Помощь студентам в учебе
ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ ОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
|
Реферат
ВВЕДЕНИЕ 4
1. Обзор работ по современному состоянию исследования органических
солнечных батарей 7
1.1 Органические солнечные батареи 7
1.2 Основные принципы работы органических солнечных батарей 11
1.3 Архитектура органических фотовольтаических ячеек 13
2. Современное использование органических полупроводниковых светодиодов в
электронике и оптоэлектронике 16
2.1 Органические светоизлучающие диоды 16
2.2 Материалы, используемые для органических светоизлучающих диодов ... 18
2.2 Преимущества и недостатки органических структур в источниках излучения 22
3. Исследование подвижности носителей зарядов в органических
полупроводниках 23
3.1 Метод регистрации времени пролета 23
3.2 Метод переходной электролюминесценции 25
4. Экспериментальные исследования 28
4.1 Описание экспериментальной установки 28
4.1.1 Структурная схема 28
4.1.2 Электрическая схема 29
4.2 Методика измерения 29
4.3 Результаты измерений подвижности носителей заряда в ОСИД на основе
Alq3 31
4.4 Результаты измерений подвижности носителей заряда в ОСИД на основе
ЯК-203 33
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 36
Список используемых источников 38
ВВЕДЕНИЕ 4
1. Обзор работ по современному состоянию исследования органических
солнечных батарей 7
1.1 Органические солнечные батареи 7
1.2 Основные принципы работы органических солнечных батарей 11
1.3 Архитектура органических фотовольтаических ячеек 13
2. Современное использование органических полупроводниковых светодиодов в
электронике и оптоэлектронике 16
2.1 Органические светоизлучающие диоды 16
2.2 Материалы, используемые для органических светоизлучающих диодов ... 18
2.2 Преимущества и недостатки органических структур в источниках излучения 22
3. Исследование подвижности носителей зарядов в органических
полупроводниках 23
3.1 Метод регистрации времени пролета 23
3.2 Метод переходной электролюминесценции 25
4. Экспериментальные исследования 28
4.1 Описание экспериментальной установки 28
4.1.1 Структурная схема 28
4.1.2 Электрическая схема 29
4.2 Методика измерения 29
4.3 Результаты измерений подвижности носителей заряда в ОСИД на основе
Alq3 31
4.4 Результаты измерений подвижности носителей заряда в ОСИД на основе
ЯК-203 33
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 36
Список используемых источников 38
В современном мире остро стоит вопрос о разработке и использовании альтернативных источников энергии, т.к. природные ресурсы (нефть, газ, уголь) исчерпаются в скором будущем. Существует несколько разновидностей альтернативных источников энергии: солнечная энергия, ветер, тепло земли или биологическое топливо. Наиболее доступным считается солнечная энергия, которая преобразуется в электрическую благодаря использованию солнечных батарей.
В настоящее время для изготовления солнечных батарей в основном используются неорганические полупроводниковые материалы (чаще кристаллический или аморфный кремний). Эффективность таких батарей составляет около 30%, а срок службы в среднем 30 лет. Но существенный недостаток неорганических солнечных батарей - их стоимость. Оксид кремния, или песок, достаточно широко распространён в природе. Но процесс получения чистого монокристаллического кремния из этого соединения является очень дорогостоящим, т.к. требует больших энергозатрат. Альтернативой монокристаллического кремния является поликристаллический кремний, однако эффективность батарей на основе такого материала не превышает 20%. Поэтому ученые всего мира стараются найти такие материалы, процесс получения и обработка которых были бы менее затратными.
Стремительно развивается изучение органических материалов (основанных на полимерах или на органических молекулах), на основе которых можно делать солнечные батареи. Необходимыми критериями для выбора такого материала являются: 1) высокое поглощение света материалом т.к. при высоком
коэффициенте поглощения можно изготавливать тонкоплёночные материалы, следовательно, стоимость таких материалов будет значительно меньше; 2) материал должен иметь полупроводниковые свойства. Полимерные плёнки удовлетворяют этим требованиям, при этом также обладают механической гибкостью, что позволяет изготавливать солнечные батареи методом рулонной печати.
