Organik güneş pillerinin çalışma prensibi

Organik yarıiletkenlerde fotonların soğurulması, serbest yüklerden ziyade bağlı elektron-hol çiftlerinin (eksitonlar) meydana gelmesine yol açar. Enerji taşıyan fakat yük taşımayan bu eksitonlar, yüklerinin ayrıştığı ayrışma alanlarına difüze olurlar. Daha sonra ayrışan yüklerin ilgili cihazın elektrotlarına, gerilim oluşturmak için hollerin anoda ve elektrotların katoda gitmesi gerekir.

Bir organik güneş pili ile ışığın elektriğe dönüşüm süreci şu şekilde tanımlanır: uyarılmış bir durumun oluşması için bir fotonun soğrulması, yani bağlı elektron- boşluk çiftinin (eksiton) oluşması; eksitonun ayrılacağı bölgeye doğru eksiton difüzyonu, yani yük ayrımının oluşması; ve organik yarıiletken içinde farklı elektrotlara yük taşınması şeklindedir. Bu temel adımların hepsi OPV'lerin performansını geliştirmek için araştırmacılara potansiyel hedef olmuştur. Bu temel basamaklar aşağıda ayrıntılı şekilde anlatılmıştır:

1. Fotonların soğurulması: Soğurum verimliliği, organik malzemelerin ışığı ne kadar fazla topladığı ile ilgilidir. Birçok organik cihazda, aşağıdaki sebeplerden dolayı gelen ışığın sadece küçük bir bölümü soğurulur.

Yarıiletkenlerin bant aralığı oldukça yüksektir. Dünyaya ulaşan güneş ışığının %77’sinin soğurulabilmesi için 1,1 eV'luk (1100 nm) bir band aralığı gereklidir. Burada, yarı iletken polimerlerin büyük çoğunluğunun bant aralığı ise 2,0 eV’den (600 nm) yüksektir, bununla güneş ışığının ancak %30’unu soğurabilirler. Şekil 2.12, sıklıkla kullanılan bazı organik malzemelerin soğurum katsayılarını göstermektedir. Organik malzemelerdeki ilk fotouyarılma doğrudan ya da nicel olarak serbest yük taşıyıcılarının oluşmasını sağlamaz fakat, bağlı elektron-boşluk çiftini (eksiton) oluşturur. Konjuge polimerlerde fotouyarımla oluşan eksitonların sadece %10'u serbest yük taşıyıcıları oluşturur [75].

28

Şekil 2.12. Sıklıkla kullanılan malzeme filmlerinin absorpsiyon katsayıları (Standart AM 1.5 güneş spektrumuna göre) [12]

Organik tabaka çok ince tutulur. Genel olarak yüksek yük taşıyıcı ve eksiton hareketliliği için tabaka kalınlığı 100 nm civarında olmalıdır. Organik malzemelerin soğurma katsayıları örneğin silisyumunkinden çok daha yüksektir ve eğer bir reflektif geri kontağın kullanılması durumunda, %60-90 arası soğurma için 100 nm yeterlidir.

2. Eksiton difüzyonu: İdeal olarak, ışıkla uyarılan tüm eksitonların ayrışma alanına ulaşmaları gereklidir. Bu bölge yarı-iletkenin diğer ucunda bulunabileceğinden difüzyon uzunlukları, en azından gerekli tabaka kalınlığına eşit olmalıdır (yeterli soğurma). Aksi takdirde, rekombine olurlar.

Polimerlerde ve pigmentlerde eksiton difüzyon uzunluğu 10 nm civarındadır [76-79]. Fakat perilenler gibi bazı pigmentlerin eksiton difüzyon uzunluklarının 100 nm’nin kat kat üstünde olduğu düşünülmektedir [80].

3. Yük ayrışması: Eksitonların verimli bir şekilde ayrışmaları için güçlü bir elektrik alan gereklidir. Böyle lokal alanlar arayüzeyler tarafından olduğu kadar dıştan uygulanan elektrik alan yoluyla da sağlanabilir.

Dalgaboyu Absor psiyo n S abit i F oton Akış ı

29

Bir arayüzeyde, potansiyel enerjinin ani değişimlerinin olduğu yerde, güçlü lokal elektrik alanlar mümkündür (E =-gradV) . Işıkla uyarılarak oluşan yük transferi, ancak eksitonlar kendi yarı ömürleri içinde böyle bir arayüzeye ulaştıklarında oluşabilir. Bölüm 2.1.4'te kısaca bahsedildiği gibi, yük ayrışmasının ayrıca organik yarı- iletken/metal ara yüzlerinde, safsızlıklarda (örneğin oksijen) veya elektron afinitesi (EA) ve iyonizasyon potansiyelleri (IP) yeterince farklı malzemeler arasında gerçekleştiği bilinmektedir. IP ve EA arasındaki fark yeterli değilse, eksiton yüklerine ayrışmadan düşük bant aralıklı malzeme üzerine sıçrayabilir. Ve sonunda da yüklerini foto-akıma katamadan rekombine olur. Elektron veren malzemenin iyonizasyon potansiyeli IPD ve elektron alan malzemenin elektron afinitesi EAA

arasındaki fark, eksiton bağlanma enerjisi EB'den daha büyükse, eksiton ayrılımı

enerjetik olarak uygundur (Şekil 2.13).

