Полимерные фотовольтаические материалы на основе наноуглеродных кластеров.

Н.Г. Спицына, А.С. Лобач, М.Г. Каплунов,С.Л. Никитенко

Институт проблем химической физики РАН,
142432 г. Черноголовка, Московской обл., пр-т академика Семенова 1.
Е-mail: spitsina@icp.ac.ru

Синтез и исследования новых материалов для органических фотовольтаических ячеек на основе композиций сопряженных полимеров с производными фуллеренов(пластиковые солнечные элементы) – интенсивно развивающаяся в последнее время отрасль науки [1,2].

Высокая эффективность фотопреобразования в таких системах обьясняется тем, что образующиеся при фотовозбуждении полимера носители заряда (электроны) в результате фотоиндуцированного переноса переходят на молекулы фуллерена, обладающие хорошими акцепторными свойствами, что, в свою очередь, приводит к эффективному разделению зарядов, образующихся при фотогенерации [3].

В нашей работе изучены спектральные свойства (ИК, УФ, фотолюминесценция) ряда новых амино- и азагомо- производных [60]фуллерена [С60Н4(BA)4; С60Н4(DBA)4; С60Н3(CPA)3; AFNP; AFDPIP; AFDBP и PCBM] , комплексов С60-МРс [где MPc=CuPc; PcBuZn; Dy(Pc)2 ] и их композиций с полисопряженными полимерами [MEH-PPV - поли[2-метокси-5-(2’-этилгексилокси)-1,4-фениленвинилен]; Р3НТ – поли-(3-гексилтиофен)].

Исследование ИК- и УФ- спектров поглощения ПКМ с MEH-PPV, как в пленке, так и в растворе, показало, что эти спектры являются простой суперпозицией составляющих их молекул, откуда следует, что взаимодействие полимера и фуллерена в основном состоянии отсутствует. В то же время, исследование зависимости интенсивности фотолюминесценции полимера от концентрации фуллерена в композите (Рис.1) показало, что уже при малых концентрациях фуллерена происходит эффективное тушение люминесценции полимера.

Это свидетельствует о сильном взаимодействии фотовозбужденных состояний полимера с молекулами фуллерена. Такое взаимодействие приводит к эффективному разделению зарядов, образующихся при фотовозбуждении, и как следствие, к возрастанию фототока. Это подтверждается измерениями вольт-амперных характеристик композитных пленок. Для пленок ПКМ на основе MEH-PPV, содержащих около 50% фуллерена фототок возрастает на 3 порядка по сравнению с чисто полимерной пленкой MEH-PPV.

Для образцов модельной солнечной ячейки на основе полимера Р3НТ, схема которой представлена на рисунке 2, были получены параметры ФП [AM1.5(100mW/cm2)] представленные в Таблице 1. Эффективность преобразования оптимизированных устройств на основе ПКМ Р3НТ:РСВМ, где РСВМ - метиловый эфир [6,6]-фенил-С61-маслянной кислоты, составила 4,19%.

В работе представлены результаты исследований спектрально-люминесцентных и фотопроводящих свойств полимерных композиционных материалов на основе полимеров (MEH-PPV; Р3НТ) с добавками комплексов фуллерена С60 с металлофталоцианинами (МРс = CuPc; PcBuZn; PcBuCr). На рисунке 3 представлены вольт-амперные характеристики модельных солнечных элементов изготовленных по схеме ITO / PEDOT-PSS / P3HT- С60-МPc/Al, где ITO - (SnO2 : In2O3); PEDOT-PSS - поли(этилендиокситиофен) – полистиролсульфат; МPc = PcBuZn.

Установлено, что в объемно-гетеропереходных фотовольтаических преобразователях (ФП) на основе ПКМ (MEH-PPV/С60-PcBuZn) и (Р3НТ/С60- PcBuZn) увеличивается плотность тока фотопроводимости по сравнению с ФП на основе ПКМ (Полимер/С60). Возрастание фотопроводимости связывается: с захватом электронов и их транспортом по молекулам С60 за счет новых центров фотогенерации носителей заряда (PcBuZn) и увеличения поглощения в ближней ИК-области спектра. Обнаружена сенсибилизация внутреннего фотоэффекта при облучении ПКМ (MEH-PPV/С60-МPc) в ближней ИК- области, которая объясняется фотогенерацией носителей заряда из молекул фталоцианинов [3].

Работа выполнена при финансовой поддержке комплексной программы Президиума РАН "Разработка методов получения химических веществ и создание новых материалов".