Хотя эффективность органических солнечных батарей (ОСБ) на сегодняшний момент невелика (~14%), эта цифра стремительно растёт. Однако основной проблемой использования органических солнечных батарей является её малый срок службы, поскольку наличие окружающей среды (кислорода, паров воды) приводит к деградации органического материала.
Современная конструкция органических солнечных батарей - смесь двух органических полупроводников (объёмный гетеропереход), помещенных между электродами. Наиболее удачная композиция - это полимер с малой шириной запрещенной зоны p типа, который выступает в качестве донора, а второй, это фуллерен n типа, или его производные, которые выступают в качестве акцептора. Однако, существуют и нефуллереновые композиции [1, 2].
Органические материалы широко используются для создания светоизлучающих диодов. Первый органический светоизлучающий диод (ОСИД) был создан в 1987 году Tang и Van Slyke. Основным элементом ОСИД является слой органического вещества, помещенный между двумя электродами, один из которых инжектирует электроны, а другой - дырки. Структурно ОСИД может состоять из одного или нескольких слоев органического материала.
Сейчас стремительно развивается медиа индустрия: кино, телевидение, видеоблоггинг. Потребителям данной сферы важна чёткая и яркая картинка на их устройствах. Так ОСИД нашли применение в дисплеях телевизоров, смартфонов и видео плеерах.
Органические светоизлучающие диоды, по сравнению с неорганическими, обладают рядом преимуществ: в светоизлучающих диодах (СИД) пиксели подсвечиваются, а в ОСИД они излучают собственный свет; яркость излучения ОСИД может контролироваться попиксельно, что не удастся сделать в СИД; возможность получения однородной светящийся поверхности большой площади на гибких носителях; возможность получения белого света при использовании различных органических электролюминесцентных материалов; возможность получать излучение с любой заданной длиной волны или с широким спектром излучения; возможность получать полупрозрачные и прозрачные светящиеся поверхности [3].
Сейчас технология ОСИД имеет ряд недостатков: дороговизна и сложность изготовления; низкая эффективность; малый срок службы из-за влияния кислорода и паров воды, приводящие к деградации ОСИД.
Чтобы решить данные проблемы, необходимо разработать новые органические материалы с уникальными свойствами.
Подвижность носителей заряда, а также излучательное время жизни наряду с квантовой эффективностью являются важными факторами, ответственными за яркость и быстродействие органических устройств. В частности, быстродействие органического светоизлучающего диода определяется конструкцией и электрофизическими и рекомбинационными параметрами органических материалов, входящих в его состав. Чем меньшее время требуется для прохождения носителей заряда из электродов в электронную область, тем большее быстродействие будет у светоизлучающего диода [4, 5].
Одним из основных методов измерения дрейфовой подвижности носителей заряда в органических светоизлучающих диодах является метод переходной электролюминесценции (ПЭЛ) [3].
Целью работы является изучение метода переходной электролюминесценции для измерения подвижности носителей заряда. Объектом исследования является ОСИД.
В связи с поставленной целью задачами являются:
1. Изучение теории работы полупроводниковых элементов оптоэлектроники.
2. Обзор работ по исследованию оптических и электрических свойств органических полупроводников.
3. Проведение экспериментов по измерению структур на основе органических полупроводников.
4. Оформление работы.
1. Обзор работ по современному состоянию исследования органическихсолнечных батарей
В настоящее время для изготовления солнечных батарей в основном используются неорганические полупроводниковые материалы (чаще кристаллический или аморфный кремний). Эффективность таких батарей составляет около 30%, а срок службы в среднем 30 лет. Но существенный недостаток неорганических солнечных батарей - их стоимость. Оксид кремния, или песок, достаточно широко распространён в природе. Но процесс получения чистого монокристаллического кремния из этого соединения является очень дорогостоящим, т.к. требует больших энергозатрат. Альтернативой монокристаллического кремния является поликристаллический кремний, однако эффективность батарей на основе такого материала не превышает 20%. Поэтому ученые всего мира стараются найти такие материалы, процесс получения и обработка которых были бы менее затратными.
