توضیحات
پروژه شبیه سازی رفتار سلول های خورشیدی آلی پلیمری برپایه P3HT:PCBM در نرم افزار SETFOS
Simulation of Polymer Organic Solar Cell based on P3HT:PCBM Polymer in SETFOS
امروزه سلولهای فتوولتائیک برای تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی یکی از جذاب‌ترین موضوعات تحقیقاتی میباشد. یکی از انواع این سلول ها، سلول های خورشیدی آلی می باشد. سلول هاي فتوولتائيك آلي را مي توان هم با استفاده از مولكول هاي كوچك و هم با استفاده از مواد پليمري ساخت. در اين پروژه، نوعی از سلول هاي خورشيدي آلي كه با استفاده از پليمرها تهيه مي شوند بررسي مي شود. سلول های خورشیدی پلیمری به دلیل انعطاف پذیری مکانیکی، آسانی فرایند ساخت، هزینه پایین و نیز امکان تولید لایه های نازک در سالهای اخیر مورد توجه قرار گرفته اند. سلول خورشیدی دستگاهی است که قابلیت تبدیل انرژی خورشید را به انرژی الکتریکی با استفاده از اثر فوتوولتایی دارد. در سال های اخیر، به دلیل توسعه نسل‌های مختلف سلولهای خورشیدی، انواع گوناگونی از آن ها، شامل سلولهای خورشیدی سیلیکونی، حساس شده به رنگدانه، نقاط کوانتومی، آلی و نسل‌های جدید ساخته شده‌اند. در میان انواع مختلف این سلولها، نوع پلیمری آن به دلیل انعطاف پذیری، وزن سبک، امکان طراحی مواد بکار رفته در ساختار آن ها، ضریب جذب زیاد، فرایندپذیری در حالت محلول و فنون ساخت ارزان‌قیمت توجه بسیاری را به خود جلب کرده‌اند.
انرژی خورشیدی:
خورشید عامل و منشأ انرژی های گوناگونی است که در طبیعت موجود است. سوخت های فسیلی که در اعماق زمین ذخیره شده اند، انرژی آبشارها و باد، رشد و نمو گیاهان، کلیه مواد آلی که قابل تبدیل به انرژی حرارتی و مکانیکی هستند، امواج دریا ها، قدرت جذر و مد که بر اساس جاذبه و حرکت زمین به دور خورشید و ماه حاصل می شود و … این ها همه نماد هایی از انرژی خورشیدی هستند. خورشید یک رآکتور هسته ای طبیعی بسیار عظیم است، که در آن بر اثر همجوشی هسته ای ماده به انرژی تبدیل می شود. در هر روز حدود ۳۵۰ میلیارد تن از جرم خورشید به تابش تبدیل می شود. میزان دما در مرکز خورشید حدود ۱۰ تا ۱۴ میلیون درجه سانتیگراد می باشد که از سطح آن با حرارتی نزدیک به ۵۶۰۰ درجه و به صورت امواج الکترو مغناطیسی در فضا منتشر می شود. در طول مسیر طولانی بین خورشید و زمین، مقدار زیادی از نور و گرمای خورشید از دست می رود، اما همان مقداری که به زمین می رسد، کافی است تا شرایط مناسبی را برای موجودات زنده فراهم آورد. خورشید به عنوان یک منبع بی پایان انرژی می تواند حلال مشکلات موجود در زمینه تولید انرژی و حفظ محیط زیست باشد. این انرژی که به زمین می تابد هزاران بار بیشتر از آنچه که ما نیاز داریم و مصرف می کنیم، می باشد. شناخت انرژی خورشیدی و استفاده از آن برای منظورهای مختلف به زمان ماقبل تاریخ باز می گردد(شاید به دوران سفالگری).
