پیوند های ناهمگون آلی دیودهای نوری فوتوولتایی آلی

پیوند های ناهمگون آلی دیودهای نوری فوتوولتایی آلی – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه شیمی

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

چگونگی سفارش مقاله

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه(شماره حساب)ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.comشامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر --مقالات آماده سفارش داده شده پس از تایید به ایمیل شما ارسال خواهند شد.

پیوند های ناهمگون آلی/ آلی^׳ : دیودهای نشر دهنده نور و ابزارهای فوتوولتایی آلی

پیوند های ناهمگونی که از لایه های نازک دو ماده نیمه رسانای آلی ناهمسان بوجود آمده اند
 ] پیوند های ناهمگون آلی/ آلی(O/O^´)[، مؤلفه حیاتی خصوصیات صفحه های نمایش با دیود نشر دهنده نور آلی و سیستم های نوری (OLEDها  و PLEDها) و تکنولوژی های کوچک فوتوولتایی(سلول خورشیدی)  آلی مبتنی بر پلیمر یا مولکول کوچک(OPVها) به شمار می رود.
پیوند های نا همگون O/O^´ مکانهایی برای تشکیل اکسیتون (exciton) در OLEDها و نیز مکانهایی برای تفکیک اکسیتون و تولید جریان نوری در OPVها می باشند. توازن انرژی اوربیتال مرزی در پیوندهای ناهمگون O/O^´، آهنگ کنترل انرژی آزاد اضافی حاصل از  ترکیب مجدد بار و شکل گیری حالت های انتشاری در OLED ها و PLEDها را برقرار می کنند. این توازن های انرژی همچنین انرژی آزاد اضافی تولید می کنند که کنترل  جداسازی بار و جریان نوری اتصال کوتاه (j_sc) در OPVها را بر عهده دارد و حد بالای جریان نوری اتصال باز(v_oc) را تعیین می کند. در اینجا  چگونگی تعیین توازن های انرژی اوربیتال مرزی را  به کمک طیف بینی نوری، چگونگی تغییر این انرژی ها را به عنوان یک تابع  محیط مولکولی و نیز تأثیر دو قطبی های میانجی بر این انرژی های اوربیتال مرزی را  بررسی می کنیم. نمونه های اخیر پیوند های ناهمگون مبتنی بر مواد مولکولی کوچک را برای تأکید بر آن دسته از پیوند هایی که مدنظر کاربردهای فوتوولتایی هستند، نشان
می دهیم. این پیوند ها شامل پیوند های ناهمگون رنگهای “پریلن بیزی ماید”
(perylenebisimide) به همراه “فتالوسیانین های”(phthalocyanines) فلزی سه ظرفیتی و
پیوند های ناهمگون “تیتانیل فتالوسیانین”(phthalocyanine titanyl) با C₆₀ و با پنتاسن (pentacene) می باشند. سلول های خورشیدی آلی متشکل از جفت های دهنده/ گیرنده ی هر یک از این سه ماده اخیر تأیید می کنند که مقیاس های v_oc بین توازن های انرژی بین HOMO از  دهنده و LUMO از گیرنده قرار می گیرد (E_HOMO^D_– E_LUMO^A).

پیوند های ناهمگون آلی دیودهای نوری فوتوولتایی آلی

مقدمه

پس از گذشت ۲۵ سال از زمان تأسیس مؤسسه ماکس پلانک fur polymerforschung  رشد قابل توجه ای در مواد و ابزارهای الکترونیک مولکولی مشاهده شده است؛ نظیر (۱) تصاویر انتشار نور و منابع نوری کارآمد لایه نازک ]دیود های نوری آلی (OLED) یا دیود های نوری پلیمری(PLED)[؛ (۲) ترانزیستور های آلی جدید و مدار های منطقی مجتمع آلی؛ (۳) سیستم های تبدیل انرژی خورشیدی آلی جدید ] فوتوولتایی های آلی (OPV)[. این تکنولوژی ها از طریق افزایش مهارت در طراحی ، ساخت و پردازش مواد و به کمک پیشرفت در توانایی توصیف و کنترل ساختار و  نیز جنبش مولکولی ، از مقیاس طولی میکرون تا نانو  امکان پذیر می باشند. در تصاویر، مدار های منطقی  و سیستم های تبدیل انرژی ، نواحی فعال که متشکل از مولکول ها یا پلیمر های کوچک نیمه رسانا هستند، معمولاً دارای ضخامتی کمتر از ۱۰۰-۵۰۰ نانو متر می باشند. حتی نواحی جذب نور، شکل گیری بار و  ایجاد حالت انتشار دهنده در فضایی رخ می دهند که ممکن است به بیش از چند مولکول نرسد.