IPD*-EAA - EB < 0 (Eksiton ayrılımı için koşul)

Şekil 2.13. DA arayüzeyinde eksiton ayrılımını tanımlayan şematik resim [81]

Şekil 2.13, DA arayüzeyindeki eksiton ayrılımını göstermektedir. Şekilden görüldüğü gibi: 1) Uyarılmamış bir donor molekülünün HOMOD ve LUMOD

seviyeleri. 2) Uyarılmış bir donor molekülü IPD* enerjisi ile iyonize edilir. 3)

30

elektron akseptörün LUMO suna ultra hızlı bir şekilde transfer edilir. 4) akseptördeki elektron ve iyonlaşmış donorda kalan hol arasındaki Coulomb etkileşmesinden dolayı ek bir enerji bariyeri EB yük taşıyıcılarının uzaysal ayrılımı için aşılmalıdır.

Böylece eksiton ayrılımı enerjetik olarak IPD*-EAA-EB <0 olduğunda mümkündür.

IPD*, uyarılmış donorun iyonizasyon potansiyelini; EAA, akseptörün elektron

afinitesini; EB, donor içindeki eksitonların bağlanma enerjisini göstermektedir.

Böyle bir DA arayüzeyi üzerinden yük transferi çok hızlı ve çok verimlidir. Zamana bağlı deneylerle femtosaniye lazer atımları kullanılarak, DA arayüzeyindeki ayrılma işleminin < 100 fs den küçük zaman periyodu içinde gerçekleştiği gösterilmiştir. Eksiton ayrılımı sırasında elektron, akseptör molekülü üzerinden transfer edilirken, boşluk donor molekülü üzerinde kalır (Şekil 2.13). Böylece yük taşıyıcıları uzaysal olarak ayrılmış olur.

Fuleren gibi elektron akseptör olan konjuge polimerlerle blend yapma, fotouyarılmış eksitonları serbest yük taşıyıcıları haline getirmek için çok verimli bir yoldur. Ultrahızlı fotofiziksel çalışmalar, böyle blendlerde fotoindirgemeyle oluşmuş yük transferinin 45 fs zamanında oluştuğunu gösterir [26]. Bu durum, diğer relaksasyon süreçlerinden daha hızlıdır (fotolüminesans genellikle 1 ns civarında oluşur). Ayrıca böyle blendlerdeki ayrılmış yükler düşük sıcaklıklarda yarı kararlıdır. Şekil 2.14, C60'ın kimyasal yapısını göstermektedir.

Şekil 2.14. (C60)'ın kimyasal yapısı

4. Yükün taşınması: Verimli fotovoltaik cihazlar için, oluşan serbest yüklerin kendi yarı ömürleri süresince uygun elektrotlara taşınması gerekir. Yük taşıyıcılarının elektrotlara ulaşması için sürücü bir kuvvete ihtiyaçları vardır.

31

Elektron ve hollerin kimyasal potansiyel gradyenti (katkılanmış fazların yarı Fermi seviyesi), donor-akseptör arayüzeyinde meydana gelir. Bu gradyent, donorların en yüksek işgal edilmiş moleküler seviyesi (HOMO) (boşlukların yarı Fermi seviyesi) ile akseptörlerin en düşük işgal edilmemiş moleküler orbital (LUMO) (elektronların yarı Fermi seviyesi) arasındaki fark ile tanımlanır. İçsel elektrik alan, maksimum açık devre gerilimini (Voc) tanımlar ve yük taşıyıcılarının alan etkisinde

sürüklenmesine katkıda bulunur. Başka bir sürücü kuvvet, elektron ve hollerin konsantrasyon gradyenti olabilir, bu da difüzyon akımını sağlar. Özellikle aynı malzeme elektron ve hollerin her ikisi için taşıma ortamı olarak çalışıyorsa, yüklerin taşınması, elektrotlara hareket esnasında rekombinasyon ile etkilenebilir.

5. Yükün toplanması: Yük taşıyıcıları, iki seçici kontak ile tamamen birbirlerinden ayrılırlar. Şeffaf indiyum kalay oksit (ITO) birçok konjuge polimerin HOMO seviyesiyle eşleştirilir (hol kontak). Diğer tarafta 3,4 eV civarında iş fonksiyonu sahip buharlaştırılmış alüminyum, akseptör PCBM'in (elektron kontak) LUMO'suna eşleştirilir. Yüklerin, nispeten düşük iş fonksiyonlu elektronik bir malzemeye (örneğin Al, Ca) girebilmeleri için genellikle ince bir oksit tabakasından meydana gelen engeli de aşmaları gerekmektedir. Şekil 2.15, organik bir güneş pilinin çalışma ilkesini şematik olarak göstermektedir.

Şekil 2.15. Organik bir güneş pilinin çalışma prensibinin şematik gösterimi [9]

Işık

Katot

32

Organik bir güneş pilinin çalışma ilkesini prensip şeması ile özetleyecek olursak; 1-Gelen fotonların soğrulması

2-Oluşan eksitonların ara yüzeye ulaşması 3-Eksiton ayrılımı

4-Yüklerin toplanması