Тип работы:
 Предмет:
 Язык работы:


ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ НА ОСНОВЕ ОРГАНИЧЕСКИХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Работа №192980

Тип работы

Магистерская диссертация

Предмет

физика

Объем работы73
Год сдачи2017
Стоимость5730 руб.
ПУБЛИКУЕТСЯ ВПЕРВЫЕ
Просмотрено
5
Не подходит работа?

Узнай цену на написание


Список принятых сокращений 3
Введение 4
1. Обзор работ по современному состоянию исследования органических солнечных батарей 7
1.1 Материалы для органических солнечных батарей 7
1.2 Технологии изготовления солнечных батареи 11
1.3 Основные принципы работы органических солнечных батарей 12
1.4 Структура органических солнечных батарей 19
1.4.1 Однослойные структуры 19
1.4.2 Двухслойные структуры 20
1.4.3 Объёмный гетеропереход 22
Заключение к Главе 1 24
2. Обзор работ по современному' состоянию исследования органических светоизлучающих
диодов 26
2.1 Органические светоизлучающие диоды 26
2.2 Методы определения подвижности НЗ в ОСИД 33
2.3 Характер транспорта носителей заряда в неорганических полупроводниках на
основе Alqs и ЯК-203 36
Заключение к Главе 2 39
3 Экспериментальные измерения свойств органических материалов 41
3.1 Описание экспериментальной установки для измерения подвижности НЗ 41
3.1.1 Структурная схема 41
3.1.2 Электрическая схема 42
3.2 Методика измерения подвижности НЗ 44
3.3 Результаты измерений подвижности НЗ в ОСИД на основе Alq3 и Як-203 46
3.4 Измерение фотоэлектрических свойств ОСИД на основе Акр 55
Заключение к Главе 3 61
Заключение 62
Список использованных источников 64
Приложение А

На сегодняшний момент существует глобальная проблема в разработке новых источников энергии. Органические ресурсы, такие как нефть, уголь и газ исчерпаются через несколько десятков лет. Из всех доступных источников энергии, которые есть у человечества, наиболее перспективными являются ядерная энергия и энергия солнца. Остановимся на солнечной энергетике. На поверхность Земли от солнца поступает огромное количество энергии, которое во многом превышает глобальные потребности человечества.
В настоящее время, энергию преобразуют с помощью неорганических солнечных батарей. Основными типами используемых солнечных батарей (СБ) являются кремниевые солнечные батареи. Их эффективность составляет около 30%, срок службы около 30 лет. Но основная проблема у таких батарей - это их стоимость. В природе кремний распространён в виде оксида кремния - песка. Процесс получения чистого монокристаллического кремния очень дорогостоящий т.к. требует больших энергозатрат. Существуют СБ на основе поликристалла кремния, процесс получения которых более дешёвый, однако их эффективность в районе 20 процентов. Поэтому учёные ищут материалы, процесс получения которых был бы дешевле.
Одними из перспективных материалов для использования в СБ являются органические материалы, основанные на полимерах или на органических молекулах. Для таких материалов требуется: 1) высокое поглощение света т.к. при высоком коэффициенте поглощения можно изготавливать тонкоплёночные материалы, следовательно, стоимость таких материалов мала; 2) иметь полупроводниковые свойства. Полимерные плёнки удовлетворяют этим требованиям, при этом они обладают механической гибкостью и их можно изготавливать методом рулонной печати.
Хотя эффективность органических солнечных батарей (ОСБ) на сегодняшний момент невелика (~12%), эта цифра стремительно растёт. Другим ключевым моментом, помимо эффективности, в использовании органических материалов в качестве солнечных батарей является их малый срок службы, поскольку наличие окружающей среды (кислорода, паров воды) приводит к деградации материала.
Современная ОСБ представляет собой смесь двух органических полупроводников, т.н. объёмный гетеропереход (ОГП), 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].
ОСБ обладают несколькими важными электрическими и структурными характеристиками, которые отличают их от кремниевых аналогов [3]. При поглощении света в органических полупроводниках образуются связанные электрон-дырочные пары - экситоны. Для того чтобы разорвать экситон, необходимо приложить дополнительную энергию. Разрыв экситона происходит на интерфейсе, т.е. когда есть два типа материала (донорный и акцепторный). Особенностью органических материалов является то, что образовавшийся экситон способен двигаться на очень маленькое расстояние (~10 нм). Поэтому использование ОГП, т.е. взаимопроникающей сетки донора и акцептора, позволяет увеличить вероятность диссоциации экситона над его рекомбинацией. Но процесс получения правильной морфологии смеси очень чувствителен к исходным параметрам материалов и технологиям получения смеси.
Таким образом, исследование свойств органических полупроводников таких, как подвижность НЗ, отвечающих за быстродействие органических устройств, а также фоточувствительных свойств органических материалов является важной задачей для создания эффективных органических солнечных батарей.
Цель магистерской работы
Целью данной работы является анализ возможности создания фоточувствительных структур на основе органических полупроводников.
В связи с поставленной целью, задачами являются:
• Обзор литературы по современному состоянию исследования органических светоизлучающих диодов (ОСИД) и ОСБ;
• экспериментальные измерения параметров органических полупроводников:
• подвижности НЗ методом переходной электролюминесценции;
• фоточувствительных свойств;
• обсуждение результатов;
• Оформление магистерской диссертации.
Научное положение, выносимое на защиту
Совместные измерения значений подвижности НЗ (р, см2/В-с) методом ПЭЛ и значений стационарной фоточувствительности (R, мВ/мВт) на длине волны 2Сид = 400 нм и в диапазоне мощностей СИД до 2 мВт органических структур ITO/PEDOT:PSS/NPB/Alq3/LiF/Al с разными технологиями изготовления электронного слоя (Alq3) показывают линейную связь между этими параметрами [р=1,05-10-7 (мВm•cм2/мВ■В■c)•R-4,22•10~-6 (см2/В-с)].
Достоверность защищаемого положения и других результатов
Достоверность защищаемого положения подтверждается известными методиками измерения подвижности ИЗ методом ПЭЛ и стационарной фоточувствительности в фотогальваническом режиме.
Новизна полученных результатов
1) Проведены первые экспериментальные измерения подвижности НЗ в образце, электронный слой которого состоял из материала Як-203.
2) Обнаружена линейная связь между подвижностью НЗ и стационарной фоточувствительностью в органических структурах с электронным слоем Alq3.
Практическая значимость
Обнаруженная линейная связь между подвижностью НЗ и стационарной фоточувствительностью в органических структурах позволяет предварительно провести отбор органических материалов для использования их в качестве фоточувствительных элементов.
Публикации
Результаты работы изложены в 7 публикациях, включая 1 статью из журналов ВАК, в трудах и тезисах конференций, в том числе международных.
Структура и объём работы
Магистерская работа изложена на 74 страницах машинописного текста, включающих 39 рисунков и 6 таблиц. Работа состоит из введения, трёх глав, заключения, приложения А и списка литературы, содержащего 37 библиографических ссылок.


Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь в написании работ!
ДИПЛОМНЫЕ МАГИСТЕРСКИЕ ДИССЕРТАЦИИ
КУРСОВЫЕ СТАТЬИ ВКР

На сегодняшний момент органические светоизлучающие структуры находят широкое применение в различных областях оптоэлектроники. Подвижность носителей заряда является одной из важных характеристик, влияющей на параметры ОСИД. Одним из основных методов определения подвижности является метод переходной электролюминесценции. Другим перспективным направлением использования органических структур является использования последних в качестве фотоприёмных устройств.
В ходе проделанной работы и на основе анализа использованной литературы сделаны следующие исследования:
1. исследование материалов, использующихся в ОСБ и ОСИД. Указаны преимущества используемых материалов, а также способы решения проблем, возникающих при практическом применении данных материалов;
2. описаны технологии изготовления ОСБ. Обосновано перспективность использования органических материалов для создания дешёвых альтернативных источников энергии;
3. указаны основные принципы работы ОСБ; оценка их эффективности по сравнению с другими технологиями создания приёмников излучения, прогноз развития и анализ некоторых работ.
4. описаны структуры ОСБ. Использование ОГП позволяет увеличить эффективность ОСБ.
5. описан принцип действия ОСИД. Обосновано использование четырех и более слоёв структуры ОСИД.
6. проведен сравнительный анализ использования органических и неорганических СИД;
7. описана структурная схема лабораторной установки по измерению подвижности с указанием параметров генератора импульсов Г5-56, ФЭУ-35 и осциллографа Wavesurfer 45Xs. Описаны 2 схемы подключения образца к генератору импульсов с указанием преимуществ и недостатков данных схем подключений;
8. описана методика измерения подвижности носителей заряда методом ПЭЛ, указан способ решения проблемы влияния шумов измерительной схемы и фона;
9. проведен расчёт подвижности носителей заряда в органических светоизлучающих структурах методом ПЭЛ; измерены характерные времена НЗ;
10. проведён сравнительный анализ измерений характерных времён и подвижностей носителей заряда структур, имеющих одинаковую толщину органических слоёв, поданное напряжение на контакты, но имеющих разный тип используемого материала в качестве электронного или дырочного слоя.
11. проведены экспериментальные измерения фотоэлектрических свойств ОСИД на основе Alq3 на двух длинах волн (21 = 400 нм; /.2 = 470 нм).
На основе экспериментальных результатов были сделаны следующие выводы:
1) наличие дырочного транспортного слоя существенно не сказывается на экспериментально определенных значениях подвижности НЗ в электронном слое Alq3;
2) значения подвижности НЗ увеличиваются с ростом толщины электронного слоя;
3) показаны преимущества использования Як-203 и TPD для создания ОСИД, по сравнению с Alq3 и NPD, соответственно;
4) получены значения средней фоточувствительности (Rcp = 83 В/Вт) у образца № 4 (Таблица 6) с наибольшей подвижностью по сравнению с другими исследованными образцами из данной партии.
В дальнейшем планируется продолжение работ по исследованию фотоэлектрических свойств различных органических материалов.