با وجود آن که انرژی خورشیدی و مزایای آن از قرون گذشته به خوبی شناخته شده بود، ولی بالا بودن هزینه ساخت سیستم ها برای تبدیل انرژی خورشید به سایر انرژی ها از یک طرف و عرضه نفت و گاز ارزان از طرف دیگر باعث شد که تا قبل از سال ۱۹۷۳ (افزایش ناگهانی قیمت نفت)، انرژی خورشیدی چندان مورد استقبال قرار نگیرد. اما پس از آن کشورهای صنعتی و پیشرفته مجبور شدند به مسئله تولید انرژی از راه های دیگر توجه بیشتری نمایند. امروزه بهره برداری از انرژی خورشیدی در بسیاری از کشورهای جهان به خصوص مناطق با آفتاب زیاد، مرسوم و در حال پیشرفت است. به عنوان مثال، در حال حاضر 0.15 درصد انرژی مورد مصرف آمریکا از خورشید تأمین می شود. کشورهای اروپایی و سایر کشورهای صنعتی نیز مقدار کمی از انرژی مورد نیاز خود را از خورشید تأمین می کنند. در ۲۰ سال گذشته کارهای تحقیقاتی گسترده ای در زمینه استفاده از انرژی خورشید صورت گرفته و پیشرفت های فراوانی در زمینه توجیه اقتصادی و مقرون به صرفه کردن این انرژی انجام گرفته است.
انرژی خورشیدی و مزیت های آن بر سایر انرژی ها:
از انرژی خورشید می توان به عنوان یک انرژی پاک و بدون آلودگی در مقایسه با سوخت های فسیلی و رایگان و قابل دسترس در همه جا استفاده کرد. همچنین خورشید منبع اولیه تمام انرژی های شناخته شده در سیاره زمین است. علاوه بر موارد فوق برخلاف سوخت های فسیلی، انرژی خورشید به عنوان یک منبع بی پایان انرژی تا پنج میلیارد سال آینده حلال مشکلات ما باشد. انرژی و حرارتی که در هر ثانیه از خورشید به زمین می رسد، میلیون میلیون برابر قدرت بمب اتمی منفجر شده در هیروشیما و ناکازاکی است. به عنوان یک مثال برای مقایسه انرژی خورشید با سوخت های فسیلی، اگر همه ی سوخت های فسیلی را جمع کرده و بسوزانیم، این انرژی معادل تابش خورشید به زمین تنها برای ۴ روز می باشد. عدم پرداخت هزینه حمل و نقل و نداشتن تلفات به هنگام توزیع، از دیگر مزایای استفاده از انرژی خورشید می باشند.
نحوه توزیع تابش خورشید بر سطح زمین:
انرژی خورشید که به صورت تابش الکترو مغناطیسی به زمین می رسد، شامل محدوده وسیع طیفی ۲۱۰۰ nm- 300 nm است. از این انرژی، حدود ۵ درصد نور فرا بنفش، ۴۶ درصد نور مرئی و ۴۹ درصد نور مادون قرمز می باشد. انرژی سالانه تابیده شده به زمین به میزان j 24 10 * 3 بوده که بیش از ۱۴۰۰۰ برابر مصرف رایج می باشد. چگالی انرژی تابشی در سطح زمین بسیار متغیر است و به عواملی نظیر عرض جغرافیایی محل، ارتفاع محل از سطح دریا، فصل و اوقات مختلف، ابری یا غیر ابری بودن آسمان و … بستگی دارد. ترکیبات موجود در جو (گردو غبار، ازن، بخار آب، دی اکسید کربن، اکسیژن و نیتروژن) هر یک طیف جذب مخصوص خود را دارا می باشند و آن چه به زمین می رسد، توزیع اصلاح شده طیف تابشی می باشد.
تابش انرژی خورشید در ایران:
تابش روزانه ی نور خورشید در ایران حاوی انرژی ای بیش از دو برابر مقداری است که ما سالیانه در کشور مصرف می کنیم. مقدار تابش انرژی از خورشید بر هر متر مربع از سطح زمین در سال، در نقاط مختلف متفاوت است. هر متر مربع از سطح کشور ایران، واقع بین مدار های ۲۵ تا ۴۰ درجه عرض شمالی، به طور متوسط ۲۰۰۰ کیلو وات ساعت در سال انرژی از خورشید دریافت می کند. میزان تابش برای نواحی گرم و خشک از سایر نواحی بیشتر است.
