WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Запуниди Сергей Александрович СПЕКТРОСКОПИЯ ФОТОИНДУЦИРОВАННОГО ПОГЛОЩЕНИЯ И ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ДОНОРНОАКЦЕПТОРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПОЛИМЕРА Специальность 01.04.21 – лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва – 2009 1

Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.

Научный консультант: доктор физико-математических наук Паращук Дмитрий Юрьевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Витухновский Алексей Григорьевич, Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва;

доктор физико-математических наук Разживин Андрей Павлович, НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук "Институт спектроскопии РАН"

Защита диссертации состоится «» _ 20 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.31 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ, дом 1, стр. 62, корпус нелинейной оптики, аудитория имени С.А. Ахманова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан «» _ 20 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.001.31, кандидат физико-математических наук, доцент Т.М. Ильинова 2

Общая характеристика работы

Актуальность работы Полупроводниковые (сопряжённые) полимеры (ПП) – перспективный класс веществ, сочетающих в себе свойства полупроводников и полимеров. Простота изготовления устройств на основе ПП делает их привлекательными для создания новых поколений светодиодов, транзисторов, фотоэлементов. В частности, в 1998 году в плёнке ПП была продемонстрирована лазерная генерация. Уникальные свойства ПП позволяют им служить перспективной основой для изготовления солнечных фотоэлементов большой площади. Оптическое возбуждение ПП приводит к образованию экситонов с энергией связи порядка 0,3 эВ, для разделения которых на носители заряда к ПП добавляют электронный акцептор. Полимер в этом случае играет роль электронного донора. На данный момент максимальная эффективность фотоэлектрического преобразования энергии солнечного света (6%) достигнута в фотоэлементах на основе донорно-акцепторных композиций ПП и производных фуллеренов. Основными ограничениями для повышения эффективности являются недостаточно широкая полоса поглощения света, ограниченная шириной оптической щели ПП (обычно ~2 эВ), и низкое напряжение холостого хода, определяемое, в частности, электронным сродством акцептора.

Недавно были обнаружены межмолекулярные комплексы с переносом заряда (КПЗ), образующиеся между ПП и некоторыми низкомолекулярными акцепторами в основном состоянии. КПЗ обладает полосой поглощения в красной и ИК областях спектра, что позволяет расширить диапазон фоточувствительности донорноакцепторной смеси в область оптической щели ПП. Однако для межмолекулярных КПЗ типична быстрая геминальная рекомбинация зарядов, приводящая к низкой эффективности генерации долгоживущих разделённых зарядов. Исследование трёхкомпонентных смесей из ПП, комплексообразующего акцептора, и фуллерена может дать возможность объединения высокой эффективности генерации разделённых зарядов и расширенного спектра поглощения.

Растворимое производное фуллерена (PCBM) является одним из самых удачных акцепторов в органических солнечных фотоэлементах на основе ПП.

Однако показано, что относительно высокое электронное сродство PCBM ограничивает напряжение холостого хода. Для существенного снижения электронного сродства фуллеренов можно использовать их соединения с металлами.

Например, в металлокомплексах фуллеренов (МКФ) происходит смещение электронной плотности с металла на фуллерен, что уменьшает его электронное сродство на величину ~0,4 эВ и в результате может увеличить напряжение холостого хода солнечного фотоэлемента. МКФ являются относительно новым классом веществ – фотофизические свойства МКФ и их смесей с ПП ранее не изучались. Для оценки перспективности МКФ и их потенциала для органических солнечных фотоэлементов необходимо провести спектроскопические исследования донорно-акцепторных композиций ПП и МКФ.

Недавние исследования донорно-акцепторных смесей на основе ПП показывают, что процесс разделения зарядов, т.е. формирования пар электрон/дырка из экситонов, может протекать двумя основными способами: через фотоиндуцированный перенос электрона с ПП на акцептор и через резонансный перенос энергии с ПП на акцептор с последующим переносом дырки c акцептора на ПП. В смесях ПП с МКФ и в смесях с образованием КПЗ резонансный перенос энергии может играть основную роль в разделении зарядов за счёт высокого поглощения акцептора и КПЗ, соответственно, в области оптической щели ПП.