1. Zhao, F., Dai, S., Wu, Y., Zhang, Q., Wang, J., & Jiang, L. (2017). SingleJunction Binary-Blend Nonfullerene Polymer Solar Cells with 12.1 % Efficiency. Adv. mat., 29.
2. Bin, H., Yang, Y., Zhang, Z., Ye, L., Ghasemi, M., Chen, S., Li, Y. (2017). 9.73 % Efficiency Nonfullerene All Organic Small Molecule Solar Cells with Absorption- Complementary Donor and Acceptor. Journal of American Chemical Society. (just accepted manuscript).
3. Son H.J., Carsten B., Jung I.H. and Yu L. (2010). Overcoming Efficiency Challenges in Organic Solar Cells: Rational Development of Conjugated Polymers. Energy & Environmental Science.
4. Hoppe, H., & Sariciftci, N. (2004). Organic solar cells: An overview. Journal of Materials Research, 19(7), 1924-1945.
5. Martin Drees. (2003). Polymer/Fullerene Photovoltaic Devices - Nanoscale Control of the Interface by Thermally-Controlled Interdiffusion. Dissertatrion work.
6. Fawen Guo. (2014). Low Noise, High Detectivity Photodetectors based on Organic Materials. ETD collection for University of Nebraska - Lincoln.
7. Using IBM’s Crowdsourced Supercomputer, Harvard Rates Splar Energy Potential of 2.3 Million New Compounds. [Электронный ресурс]. URL: http://www- 03.ibm.com/press/us/en/pressrelease/41333.wss
8. Shim, J. Y., Kim, T., Kim, J., Kim, J., Kim, I., Kim, J. Y., & Suh, H. (2015). Trifluoromethyl benzimidazole-based conjugated polymers with deep HOMO levels for organic photovoltaics. Synthetic Metals, 205, 112-120.
9. Zhao, J., Li, Y., Yang, G., Jiang, K., Lin, H., Ade, H., & Yan, H. (2016). Efficient organic solar cells processed from hydrocarbon solvents. Nature Energy, 1(9).
10. Bang, S., Park, J., Kang, S., Lee, Y., Lim, B., Heo, H., Na, S. (2017). Dyes and Pigments Thienopyrroledione and benzodithiophene / thiophene-based random terpolymer for polymer solar cells with improved fill factor. Dyes and Pigments, 140, 229-235.
11. Zhu, M., Miao, J., Hu, Z., Chen, Y., Liu, M., Murtaza, I., & Meng, H. (2017). A novel A-D-A small molecule with 1,8-naphthalimide as a potential non-fullerene acceptor for solutionprocessable solar cells. Dyes and Pigments.
12. Yin X., An Q., Yu J., Xu Z., Deng P., Geng Y., Zhoy B., Zhang F., Tang W. (2016). Acceptor manipulation of Bisalkylthiothienyl benxo[1,2-b:4,5-b’]dithiophene corestructured oligomers for efficient organic photovoltaics. Dyes and Pigments.
13. National Renewable Energy Laboratory. [Электронный ресурс]. URL: http://www.nrel.gov/
14. Yu, J., Zheng, Y., Huang, J., & Devices, I. (2014). Towards High Performance Organic Photovoltaic Cells: A Review of Recent Development in Organic Photovoltaics. Polymers, 6, 2473-2509.
15. Bulk heterojunction solar cells. [Электронный ресурс]. URL:
http://www.photonics.com/
..37
Содержание магистерской диссертации
Содержание магистерской диссертации
Часть главы

Работу высылаем на протяжении 30 минут после оплаты.



Подобные работы


©2025 Cервис помощи студентам в выполнении работ
.