ИСТИНА

Солнечные фотоэлементы на основе органических полупроводников, в частности сопряжённых полимеров и фуллеренов, являются перспективной альтернативой традиционным кремниевым фотоэлементам благодаря низкой стоимости, простоте производства, малому весу и гибкости. Эффективность солнечных фотоэлементов зависит от формы их вольтамперных характеристик (ВАХ), которые характеризуются такими параметрами как ток короткого замыкания (КЗ), напряжение холостого хода (ХХ) и фактор заполнения (ФЗ). Для неорганических солнечных фотоэлементов с p-n переходом Шокли и Квайссером был рассчитан теоретический предел для коэффициента полезного действия (КПД) [1]. Для ФЗ также было рассчитано предельное значение, причём оказалось, что оно зависит от напряжения ХХ [2]. В данной работе путём численного моделирования мы показываем, что для двухслойных органических солнечных фотоэлементов ФЗ может быть выше этого предельного значения. Органические солнечные фотоэлементы основаны на гетеропереходе: активный слой состоит из двух органических полупроводников с различными значениями электронного сродства и потенциала ионизации - донора электронов и акцептора. Гетеропереход необходим для разделения на свободные заряды экситонов, образующихся в результате поглощения света, потому что экситоны в органических полупроводниках имеют относительно большую энергию связи и не разделяются под действием тепловой энергии. Первые органические солнечные фотоэлементы были основаны на планарном гетеропереходе, образованном двумя слоями донора и акцептора [3]. Так как экситоны в органических полупроводниках обычно имеют малую длину диффузии (~10 нм), не все экситоны достигают гетероперехода, разделяются и дают вклад в фототок. Это ограничивает КПД двухслойных фотоэлементов. Наиболее эффективные органические солнечные фотоэлементы основаны на объёмном гетеропереходе, где активный слой представляет смесь донорного и акцепторного полупроводников, так что гетеропереход имеет большую площадь и генерация свободных зарядов имеет место по всему объёму активного слоя. Тем не менее, наилучшие органические фотоэлементы с планарным гетеропереходом обладают КПД более 5% [4], и, вероятно, КПД может быть гораздо выше для веществ с большой длиной диффузии экситонов. Используя численную модель, в данной работе было показано, что двухслойные органические фотоэлементы могут иметь очень большой ФЗ при легировании активного слоя [5]. Модель учитывает генерацию, рекомбинацию, дрейф и диффузию носителей зарядов, а также влияние объёмного заряда на электрическое поле в активном слое. Генерация и рекомбинация зарядов в модели зависят от напряжённости электрического поля на границе слоёв донора и акцептора. На рис. показана рассчитанная ВАХ двухслойного фотоэлемента с параметрами, соответствующими паре полимер/фуллерен (P3HT/PCBM) и легировании 1024 м-3, фактор заполнения ВАХ равен 92%. В общеизвестной модели неорганических солнечных фотоэлементов с p-n переходом формула для ВАХ имеет вид: J(V)=Js[exp(eV/kT)-1]-Jф (1) где Js и Jф плотности тока насыщения и фототока. Данная формула может быть однозначно выражена через плотность тока короткого замыкания JКЗ и напряжение холостого хода VХХ. Формула (1) соответствует идеальному солнечному фотоэлементу с нулевым последовательным и бесконечным параллельным сопротивлениями и диодным фактором идеальности равным единице. На рис. штриховой линией показана ВАХ рассчитанная по формуле (1) с JКЗ и VХХ такими же, как у описанной выше рассчитанной ВАХ двухслойного органического солнечного фотоэлемента. ФЗ равен 86% и это значение является предельным для неорганических солнечных фотоэлементов с p-n переходом для данного VХХ. Как показано на рис., ФЗ двухслойного органического фотоэлемента может превышать предел Шокли-Квайссера для фактора заполнения. Чтобы найти возможные причины большого ФЗ, мы расширили разработанную нами модель органического солнечного фотоэлемента [5] на неорганический солнечный фотоэлемент с p-n переходом, в результате модель даёт ВАХ, соответствующие формуле (1), а ФЗ в пределе Шокли-Квайссера. Сравнивая органический и неорганический фотоэлементы с помощью данной модели, удалось выяснить, что ключевым отличием является рекомбинация зарядов на донорно-акцепторном переходе, зависящая от напряженности электрического поля в модели двухслойного органического фотоэлемента. Эта зависимость приводит к зависимости фототока Jф от напряжения V, причём Jф резко убывает с приближением V к VХХ; в результате ВАХ становится круче и ФЗ больше, чем у ВАХ рассчитанной по формуле (1), то есть больше, чем предел Шокли-Квайссера. Литература 1. W. Shockley and H.J. Queisser. Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells // Journal of Applied Physics. 1961, v. 32, p. 510. 2. M.A. Green. Solar Cell Fill Factors: General Graph and Empirical Expression // Solid-State Electronics. 1981, v. 24, p. 788. 3. C.W. Tang. 2-Layer Organic Photovoltaic Cell // Applied Physics Letters. 1986, v. 48, p. 183. 4. M. Hirade, C. Adachi. Small molecular organic photovoltaic cells with exciton blocking layer at anode interface for improved device performance // Applied Physics Letters. 2011, v. 99, 153302. 5. V.A. Trukhanov, V.V. Bruevich and D.Yu. Paraschuk. Effect of doping on performance of organic solar cells // Physical Review B. 2011, v. 84, 205318.