کاربردهای انرژی خورشیدی:
در عصر حاضر از انرژی خورشیدی توسط سیستم های مختلف و برای مقاصد متفاوت استفاده و بهره گیری می شود که عبارتند از : ۱- استفاده از انرژی حرارتی خورشید برای مصارف خانگی، صنعتی و نیروگاهی ۲- تبدیل مستقیم پرتوهای خورشید به الکتریسیته توسط تجهیزاتی به نام فتوولتائیک
استفاده از انرژی حرارتی خورشید:
این بخش از کاربرد های انرژی خورشیدی شامل دو گروه نیروگاهی و غیر نیروگاهی می شود. در نیروگاه های خورشیدی، توربین ها توسط بخار حاصل از انرژی حرارتی خورشید، انرژی جنبشی لازم جهت چرخاندن ژنراتور ها را فراهم می کنند. با چرخیدن این ژنراتور ها برق تولید می شود. این تأسیسات بر اساس انواع متمرکز کننده های موجود و بر حسب اشکال هندسی متمرکز کننده ها به سه دسته تقسیم می شوند، نیروگاه های خورشیدی از نوع : ۱- سهموی خطی ۲- دریافت کننده ی مرکزی ۳- شلجمی بشقابی. کاربرد های غیر نیروگاهی شامل مواردی مانند : آب گرمکن های خورشیدی و حمام خوورشیدی، گرمایش و سرمایش ساختمان و تهویه مطبوع خورشیدی، آب سردکن خورشیدی، خشک کن خورشیدی، کوره خورشیدی و خانه‌های خورشیدی می شود.
فوتوولتائیک:
سلول های خورشیدی وسایلی هستند که انرژی تابش نور خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. پدیده ی تولید ولتاژ و جریان با این روش پدیده ی فوتوولتائیک نامیده می شود. وقتی نور به سطح این وسایل که از قطعات نیمرسانا تشکیل شده اند، می تابد، باعث آزاد شدن بارهای الکتریکی در آن ها شده و در نتیجه این بارها می توانند آزادانه در داخل این نیمرسانا ها حرکت کرده و توسط الکترودهایی که دو طرف سلول تعبیه شده است، جمع آوری و وارد مدار شوند.
سلول های خورشیدی:
در سلول های خورشیدی فوتوولتائیک، انرژی خورشیدی بدون بهره گیری از مکانیزم های متحرک، به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. استفاده از این سلول ها با بکارگیری آن ها به عنوان مولد الکتریکی در سفینه های فضایی آغاز گشت. در سی سال اخیر محققین سعی دارند با بالا بردن بازدهی و کاهش هزینه ساخت این سلول ها، استفاده از آن ها را در زمین نیز مقرون به صرفه سازند. مقایسه ی هزینه تولید یک واحد الکتریسیته توسط سیستم های فوتوولتائیک با سایر منابع قدرت، با احتساب هزینه تأمین وسایل، نصب و راه اندازی، عامل موثری در استفاده از این سلول هاست.
ویژگی های سلول های خورشیدی:
از ویژگی های سلول های خورشیدی می توانیم به موارد زیر اشاره کنیم.
۱- در مقایسه با توربین های بادی و آبی که مساحت زیادی را اشغال می کنند، سلول های خورشیدی مکان زیادی را اشغال نمی کنند. ۲- بازدهی آن ها با تغییرات دمایی زیاد تغییر نمی کند. ۳- به سادگی قابل نصب هستند. ۴- تولید وسیع این قطعات، به عنوان یک منبع انرژی پایدار بوده و انرژی زیادی را در اختیار ما قرار می دهد. به عنوان مثال با پوشاندن0.1 درصد از سطح زمین توسط سلول های خورشیدی با راندمان ۱۰ درصد نیاز های کنونی ما به انرژی تأمین می شود. به عنوان مثالی دیگر، اگر تمام ایالت آریزونا در آمریکا را با سلول های خور شیدی بپوشانیم، انرژی مورد نیاز آمریکا تأمین می شود، در حالی که پوشاندن تمام آمریکا توسط توربین های بادی این نیاز را بر طرف نمی کند. ۵- بدون آلودگی صوتی بوده و با نصب بر روی دیوار ها و پشت بام ها مزاحمتی برای دید مناظر ایجاد نمی کنند. ۶- این قطعات هیچ گونه آثار مخربی بر روی محیط زیست ندارند.
