاب روی زنجیره های جانبی پلیمری و وزن مولکولی پلیمر، اما بدون هیچ مکانیزم قانع کننده ای برای روندها، همبستگی دارد. در اینجا، ما قصد داریم تأثیر این پارامترهای ساختاری پلیمر را بر میزان جذب نوری بیان کنیم.

 

ما از بین مجموعه دسته های پلیمری با وزن مولکولی متفاوت (MW) و زنجیره جانبی که در جدول و شکل زیر ارائه شده اند، چهار نمونه را برای مطالعه دقیق انتخاب می کنیم: کسرهای وزن مولکولی بالا و پایین پلیمر با زنجیره های جانبی دودسیل-اکتیل منشعب در کربن ثانویه (C1) و با زنجیره های تترادسیل-اکتیل در کربن چهار (C4) منشعب می شود.

 

شکل 2:

Molecular structures and refractive indices of DPP-TT-T C1 and C3 polymers 

 

جدول 1:

 Molecular weight information of the batches of material used for detailed study

 

هنگامی که سلول های خورشیدی PC₇₀BM در ساختار شیشه/ اکسید قلع ایندیم/ ZnO/ مخلوط (1:2) MoO₃/ Ag و پلیمرهای Mw بالاتر بعنوان جزء اهدا کننده (دهنده) در پلیمر استفاده می شوند، منجر به چگالی جریان نوری اتصال کوتاه بسیار بالا، Jsc، شدند که عملکرد تبدیل توان بالاتر در C1 HMW و C3 HMW را در مقایسه با پلیمرها با MW کمتر، به ترتیب به 8.1 و 8.5 درصد رساند. در مقابل، با توجه به شکل 2 و جدول زیر، اثر نقطه انشعاب بر Jsc در پلیمرها با  MW مشابه کمتر قابل توجه است.

 

جدول 2:

 J-V characteristics of devices made using low and high molecular weight C1 and C3

 

مطالعه قبلی بدون اشاره به وزن مولکولی از ساختار زنجیره جانبی، به بررسی اثر نقطه انشعاب بر عملکرد دستگاه پرداخته بود. در اینجا، Jsc بالاتر برای کسرهای  MW بالا را نمی توان به راحتی با ضخامت لایه فعال و یا با تفاوت در تحرک حامل بار یا طول عمر توضیح داد. همان طور که در شکل زیر نشان داده شده است، محصولات تحرک-طول عمر در C3 نسبت به C1 بالاتر است اما در کسرهای Mw مختلف  در هر پلیمرقابل تشخیص نیست.

 

شکل 3:

 Normalised oscillator strength f1

 

از طرف دیگر، تفاوت در جذب نور ممکن است باعث افزایش تغییرات مشاهده شده در  Jsc شود. ما تابع دی الکتریک پیچیده پلیمرها و ترکیب مربوطه با  PC₇₀BM را با استفاده از الیپسومتری طیف ‌سنجی زاویه متغیر بررسی کردیم. شکل 2 طیف‌ های  nᵣ و k را برای فیلم‌ های بکر و ترکیبی در چندین کسر وزن مولکولی C1 و C3 نشان می‌ دهد. مطابق با پلیمرهای ارائه شده در شکل 1، نمونه های دارای بالاترین وزن مولکولی میزان k را حدود 1.4 را نشان می دهند، در حالی که کسرهای وزن مولکولی کمتر حداکثر حدود 1 است. توجه داشته باشید که همه نمونه های دارای وزن مولکولی در حوزه الکترونیک آلی کاربرد دارند. برای هر ماده، نتایج حاصل شده با استفاده از نمونه های فیلم ها با ضخامت، بسترها و استفاده از الیپسومتری مختلف قابل اثبات است. همان طور که در شکل 2 مشاهده شد، روند ضریب خاموشی در فیلم های پلیمری بکر در اندازه ‌گیری فیلم‌ های مخلوط بازتولید شد و Jsc نیز از k اندازه گیری شده در مخلوط ها با 20 درصد از مقادیر ارزیابی شده محاسبه شد. بنابراین، تخریب نوری بعنوان علت اصلی در عملکرد بالای سلول های خورشیدی تایید می شود.