فرآیند انتقال بار در پیوند های ناهمگون آلی

توصیف عملکرد OLED و OPV در دوره های الکتروشیمیایی به همراه هشدار هایی که در قسمت بعدی بیان می شود، مفید بوده  است. در OLEDها تزریق بار، روزنه ها ( به صورت الکتروشیمیایی به عنوان اکسایشِ  دهنده الکترون D – D⁺) و الکترون ها ( به عنوان کاهشِ دهنده الکترون A – A^–) را به ترتیب در پایین و بالای نقاط تماس با انرژی های تقریبی E_HOMO^D  و E_LUMO^A ایجاد می کند. انتقال بار به سمت مرکز دستگاه از طریق جابجایی (جهش بار بین بخش های مولکولی یا بین زنجیره های پلیمری) تحت تأثیر یک قسمت کاربردی (پیشقدر به جلو) رخ می دهد. اولین فوتون ها از ترکیب مجدد بار در میانجی (D/A) آلی  بوجود می آیند و به بخش های انتشاری (یا در دهنده الکترون D^* یا در گیرنده الکترون A^* ، بستگی دارد کدامیک شکاف نوری کوچکتری داشته باشد) می رسد :

نیازمندی های پیوندهای  ناهمگون آلی

می توان  D⁺ و A^– را به صورت الکتروشیمیایی در محلول های الکترولیت  و حتی لایه های نازک پلیمر مخصوص ایجاد کرد. در نظر گرفتن دستگاه های الکترشیمیایی حالت جامد یا محلول، هم برای انتشار انرژی و هم برای تبدیل انرژی خورشیدی که برخی بیش از ۴۰ سال پیش بوجود آمده بودند، آموزنده است.

اولین فرآیند های الکترولومینسان کشف شده واکنش های لومینسان شیمیایی شکل یافته به صورت الکتریکی (ECL) در محلول ها، یا در کریستال مولکولی همگن یا لایه های نازک پلیمر بودند. اختلافات معمولاً بزرگ در نرخ های انتقال d یا a دور از تزریق الکترودها، بدین معنی است که واکنش (۱) برای تشکیل حالت های انتشاری معمولاً نزدیک یکی از الکترود های تزریق کننده رخ می دهد و موجب دفع محصولات حالت برانگیخته می شود. در رسانه همگن، درصورتیکه واکنش ترکیب مجدد بازده ۱۰۰% نداشته باشد، احتمال بالایی برای نابودی حالت های باردار در الکترود های متصل وجود دارد (d بدان منتقل می شود و در الکترود بالایی کاهش می یابد، A^– بدان منتقل می شود و  در نقطه تماس پایینی اکسید می شود)،  بدین معنی که جریان برای این وسیله، در پیشقدر رو به جلو که به نور منتشر شده نمی رسد، ایجاد می شود.

پیوند های ناهمگون آلی دیودهای نوری فوتوولتایی آلی

روش های توصیف پیوند های ناهمگون آلی

توصیف این انرژی های HOMO و LUMO بخش فعالی از تحقیق است. سطوح انرژی HOMO و LUMO اکثراً از آزمایشات الکتروشیمیایی محلول ارزیابی شده اند، که در آن پتانسیل های اکسایش و کاهش یک الکترون  برای پی بردن به اختلافات بین سطوح HOMO و LUMO در لایه های نازک مولکولی فاز فشرده به کار می روند. این اندازه گیری ها به خلأ بر می گردند، با فرض اینکه پتانسیل یک الکترود مبدأ مانند الکترود هیدروژن نرمال (NHE≈-۴٫۵eV) شناخته شده باشد و بتواند به محلول های الکترولیت که اندازه گیری شدند، برون یابی شوند. همچنین باید اختلافات در تثبیت حالت های مولکولی اکسایش و کاهش یافته (D⁺/A^–) در محلول های الکترولیت، در مقابل انرژی های این حالت ها در پوشش فشرده در نظر گرفته شود. خوشبختانه، به دلیل بر هم کنش های ضعیف جامدات مولکولی ، این اختلافات برای هر جفت دهنده/گیرنده یک سویه هستند و انصافاً قابل پیش بینی می باشند.

توصیف phthalocyanine /پیوند های ناهمگون c₆₀

اکنون به  بررسی چند نمونه اخیر از پیوند های ناهمگون آلی، با تمرکز بر آنهایی که مورد نظر OPV و تکنولوژی های آشکارساز نور است، می پردازیم. تحقیقات قابل مقایسه ای قبلاً بر روی مواد OLED انجام شده بود.

شکل ۴ داده های نماینده  OPV و UPS را برای پیوند های ناهمگون آلی مبنی بر titanyl phthalocyanine دهنده (TiOPC چندریخت “مرحله I“) یا phthalocyanine مس (CuPc) و گیرنده C₆₀ نشان می دهد. به دلیل شروع با لایه های نازک C₆₀ (شکل ۳B، F)، نقاط اوج همگن سازی از fullerene با هر چرخه رسوب گیری متوالی به تدریج با نقاط مشابه از Pc جایگزین می شوند. این نقاط اوج HOMO توسط مقادیری که در اختلافات  IP های حالت گازی و اختلافات پتانسیل های اولین اکسایش محلول ثابت هستند و تغییر نمی کنند، آفست می شوند. شکل گیری پیوند های ناهمگون CuPc/ C₆₀ با تغییرات قابل اندازه گیری در حد پایینی انرژی جنبشی طیف تابش نوری همراه است تا انرژی ها را کاهش دهد، حتی با وجود پایین ترین پوششهای cupc که از طریق شکل گیری یک دوقطبی میانجی مشخص (Ca. 0.3-0.5 eV) در میانجی C₆₀ /cupc توصیف می شوند. این تغییر در حد پایینی KE به عنوان تغییری در سطح عمومی خلأ تلقی می شود و در ساخت نمودار سطحی انرژی در شکل ۴G استفاده می شود. در پیوند های ناهمگون TiOPC/ C₆₀، دوقطبی میانجی کوچک است (ca. 0.02 eV)، اما یک توزیع بار مجدد اضافی وجود دارد که در هر دو لایه C₆₀و TiOPc که با کنترل تغییرات در نقاط اوج HOMO یا در طیف های سطح هسته توصیف شده توسط XPS مقدار دهی می شوند (شکل ۴c).