کاربردهای سلول های خورشیدی:
از سلول های خورشیدی می توان در تأمین نیروی حرکتی ماهواره ها، تأمین انرژی دستگاه هایی که نیاز به ولتاژ های کم دارند ( ماشین حساب و ساعت )، تأمین الکتریسیته در مناطقی که دور از شبکه انرژی بوده و به مقدار انرژی کم اما مستمر نیازمندند، تهیه برق شهر توسط نیروگاه های فتوولتائیکی تأمین نیروی لازم برای حرکت خودروها و قایق های کوچک و … استفاده نمود.
سلول های خورشیدی معدنی:
ابتدایی ترین ساختار یک سلول خورشیدی، یک پیوند p-n منفرد از ماده نیمه هادی است که در اثر اعمال نور تولید جریان الکتریکی می کند، که اساسا برپایه سیلیکون و ژرمانیوم بوده و به صورت تجاری در آمده اند ولی کار با این مواد برای ساخت سلول های خورشیدی مشکل است. این عناصر برای ساخت قطعات فوتوولتایی، که بعلت خالص کردن این مواد و رشد بلور که نیازمند دمای بالا بوده، مشکل و هزینه بر هستند ولی موادی بسیار مقاوم بوده و بازدهی بالایی دارند. در حال حاضر ۸۵% بازار سلول های خورشیدی جهان در دست سلول های خورشیدی معدنی است ولی همانطور که گفته شد این سلول ها مشکلات هزینه بالای ساخت را در بردارند. البته این سلول ها مشکلات شکننده بودن و عدم انعطاف پذیری را نیز دارند که با کمی خم شدن، می شکنند. این سلول ها در سال ۱۹۷۰ حدود ۳۰دلار قیمت داشته اند که با این قیمت با افزایش بازده و پیشرفت آنها کم کم کاسته شده و حدودا در هر ده سال نصف شده است و امروزه تنها در مکانهایی که امکان سیم و کابل وجود ندارد، استفاده می شود.
سلول های خورشیدی آلی(organic solar cell):
سلول های خور شیدی آلی پس از سلول های خور شیدی معدنی پا به عرصه نهادند، ولی هنوز به پیشرفت مناسب از لحاظ طول عمر و بازده نرسیده اند. سلول های خورشیدی آلی بر اساس حضور پیوندهای مزدوج استوارند، که این پیوندها با شارش بار در طول خود خاصیتی به این مواد بخشیده اند، که آنها در حضور نور و انرژی برانگیخته می شوند؛ بطوری که از این مواد هم در سلول های خورشیدی و هم در دیودهای نشر نور استفاده می شود. اساس کار این سلولها براساس حضور پیوند مزدوج و به طبع آن گاف انرژی است که با برخورد نور به این مواد برانگیخته شده و یک حفره الکترون در این مواد ایجاد می شود. این مواد آلی مانند مواد معدنی رسانایی خوبی ندارند ولی می توان این مواد را توسط استخلاف های خاص بهینه کرد و به شرایط مطلوب رساند. گفته می شود این سلول ها همانند سلول های خورشیدی معدنی که در ابتدا بازده پایین داشته اند روزی به بازدهی مطلوبی می رسند که می توان در مقیاس صنعتی از آن استفاده کرد. این مواد مشکلات مواد معدنی را برای ساخت سلول ندارند، زیرا این مواد به راحتی در حلال های آلی حل شده و می توان آنها را به راحتی لایه نشانی کرد و احتیاجی به دمای بالا ندارند، با بکارگیری مواد مختلف وساخت آنها می توان به بهترین صافی سطح رسید. این مواد را می توان به راحتی خالص سازی کرد و وزن آنها نیز نسبت به سلول های خور شیدی معدنی بسیار کم است. این سلولها انعطاف پذیر و شکننده نیستند و ممکن است روزی با پیشرفت و بهبود نارسایی های آنها مانند پرینت روزنامه، سلول خورشیدی تولید کرد و لباس هایی مجهز به سلول خورشیدی تهیه کرد.