Простым методом идентификации механизма разделения зарядов может служить анализ стационарного тушения фотолюминесценции (ФЛ) в рамках некоторой модели. Однако корректных моделей стационарного тушения ФЛ через резонансный перенос энергии, учитывающих специфику ПП, не разработано.

Создание такой модели позволит не только идентифицировать механизм тушения ФЛ, но и глубже понять влияние резонансного переноса энергии на процессы генерации фототока в органических солнечных фотоэлементах.

Исследование донорно-акцепторных смесей на основе ПП методом спектроскопии ФЛ нацелено на получение ценной информации о механизме разделения зарядов. Спектроскопия фотоиндуцированного поглощения (ФИП) при лазерном возбуждении в полосах поглощения донора (ПП) и акцептора позволит оценить эффективность генерации разделённых зарядов по интенсивности характерных полос ФИП ПП, связанных с разделёнными зарядами.

Цели диссертационной работы • Определить доминирующие процессы тушения фотолюминесценции и разделения зарядов в смесях модельного полупроводникового полимера и ряда низкомолекулярных электронных акцепторов.

• Проверить возможность переноса заряда с одного акцептора на другой в трёхкомпонентной смеси, состоящей из полупроводникового полимера и двух низкомолекулярных органических акцепторов.

Защищаемые положения • Механизм резонансного переноса энергии может описать экспериментальные данные по тушению фотолюминесценции в плёнках смесей полупроводникового полимера из класса полипарафениленвиниленов и низкомолекулярного акцептора (тринитрофлуоренона, металлокомплекса фуллерена) в рамках двухпараметрической аналитической модели.

• Резонансный перенос энергии между сопряжёнными сегментами полупроводникового полимера в плёнках однородных смесей с энергетическим акцептором приводит к уменьшению интенсивности фотолюминесценции e2 полимера не более чем на фактор (2.5 раза).

• В трехкомпонентной смеси полупроводникового полимера и двух электронных акцепторов возможен перенос фотовозбужденного электрона с одного акцептора на другой при условии согласования их электронного сродства.

• В пленках смесей полупроводникового полимера и металлокомплекса фуллерена при оптическом возбуждении любого из них возможен фотоиндуцированный перенос заряда.

Научная новизна • Впервые получены кривые стационарного тушения фотолюминесценции в плёнках смесей полупроводникового полимера поли[2-метокси-5-(2`этилгексилокси)-1,4-фениленвинилен] (МЕГ-ПФВ) и акцепторов ТНФ и ДНАХ, а также металлокомплексов фуллеренов С60.

• Предложена аналитическая модель стационарного тушения фотолюминесценции в смеси полупроводникового полимера и энергетического акцептора с учётом процессов переноса энергии между сопряжёнными сегментами полимера.

• Впервые получены и исследованы спектры фотоиндуцированного поглощения смесей полупроводникового полимера и металлокомплексов фуллерена при лазерном возбуждении на длинах волн 635 и 532 нм.

• Впервые продемонстрирован фотоиндуцированный перенос заряда с одного акцептора на другой в трёхкомпонентной смеси из полупроводникового полимера и двух акцепторов.

Практическая ценность • Предложенная двухпараметрическая аналитическая модель стационарного тушения фотолюминесценции может быть применена для описания тушения фотолюминесценции различных смесей полупроводниковых полимеров и энергетических акцепторов. Анализ кривых тушения фотолюминесценции с помощью разработанной модели позволяет определить эффективный радиус Фёрстера для резонансного переноса энергии с сегмента полупроводникового полимера на энергетический акцептор.

• Экспериментально показана возможность фотогенерации разделённых зарядов в смесях полупроводникового полимера и металлокомплексов фуллерена при возбуждении как в полосу поглощения полимера, так и в полосу поглощения производного фуллерена.

• Экспериментально показано, что трёхкомпонентные смеси полупроводникового полимера и двух электронных акцепторов перспективны для применения в органических солнечных фотоэлементах, т. к. они могут сочетать высокое поглощение в красной области спектра и высокую эффективность генерации долгоживущих разделённых зарядов.