پیوند های ناهمگون آلی دیودهای نوری فوتوولتایی آلی

توصیف پیوند های ناهمگون مبنی بر perylenes و phthalocyanines

برای بسیاری از پیوند های ناهمگون آلی، مولکول گرایی، یک مؤلفه حیاتی در تعریف انرژی های آفست و اثرات دوقطبی میانجی می باشد. برخی جفت های D⁺/A^– می توانند هنگامی که اتصال cofacial بین هسته های اروماتیک مرکزی رخ می دهد، تشکیل شوند و در دیگر موارد گرایش هایی بدست آورند که این هسته های اروماتیک را دور از هم و حتی به صورت متعامد نسبت به هم نگه می دارند. تحقیقات اخیر از نیمه رساناهای مولکولی نظیر  pentacene و pentacenequinone، pentacene و pre-fluorinated، لایه های جهت دارCuPc و TiOPc بر زیرلایه های HOPG، oligo-alkyl و oligo-thiophenes طبیعی و چند جفت دهنده/گیرنده دیگر برای ردیابی این اثرات استفاده کرده اند.

مقایسه پیوند های ناهمگون بر اساس pen، TiOPc و C₆₀

پیوند های ناهمگون مانند همتاهای غیرآلی اشان، علاقه زیادی در ایجاد OPV و کاشف های نوری دارند که واکنش طیفی آن تمام قسمت مرئی و اساسی نزدیک IR را پوشش می دهد. خصوصیات جذبی π→π اکثر رنگهای آلی می تواند حداکثر تا Ca. یعنی نیمی از دامنه طیفی را پوشش دهد؛ پوشش کامل ممکن است به ترکیبات رنگها یا OPVهای “سلول های پشت سر هم” نیاز داشته باشد. OPV های دارای سلول پشت سر هم مبنی بر PHJ یا OPVهای BHJ با یک لایه رسانای نیمه شفاف (اکسید های زیر استوکیومتری یا فلز ذرات نانو) هستند، به گونه ای که دو یا تعداد بیشتری از سلول های مرتب شده به صورت عمودی به صورت متوالی به هم متصل شده اند و از خصوصیات طیفی مکمل برخوردار می شوند و ولتاژ سلولی را برای افزایش کارآیی تبدیل برق کل اضافه می کنند. اما راه دیگر ایجاد سلول هایی با چند پیوند  ناهمگون این است که در آن تعداد دو دهنده یا بیشتر در تماس با گیرنده ای که برای تفکیک exciton تولید جریان نوری از دو یا بیشتر پیوند  ناهمگون آلی موازی فراهم شده، ته نشین می شود.

پیوند های ناهمگون آلی دیودهای نوری فوتوولتایی آلی

نتیجه گیری

دستگاه های الکترونیک مولکولی مبتنی بر مواد لایه نازک آلی، تصور جامعه گسترده علمی را به خود جلب کرده است. موفقیت های تجاری حتمی OLED و تکنولوژی های انتقال اثر بخش آلی، در جامعه ای که در آن سلول های خورشیدی به عنوان مبدل های انرژی خورشیدی و آشکار سازهای نوری لایه نازک، نقش قابل توجهی در آینده خواهند داشت، خوش بینی را تقویت می کند. خصوصیات الکترونیکی و نوری  مواد آلی اغلب راحت تر از همتاهای غیر آلی خود تنظیم می شوند و هزینه ساخت و پردازش آنها می تواند پایین باشد. خصوصاً برای OPVها، سهولت بزرگ مقیاس شدن چنین تکنولوژی های لایه نازکی با هزینه پایین،  یک ویژگی بسیار جذاب است.

مشکلاتی که در بهینه سازی عملکرد این دستگاه های جدید با آنها روبرو هستیم، در سطح مولکولی ظاهر می شوند، زیرا تغییرات کوچک در محیط محلی، ممکن تغییرات بزرگ در پارامتر هایی نظیر IP، EA، ضریب جذب و احتمال لومینانس و غیره را در پی داشته باشند. توصیف تکنیک هایی که ارائه دهنده اطلاعات در مورد محیط فعال این مواد هستند، خصوصاً برای پیوند های ناهمگون O/O^´در مقیاسهای طولی نانو، بخش بسیار ارزشمند توسعه این تکنولوژی های جدید می باشد.