Стремительно развивается изучение органических материалов (основанных на полимерах или на органических молекулах), на основе которых можно делать солнечные батареи. Необходимыми критериями для выбора такого материала являются: 1) высокое поглощение света материалом т.к. при высоком
коэффициенте поглощения можно изготавливать тонкоплёночные материалы, следовательно, стоимость таких материалов будет значительно меньше; 2) материал должен иметь полупроводниковые свойства. Полимерные плёнки удовлетворяют этим требованиям, при этом также обладают механической гибкостью, что позволяет изготавливать солнечные батареи методом рулонной печати.
Хотя эффективность органических солнечных батарей (ОСБ) на сегодняшний момент невелика (~14%), эта цифра стремительно растёт. Однако основной проблемой использования органических солнечных батарей является её малый срок службы, поскольку наличие окружающей среды (кислорода, паров воды) приводит к деградации органического материала.
Современная конструкция органических солнечных батарей - смесь двух органических полупроводников (объёмный гетеропереход), помещенных между электродами. Наиболее удачная композиция - это полимер с малой шириной запрещенной зоны p типа, который выступает в качестве донора, а второй, это фуллерен n типа, или его производные, которые выступают в качестве акцептора. Однако, существуют и нефуллереновые композиции [1, 2].
Органические материалы широко используются для создания светоизлучающих диодов. Первый органический светоизлучающий диод (ОСИД) был создан в 1987 году Tang и Van Slyke. Основным элементом ОСИД является слой органического вещества, помещенный между двумя электродами, один из которых инжектирует электроны, а другой - дырки. Структурно ОСИД может состоять из одного или нескольких слоев органического материала.
Сейчас стремительно развивается медиа индустрия: кино, телевидение, видеоблоггинг. Потребителям данной сферы важна чёткая и яркая картинка на их устройствах. Так ОСИД нашли применение в дисплеях телевизоров, смартфонов и видео плеерах.
Органические светоизлучающие диоды, по сравнению с неорганическими, обладают рядом преимуществ: в светоизлучающих диодах (СИД) пиксели подсвечиваются, а в ОСИД они излучают собственный свет; яркость излучения ОСИД может контролироваться попиксельно, что не удастся сделать в СИД; возможность получения однородной светящийся поверхности большой площади на гибких носителях; возможность получения белого света при использовании различных органических электролюминесцентных материалов; возможность получать излучение с любой заданной длиной волны или с широким спектром излучения; возможность получать полупрозрачные и прозрачные светящиеся поверхности [3].
Сейчас технология ОСИД имеет ряд недостатков: дороговизна и сложность изготовления; низкая эффективность; малый срок службы из-за влияния кислорода и паров воды, приводящие к деградации ОСИД.
Чтобы решить данные проблемы, необходимо разработать новые органические материалы с уникальными свойствами.
Подвижность носителей заряда, а также излучательное время жизни наряду с квантовой эффективностью являются важными факторами, ответственными за яркость и быстродействие органических устройств. В частности, быстродействие органического светоизлучающего диода определяется конструкцией и электрофизическими и рекомбинационными параметрами органических материалов, входящих в его состав. Чем меньшее время требуется для прохождения носителей заряда из электродов в электронную область, тем большее быстродействие будет у светоизлучающего диода [4, 5].
Одним из основных методов измерения дрейфовой подвижности носителей заряда в органических светоизлучающих диодах является метод переходной электролюминесценции (ПЭЛ) [3].
Целью работы является изучение метода переходной электролюминесценции для измерения подвижности носителей заряда. Объектом исследования является ОСИД.
В связи с поставленной целью задачами являются:
1. Изучение теории работы полупроводниковых элементов оптоэлектроники.
2. Обзор работ по исследованию оптических и электрических свойств органических полупроводников.
3. Проведение экспериментов по измерению структур на основе органических полупроводников.
4. Оформление работы.