Апробация работы Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях: Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных "Ломоносов-2006" (Москва, 2006), Научная молодежная школа в рамках международного оптического конгресса "Оптика XXI век", (Санкт-Петербург, 2006), Пятая Всероссийская научная молодежная школа «Возобновляемые источники энергии», (Москва, 2006), Девятнадцатый симпозиум по квантовому преобразованию солнечной энергии (Австрия, 2007), Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных "Ломоносов-2007" (Москва, 2007), Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике, (Минск, 2007), Международная конференция по применению лазеров в науках о жизни (Москва, 2007), Симпозиум по фотонике и лазерам (Москва, 2007), Европейский конгресс по передовым материалам и процессам (Германия, 2007), Международная конференция по молекулярным и наноразмерным системам для преобразования энергии (Москва, 2007), Зимняя научная школа по органической электронике: роль интерфейсов (Австрия, 2008), Двадцатый симпозиум по квантовому преобразованию солнечной энергии (Австрия, 2008), Третий международный симпозиум: технологии для полимерной электроники (Германия, 2008), Восьмой международный симпозиум по функциональным пиэлектронным системам (Австрия, 2008).

Публикации Основные результаты диссертации опубликованы в 23 работах, из них статей в реферируемых журналах: Журнал экспериментальной и теоретической физики, Applied Physics Letters, Journal of Pure and Applied Chemistry, Physical Review B, Physical Chemistry Chemical Physics, а также 18 работ в сборниках трудов конференций. Список публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.

Работа содержит 150 страниц основного текста, 53 рисунка, 4 таблицы, 58 формул и 153 библиографических наименования.

Личный вклад автора Все изложенные в диссертации результаты получены автором лично или при его непосредственном участии. Автор осуществлял разработку методов измерений, постановку и проведение экспериментов, анализ результатов, разработку программы численного моделирования и построение моделей.

Содержание работы Во введении дано краткое описание проблематики работы, обоснована актуальность темы, сформулированы основные цели, задачи, научная новизна работы и защищаемые положения, приведена аннотация содержания глав.

В первой главе представлены современные модельные описания оптических и электрофизических свойств ПП. Дан обзор и анализ основных экспериментальных фотофизических исследований ПП и их смесей с акцепторами. Описаны общепринятые интерпретации спектров ФЛ и ФИП ПП. Рассмотрены и проанализированы наиболее значимые модели тушения ФЛ ПП в смеси с акцептором. Представлены результаты экспериментальных исследований КПЗ между ПП и низкомолекулярными акцепторами тринитрофлуоренон (ТНФ) и динитроантрахинон (ДНАХ). Также представлена структура и спектры поглощения некоторых экзоэдральных МКФ, обоснована их перспективность для органических солнечных фотоэлементов. Рассмотрен механизм резонансного переноса энергии и сформулировано текущее представление о его роли в смесях на основе ПП.

Во второй главе предложена и обоснована модель стационарного тушения ФЛ при лазерном возбуждении в смеси ПП и энергетического акцептора с учётом резонансного переноса энергии между сопряжёнными сегментами полимера и с сопряжённого сегмента на акцептор. В модели полагается, что фёрстеровские радиусы переноса энергии не зависят от длины сопряжённого сегмента. Далее рассмотрены процессы, связанные с экситонами в ПП (поглощение лазерного возбуждения, ФЛ, безызлучательная релаксация, резонансный перенос энергии), и записано стационарное уравнение баланса состояний экситонов. Важной особенностью модели является приписывание экситону не только энергии, влияющей на доступные для переноса энергии сопряжённые сегменты, но и скорости тушения, зависящей от свойств и расположения акцепторов. Это позволяет исключить факторы механизма тушения ФЛ и морфологии смеси из уравнения баланса.

Получено решение уравнения баланса, содержащее функцию распределения экситонов по скоростям тушения для случайного положения экситона. Эта функция рассчитана для наиболее простого случая однородного распределения акцептора и механизма тушения через резонансный перенос энергии. При подстановке этой функции в решение уравнения баланса получена аналитическая зависимость нормированной интенсивности ФЛ донорно-акцепторной смеси от концентрации акцептора, содержащая два свободных параметра ( B и C ):

Cq 2 arctan B2 + Cq ( ) 1 arctan Cq - B PL(q) = expCq -1 + 2Cq -1 (1) ( ) B2 -1 1+ Cq 2 B B ( ) ri6 4 nQd где B2 = +1, C = rF Qd, q – концентрация энергетического акцептора.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»