سلول های خورشیدی پلیمری:
علاوه بر سلولهای خورشیدی حساس به رنگ نوع دیگری از سلول های خورشیدی نسل سوم وجود دارد که به تازگی علاقه مندان زیادی را به خود جلب کرده است. این سلول ها از مواد ارگانیکی مثل مولکول های کوچک و یا پلیمرها استفاده می کنند. از مزایای سلول های پلیمری می توان به تولید آسان، سریع و ارزان آن اشاره کرد. موادی که در ساخت سلول های پلیمری به کار می رود عموما در دسترس و ارزان هستند. سلول های پلیمری می توانند با تکنولوژی RSR تولید شوند( مثل روش چاپ روزنامه). سلول های پلیمری مزایای بسیاری دارند از قبیل : منعطف بودن، هزینه پایین و در دسترس بودن مواد. برای ساخت سلول های نسل اول و دوم روش های لایه نشانی در خلا بایستی صورت پذیرد که انرژی زیادی را مصرف خواهد کرد. اما در سلول های ارگانیک بر اساس پلیمرها فرآیند لایه نشانی از طریق محلول ها صورت میگیرد. و همین امر باعث می شود که بتوان تولید را در مقیاس بالاتری انجام داده و هزینه را به ازای سطح سلول پلیمری کاهش داد. لایه ها به روش پرینت یا پوشش بر روی رول های بزرگ بستر نشانده میشوند. از معایب سلولهای پلیمری می توان به کم بودن طول عمر آن اشاره کرد. سلولهای سیلیکونی در حدود ۲۵ سال عمر کرده در حالیکه سلول های پلیمری حداکثر یک سال عمر دارند. بازده نیز یکی دیگر از بزرگترین معایب این تکنولوژی است. بازده این سلول ها بسیار کمتر از سلول های نسل اول و دوم است.
ساختار سلول های خورشیدی آلی یا ارگانیک:
لایه ها:
یک سلول خورشیدی ارگانیک شامل چندین لایه است:
١- ناحیه فعال مرکزی (جذب کننده نور) که فوتون ها را به الكترون و حفره تبدیل می کند.
۲- یک لایه انتقال حامل مخصوص در هر طرف از ناحیه فعال که فقط اجازه انتقال الکترون ها یا حفره ها را می دهد.
۳-دو الکترود برای جداسازی بارها از سلول که حداقل یکی از این الکترودها باید شفاف باشد تا نور بتواند از آن به داخل ناحیه فعال عبور نماید.
شکل لایه های مختلف یک سلول خورشیدی آلی.
لایه فعال(active):
لایه فعال شامل دو نوع ماده است. یک ماده دهنده که نور را جذب می کند و ماده پذیرنده که الكترون را از پیوند اکسیتونی الكترون – حفره خارج می کند و باعث حرکت الکترون در فاز پذیرنده ناحیه فعال، و حرکت حفره در فاز دهنده ناحیه فعال می شود. برای اینکه این عمل به درستی صورت گیرد، طول عمر کم اکسیتون در ماده دهنده باعث میشود که به یک مرز دهنده – پذیرنده نیاز داشته تا اکسیتون در مساحتی در حدود ۱۰nm شکسته شود.
لایه های انتقال بار:
لایه های انتقال بر اساس موادی هستند که قابلیت انتقال الكترون یا حفره را دارا باشند.
الکترودها:
معمولی ترین الکترود مورد استفاده Indium Tin Oxide یا ITO می باشد. به خاطر بالا بودن انتقال اپتیکی و همینطور مقاومت کم این ماده می باشد که از این ماده استفاده می گردد. اصلی ترین عامل برای انتخاب الکترودها، پیداکردن ماده ای با سطح انرژی مناسب و همینطور شفاف بودن یکی از الکترودهاست تا نور به خوبی وارد سلول شود و ITO ماده ای است که شاخص های گفته شده را دارا است و همینطور ساخت آن روی بسترهای منعطف راحت تر است.
بستر(substrate):
بسترهایی که برای ساخت سلول های خورشیدی و پلیمری مورد استفاده قرار می گیرند را می توان به دو دسته تقسیم نمود: شیشه و پلاستیک . بسترهای شیشه ای با الکترود ITO در مقیاس آزمایشگاهی و بسترهای منعطفPET با الکترود ITO و یا سایر الکترودهای پلیمری و شفاف برای استفاده در مقیاس های بالاتر کاربرد دارند.