1. Обзор работ по современному состоянию исследования органическихсолнечных батарей
В настоящее время органические светоизлучающие структуры находят широкое применение в различных областях оптоэлектроники. Считается, что подвижность носителей заряда является важнейшей характеристикой, влияющей на параметры органических светодиодов и органических солнечных батарей. И одним из основных методов определения подвижности является метод переходной электролюминесценции.
В ходе проделанной работы анализировались следующие вопросы:
1. Положение органических светоизлучающих диодов и органических солнечных батарей на мировом рынке в настоящее время, актуальность использования в массовом производстве;
2. преимущества и недостатки органических структур по сравнению с неорганическими;
3. принципы действия органических полупроводников. Обоснование использования четырехслойной структуры ОСИД и гетероперехода в ОСБ;
4. материалы, использующиеся для производства ОСИД и ОСБ в настоящее время;
5. методы измерения подвижности носителей заряда с указанием преимуществ и недостатков данных методик измерения подвижности;
6. структурная и электрическая схемы лабораторной установки по измерению подвижности с указанием параметров генератора импульсов Г5-56, ФЭУ-35 и осциллографа Wavesurfer 45Xs;
7. методика измерения подвижности носителей заряда методом ПЭЛ.
Проведены экспериментальные исследования:
1. Собрана установка для проведения эксперимента по измерению подвижности носителей заряда в образах ОСИД на основе Alq3 и ЯК-203;
2. измерены времена запаздывания и насыщения носителей заряда;
3. проведен расчёт подвижности носителей заряда в двух образцах органических светоизлучающих структур методом ПЭЛ;
4. построены графики зависимости подвижности заряда для двух образцов от величины приложенного поля на контакты ОСИД.
Выводы по полученным результатам эксперимента:
1. Обнаружено, что с увеличением поля подвижность электронов увеличивается;
2. обнаружено, что кинетики переходной электролюминесценции для образцов на основе ЯК-203 и Alq3 совпадают, что говорит об одинаковом типе проводимости (электронной) и интерпретации характерных времён в данных материалах;
3. при одинаковом значении напряжения, толщине органических слоёв и используемых материалов для дырочных слоёв, образец на основе ЯК-203 перспективней для использования в ОСИД, чем образец на основе Alq3.
В ходе проделанной работы анализировались следующие вопросы:
1. Положение органических светоизлучающих диодов и органических солнечных батарей на мировом рынке в настоящее время, актуальность использования в массовом производстве;
2. преимущества и недостатки органических структур по сравнению с неорганическими;
3. принципы действия органических полупроводников. Обоснование использования четырехслойной структуры ОСИД и гетероперехода в ОСБ;
4. материалы, использующиеся для производства ОСИД и ОСБ в настоящее время;
5. методы измерения подвижности носителей заряда с указанием преимуществ и недостатков данных методик измерения подвижности;
6. структурная и электрическая схемы лабораторной установки по измерению подвижности с указанием параметров генератора импульсов Г5-56, ФЭУ-35 и осциллографа Wavesurfer 45Xs;
7. методика измерения подвижности носителей заряда методом ПЭЛ.
Проведены экспериментальные исследования:
1. Собрана установка для проведения эксперимента по измерению подвижности носителей заряда в образах ОСИД на основе Alq3 и ЯК-203;
2. измерены времена запаздывания и насыщения носителей заряда;
3. проведен расчёт подвижности носителей заряда в двух образцах органических светоизлучающих структур методом ПЭЛ;
4. построены графики зависимости подвижности заряда для двух образцов от величины приложенного поля на контакты ОСИД.
Выводы по полученным результатам эксперимента:
1. Обнаружено, что с увеличением поля подвижность электронов увеличивается;
2. обнаружено, что кинетики переходной электролюминесценции для образцов на основе ЯК-203 и Alq3 совпадают, что говорит об одинаковом типе проводимости (электронной) и интерпретации характерных времён в данных материалах;
3. при одинаковом значении напряжения, толщине органических слоёв и используемых материалов для дырочных слоёв, образец на основе ЯК-203 перспективней для использования в ОСИД, чем образец на основе Alq3.
