Введение к работе
Актуальность работы. Быстрый рост энергопотребления
является одной из наиболее характерных особенностей технической деятельности человечества во второй половине XX века. Развитие энергетики до недавнего времени не встречало принципиальных трудностей. Увеличение производства энергии происходило в основном за счет увеличения добычи нефти, угля и газа, наиболее удобных в потреблении. Однако энергетика оказалась первой крупной отраслью мировой экономики, которая столкнулась с ситуацией истощения своей традиционной сырьевой базы. Атомная энергетика в последнее время также испытывает значительные трудности, связанные, в первую очередь, с необходимостью резкого увеличения затрат на обеспечение безопасности работы атомных электростанций. Загрязнение окружающей среды продуктами сгорания ископаемых источников и отходами ядерного производства является причиной ухудшения экологической обстановки на Земле. Существенным является также и "тепловое загрязнение" планеты, происходящее при сжигании любого вида топлива. Эти обстоятельства определяют возрастающую роль возобновляемых источников энергии, широкое использование которых не приведет к нарушению экологического баланса Земли.
Одной из наиболее интенсивно развивающихся областей альтернативной энергетики в настоящее время является фотовольтаическое преобразование солнечной энергии. На данный момент хорошо изучены и достаточно широко применяются на практике солнечные батареи на основе неорганических полупроводников, таких как Si, GaAs, CdTe, CuInSe2 и др. Однако, несмотря на то, что идея фотовольтаических ячеек на основе органических материалов была предложена много лет назад, возможность использования их долгое время лимитировалась незнанием процессов, происходящих в органических материалах под действием света, их нестабильностью и очень низкой эффективностью по сравнению с неорганическими материалами. Открытие нового класса проводящих полимеров и нового механизма эффективного
разделения зарядов, основанного на принципе объемного гетероперехода, образованного сопряженным полимером-донором и акцептором электронов, в качестве которого с успехом применяются органические и неорганические полупроводники, явилось стимулом для дальнейшего изучения органических солнечных ячеек. Использование сопряженных полимеров для целей фотовольтаики выглядит перспективным в силу того, что эти материалы сочетают электрические свойства полупроводников с механическими свойствами полимеров. Основными преимуществами полимерных солнечных ячеек являются: возможность получить солнечную батарею с большой рабочей площадью, гибкость, низкая цена, малый вес, простота технологического процесса изготовления. К преимуществам также следует отнести возможность синтеза полимеров со спектром поглощения, максимально приближенным к солнечному.
Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является установление связи между фотовольтаическими свойствами гетеросистем на основе поли(2-метокси-5-(2'-этил-гексилокси)-п-фениленвинилена) (MEH-PPV), содержащих в качестве акцептора добавки фуллерена и производного фуллерена - 5,6-нитропиримидинозамещенного азагомофуллерена, наночастиц сульфида кадмия и сульфида свинца, и их морфологией, а также механизма фотогенерации в данных композиционных системах. Для достижения заданной цели были поставлены следующие задачи.
-
Получить дисперсии наночастиц сульфида свинца и кадмия в органическом растворителе-хлорбензоле.
-
Получить нанокомпозиционные пленки, содержащие фуллерен, 5,6-нитропиримидинозамещенный азагомофуллерен, наночастицы CdS и PbS.
3 Выявить зависимость морфологии полученных композиционных систем от природы и концентрации акцептора.
-
Создать прототипы фотовольтаических ячеек на основе полученных композиционных пленок и измерить их фотовольтаические свойства.
-
Установить механизм фотогенерации в композиционных пленках и в пленках недопированного полимера.
Научная новизна. Впервые были получены полимерные композиционные пленки на основе MEH-PPV, содержащие в качестве акцептора: наночастицы CdS, стабилизированные 1-октантиолом и тиобензолом, размером от 4 до 5.5 нм; наночастицы PbS, стабилизированные пиридином, размером 15-20 нм; 5,6-нитропиримидинозамещенный азагомофуллерен.
Впервые была установлена зависимость фотовольтаических характеристик прототипов фотовольтаических устройств на основе данных композиционных систем от их морфологи. Установлено, что морфология композиционных пленок зависит от природы акцептора, его концентрации и эффективности стабилизации. Показано, что введение в полимерную пленку акцептора приводит к увеличению значений фототока и эффективности преобразования солнечной энергии.
Впервые для изучения механизма фотогенерации в композиционных пленках, содержащих наночастицы CdS, стабилизированные 1-октантиолом, и наночастицы PbS, стабилизированные пиридином, был применен метод магнитных спиновых эффектов, позволивший установить, что образование свободных носителей зарядов в композиционных системах определяется двумя различными процессами: диссоциацией синглетных и триплетных поляронных пар и освобождением захваченных ловушками носителей зарядов при взаимодействии их с молекулярными триплетными экситонами..
Впервые была зарегистрирована зависимость интенсивности электролюминесценции полимера MEH-PPV от напряженности внешнего магнитного поля.
Практическая ценность. Проведенные исследования позволили установить механизм фотогенерации носителей зарядов, измерить фотовольтаические свойства и установить их взаимосвязь с морфологией полимерных композиционных материалов, содержащих добавки различных неорганических и органических акцепторов. Результаты проведенного исследования имеют непосредственное значение для понимания процессов, происходящих при фотовозбуждении полимерных композиционных материалов, и могут
быть использованы при разработке и создании полимерных фотовольтаических преобразователей солнечной энергии Основные защищаемые положения.
-
Фотовольтаические свойства полимерных композиционных систем изменяются в зависимости от типа и концентрации акцептора.
-
Значения фототока и эффективности преобразования фотовольтаических ячеек зависят от морфологии композиционной пленки и определяются в первую очередь площадью межфазной поверхности между полимером и акцептором.
-
Наночастицы неорганических полупроводников CdS и PbS принимают участие в процессе фотогенерации.
-
Образование свободных носителей зарядов в композиционных пленках определяется двумя различными процессами: диссоциацией синглетных и триплетных поляронных пар и освобождением захваченных ловушками носителей зарядов при взаимодействии их с молекулярными триплетными экситонами.
-
Интенсивность электролюминесценции полимера MEH-PPV изменяется под действием внешнего магнитного ПОЛЯ. Апробация работы. Основные результаты и выводы настоящей
диссертационной работы докладывались на: Международной научно-технической школе-конференции «Молодые ученые-2003», Москва, 1-4 октября, 2003; 16-th International Workshop on Quantum Solar Energy Conversion "Quantsol 2004", 14-20 March 2004, Bad Gastein, Austria; International Conference "Modem Trends in Organoelement and Polymer Chemistry (INEOS-50)", Moscow, Russia, May 30 - June 4, 2004 (2 доклада); 6-th International Conference on Excitonic Processes in Condensed Matter "EXCON-04", 6-9 June 2004, Cracow, Poland; 15-th International Conference on Photochemical Conversion and Storage of Solar Energy "IPS-15", 4-9 July, 2004, Paris, France.
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 8 печатных работ, в том числе 2 статьи, 6 тезисов докладов на международных научных конференциях.
Объем диссертационной работы. Представленная работа изложена на 123 страницах машинописного текста, содержит 39
7 рисунков и 1 таблицу, список цитируемой литературы включает 143 наименования.