سلول های پلیمری چگونه کار می کنند؟
همانند انواع دیگر سلول های خورشیدی، سلول های پلیمری نور خورشید را به الکتریسیته تبدیل می کنند. این فرآیند با ترکیب چندین نوع از مواد که هر کدام خواص الکتریکی و اپتیکی خاصی دارند، امکانپذیر است. این مواد ساختمان لایه ها را شکل می دهند.
مراحل اصلی این فرآیند به صورت زیر خلاصه می شود :
1- فوتون ورودی، انرژی دارد که بیشتر از باند انرژی نیمه هادی است و در نتیجه باعث جذب یک الكترون به یک تراز خالی بالاتر از گاف انرژی می شود و در واقع یک زوج الكترون حفره ایجاد می کند.
٢- زوج الكترون – حفره توسط پتانسیل الکتروشیمیایی ذاتی درون سلول جدا می شوند.
٣- الكترون و حفره در الکترودهای مخالف جمع شده و در مدار خارجی با یکدیگر باز ترکیب می شوند.
سلول های خورشیدی پلیمری بخشی از سیستم های نسل جدید می باشند که به عنوان جایگزین سلول های قدیمی مطرح می شوند. یکی از مهم ترین ویژگی های این سلولها کاهش قابل توجهی در هزینه ها می باشد. هزینه تولید سطح وسیعی از سلول پلیمری در مورد حدود یک سانتی متر مربع از آن، ۱۰۰ برابر کمتر از هزینه تولید سلول های خورشیدی تک بلور سیلیکونی میباشد. از طرف دیگر، به علت انعطاف پذیری لایه‌های پلیمری تشکیل دهنده سلول، فیلم های پلیمری انعطاف پذیری زیادی از خود نشان می دهند. همچنین مواد فعال استفاده شده برای ساخت این سلول ها قابلیت حل شدن در حلال های آلی را دارند.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی سلول خورشیدی ارگانیک پلیمری در نرم افزار SETFOS انجام شده است.
ساختار لایه ای این سلول خورشیدی آلی به صورت glass/ITO/PEDOT/P3HT:PCBM/Al می باشد.
در این شبیه سازی از پلیمر P3HT:PCBM در ساختار سلول خورشیدی آلی استفاده شده است و اثرات جذب این ماده پلیمری مورد بررسی قرار گرفته است.
پلیمر P3HT:PCBM:
سلول های خورشیدی فتوولتاییک پلیمری در سال ۱۹۹۵ کشف شدند و در سال های اخیر، به عنوان یک منبع انرژی تجدید پذیر مورد توجه محققان قرار گرفته اند. از جمله مزایای سلول های خورشیدی ساخته شده با پلیمرهای نیم رسانا وزن کم، انعطاف پذیری، قیمت مناسب و سهولت ساخت در مقیاس بزرگ است. تعداد زیادی مقالات علمی منتشر شده در زمینه سلول های خورشیدی پلیمری وجود دارد که مهم ترین مواد گزارش شده در تمام این مقالات علمی پیوند ناهمگون حجمی ترکیبP3HT:PCBM است. به همین دلیل نیز در این پروژه از پلیمرP3HT:PCBM استفاده شده است.
پلیمر پلی-۳ هگزیل تیوفن(P3HT) :
پلی -۳ هگزیل تیوفن پلیمری با فرمول شیمیایی )n C10H14S ( است. این ماده به صورت پودر خاکستری رنگ است و پس از حل شدن در حلال مناسب (۱ و ۲ دی کلرو بنزن) محلولی به رنگ نارنجی ایجاد می کند. نیم رساناهای پلیمری معمولاً به عنوان منتقل کننده های حفره به کار می روند. در این تحقیق پلیمر (P3HT) به عنوان ماده منتقل کننده حفره استفاده شده است.
شکل ساختار شیمیایی و نوار انرژی پلیمر P3HT.
