ВНУТРЕННЕЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ, ЗАХВАТЫВАЮЩИЕ ЭЛЕКТРОНЫ ПУСТОТЫ, МЕРТВЫЕ ЭЛЕКТРОНЫ И УВЕЛИЧЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ ФТОРИРОВАНИИ

Предложена модель, позволяющая понять природу электронных ловушек в π-сопряженных полимерах, которые используются в фотоэлектрических устройствах. Предполагается, что пустоты со свободными полостями в полярном π-сопряженном полимере проявляют электроноакцепторные свойства и заполняются электронами, которые названы здесь «мертвыми» электронами, так как они удерживаются статическим случайным внутренним электрическим полем и не направляются к катоду с помощью внешнего напряжения. В результате, захваченные пустотами мертвые электроны непригодны для использования во внешней цепи органических солнечных элементов. Обосновано, что диссоциация экситонов на поверхности пустот, захват электронов пустотами при дрейфе к катоду, появление мертвых электронов и их негеминальная рекомбинация являются главными препятствиями при создании высокоэффективных полимерных солнечных элементов. Модель мертвых электронов позволяет объяснить увеличение эффективности преобразования энергии солнечных элементов, вызванное фторированием полимера, изменением боковых цепей полимера и наполнением ловушек добавками растворителей. Некоторые характеристики гибридных P3HT:CdSe солнечных элементов также анализируются с помощью этой модели. 

1. Heeger, A. J. 25th Anniversary Article: Bulk heterojunction solar cells: Understanding the mechanism of operation / A. J. Heeger // Advanced Materials. – 2014. – Vol. 26, N 1. – P. 10– 28; doi: 10.1002/adma.201304373.

2. Impact of backbone fluorination on π-conjugated polymers in organic photovoltaic devices: A review / N. Leclerc [et al.] // Polymers. – 2016. – Vol. 8, N 1. – P. 11-1-27; doi:10.3390/polym8010011.

3. Efficient organic solar cells processed from hydrocarbon solvents / J. Zhao [et al.] // Nature Energy. – 2016. – Vol. 1, N 2. – P. 15027-1-7; doi: 10.1038/nenergy.2015.27.al.] // Angewandte Chemie International Edition. – 2011. – Vol. 50, N 13. – P. 2995–2998; doi: 10.1002/ange.201005451.

4. Semi-crystalline photovoltaic polymers with efficiency exceeding 9 % in a ∼300 nm thick conventional single-cell device / T. L. Nguyen [et al.] // Energy & Environmental Science. – 2014. – Vol. 7, N 6. – P. 3040–3051; doi: 10.1039/ C4EE01529K.

5. Mobility-controlled performance of thick solar cells based on fluorinated copolymers / W. Li [et al.] // Journal of the American Chemical Society. – 2014. – Vol. 136, N 44. – P. 15566– 5576; doi: 10.1021/ja5067724.

6. Nicolai, H. T. Electron traps in semiconducting polymers: Exponential versus Gaussian trap distribution / H. T. Nicolai, M. M. Mandoc, P. W. M. Blom // Physical Review B. – 2011. – Vol. 83, N 19. – P. 1952041-1-5; doi: 10.1103/PhysRevB.83.195204.

7. Mobility relaxation and electron trapping in a donor/acceptor copolymer / M. Schubert [et al.] // Physical Review B. – 2013. – Vol. 87, N 2. – P. 024203-1-12; doi: 10.1103/PhysRevB.87.024203.

8. Pavlovich, V. S. Fluctuations of local electric field in polar media and a variance of frequency distribution of electronic transition of polar impurity molecules / V. S. Pavlovich // Doklady Akademii Nauk BSSR (Dokl. Akad. Nauk BSSR). – 1987. – Vol. 31, N 5. – P. 412–415 [in Russian].

9. Pavlovich, V. S. Solvatochromism and nonradiative decay of intramolecular charge- transfer excited states: bands-ofenergy model, thermodynamics, and self-organization / V. S. Pavlovich // European Journal of Chemical Physics and Physical Chemistry. – 2012. – Vol. 13, N 18. – P. 4081–4093; doi: 10.1002/cphc.201200426.

10. Pavlovich, V. S. Solvent polarity effect on excited-state lifetime of carotenoids and some dyes / V. S. Pavlovich // Biopolymers. – 2006. – Vol. 82, N 4. – P. 435–441; doi: 10.1002/bip.20464.

11. Pavlovich, V. S. Gas-phase energy of the S2←S0 transition and electrostatic properties of the S2 state of carotenoid peridinin via a solvatochromic shift and orientation broadening of the absorption spectrum / V. S. Pavlovich // Photochemical & Photobiological Sciences. – 2014. – Vol. 13, N 10. – P. 1444–1455; doi: 10.1039/C4PP00124A.

12. Field-dependent exciton dissociation in organic heterojunction solar cells / A. Petersen [et al.] // Physical Review B. – 2012. – Vol. 85, N 24. – P. 245208-1-10; doi: 10.1103/PhysRevB.85.245208.

13. Pavlovich, V. S. Photoprocesses in biomolecules, carbon nanoparticles and polymer solar cells / V. S. Pavlovich. – Minsk, 2016. – 318 p. [in Russian].

14. Improved thin film morphology and bulk-heterojunction solar cell performance through systematic tuning of the surface energy of conjugated polymers / Y. Sun [et al.] // Journal of materials Chemistry. – 2012. – Vol. 22, N 12. – P. 5587–5595; doi: 10.1039/C2JM15517F.

15. High-dielectric constant side-chain polymers show reduced non-geminate recombination in heterojunction solar cells /

16. Effect of solvent additive on active layer morphologies and photovoltaic performance of polymer solar cells based on PBDTTT-C-T/PC71BM / X. Guo [et al.] // RSC Advances. – 2016. – Vol. 6 (Issue in progress). – P. 51924–51931; doi: 10.1039/ C6RA06020J.

17. Trap-induced losses in hybrid photovoltaics / F. Gao [et al.] // ACS Nano. – 2014. – Vol. 8, N 4. – P. 3213–3221; doi: 10.1021/nn501185h.

18. Interplay of intramolecular noncovalent Coulomb interactions for semicrystalline photovoltaic polymers / M. A. Uddin [et al.] // Chemistry of Materials. – 2015. – Vol. 7, N 17. – P. 5997–6007; doi: 10.1021/acs.chemmater.5b02251.