این پلیمر بین سایر مواد آلی که به روش محلول لایه نشانی می شوند بهترین تحرک پذیری حامل ها را دارد. بند گپ این پلیمر حدود ev 1.9 است و سطح فرمی در میانه گپ قرار می گیرد. لبه نوار رسانش حدود 4.9 تا 5.2 ev زیر سطح خلا قرار دارد. لبه نوار ظرفیت حدود 2.9 تا 3.3 ev زیر سطح خلا است. استفاده از زنجیره های کناری در این پلیمرها به خاطر ایجاد مواد محلول در حلال های آلی است، بدون زنجیره های کناری پلیمرها به س ختی یا حتی به هیچ وجه قابل حل نیستند. علاوه بر آن زنجیره های کناری می توانند خواص الکترواپتیکی مواد را هم تغییر دهند.
شکل طیف جذب مربوط به لایه P3HT.
با توجه به نمودار می توان دریافت این ماده دارای یک قله جذب در طول موج ۳۰۰mm است و در گستره طول موج ۴۰۰nm تا ۶۵۰nm بیشترین جذب را دارد. این پلیمر مزدوج قابلیت حل شدن در حلال های آلی مانند ۱ و ۲-دی کلروبنزن و کلروفرم را دارد. به دلیل اینکه این ماده به صورت محلول قابل استفاده است، لایه نشانی آن به روش چرخشی انجام می شود.
پلیمر (6 و 6)-فنيل-C60-بوتریک اسید متیل استر (PCBM ):
فولرین یا C60 یکی از انواع نیم رساناهای آلی کوچک مولکول است که به عنوان ماده منتقل کننده الكترون استفاده شده و در ترکیب با پلیمرها بهترین نتیجه را برای سلول های خورشیدی نشان داده است. حضور زنجیره های کناری برای ایجاد محلولی از ماده ضروری است. این ماده اخيرة توجه زیادی را جهت استفاده در سلول های خورشیدی آلی، به عنوان نیم رسانای پذیرنده به خود جلب کرده است. اگرچه این ماده دارای جذب قوی در ناحیه مرئی نمی باشد، اما از آنجایی که طول پخش اکسایتون در این ماده بزرگ است (برابر با ۴۰nm) این امر سبب افزایش بازدهی قطعات می شود. فولرین یا C60 از لحاظ ظاهر، شکلی شبیه به یک توپ فوتبال دارد و به آن با کی بال یا باکت مینستر فولرین نیز گفته می شود. فولرین C60 از ۶۰ اتم کربن تشکیل شده است، البته تعداد دیگری از فولرین ها با تعداد اتم کربن بیشتر نیز وجود دارند اما C60 از انواع دیگر پایدارتر بوده و نیز دارای بیشترین تقارن می باشد. در این مولکول اتم های کربن در رئوس یک ۳۲ وجهی قرار گرفته اند. مکان این اتم ها مشابه یکدیگر بوده و متوسط کمترین فاصله بین دو اتم کربن مجاور در این مولکول، برابر با nm 0.241 است. قطر این مولكول توپی شکل برابر با ۰/۷۱mm می باشد. در این مولکول هر اتم کربن، با سه اتم کربن دیگر پیوند برقرار می کند که سطح HOMO این ماده حدود ۶/۱ تا ۶/۸ الكترون ولت زیر سطح خط و سطح LUMO حدود ۳/۷ تا 1/4 الكترون ولت زیر سطح خلاء است. تغییر در مقادیر بیان شده به خاطر اختلاف در روش های اندازه گیری است. برای لایه های خالصPCBM مقدار تحرک پذیری الکترون cm/vs 3- 10 است.
شکل ساختار شیمیایی و نوار انرژی PCBM.
نمودار مربوط به طیف جذبی PCBM را در محدوده ۳۰۰ تا ۹۰۰ نانومتر نشان می دهد همان گونه که مشاهده می شود، در محدوده فرابنفش جذب بالایی دارد ولی در ناحیه مرئی جذب چشمگیری نداشته و با افزایش طول موج جذب آن کاهش می یابد.
شکل نمودار طیف جذب PCBM.
هندسه ساختار لایه ای سلول خورشیدی ارگانیک پلیمری:
نمونه نتایج شبیه سازی:
