भौतिकी [ संपादित करें ]
एक फोटोवोल्टिक सेल एक विशेष अर्धचालक डायोड है जो प्रकाश को प्रत्यक्ष वर्तमान (डीसी) बिजली में परिवर्तित करता है । प्रकाश-अवशोषित सामग्री के बैंड गैप के आधार पर , फोटोवोल्टिक सेल निम्न-ऊर्जा, अवरक्त (आईआर) या उच्च-ऊर्जा, पराबैंगनी (यूवी) फोटॉनों को डीसी बिजली में भी परिवर्तित कर सकते हैं। फोटोवोल्टिक्स में प्रकाश-अवशोषक सामग्री के रूप में उपयोग किए जाने वाले छोटे अणुओं और पॉलिमर (चित्र 3) दोनों की एक सामान्य विशेषता यह है कि इन सभी में बड़े संयुग्मित सिस्टम होते हैं । एक संयुग्मित प्रणाली बनती है जहां कार्बन परमाणु सहसंयोजक होते हैंबारी-बारी से सिंगल और डबल बॉन्ड के साथ बॉन्ड। ये हाइड्रोकार्बन के इलेक्ट्रॉन pz ऑर्बिटल्स डेलोकलाइज़ करते हैं और एक π* एंटीबॉन्डिंग ऑर्बिटल के साथ एक डेलोकलाइज़्ड बॉन्डिंग π ऑर्बिटल बनाते हैं । डेलोकलाइज़्ड π ऑर्बिटल उच्चतम अधिकृत आणविक ऑर्बिटल ( HOMO ) है, और π* ऑर्बिटल सबसे कम खाली आणविक ऑर्बिटल ( LUMO ) है। जैविक अर्धचालक भौतिकी में, HOMO वैलेंस बैंड की भूमिका निभाता है जबकि LUMO चालन बैंड के रूप में कार्य करता है । HOMO और LUMO ऊर्जा स्तरों के बीच ऊर्जा पृथक्करण को कार्बनिक इलेक्ट्रॉनिक सामग्रियों का बैंड गैप माना जाता है और यह आमतौर पर 1–4 eV की सीमा में होता है । [11]
सामग्री के बैंड गैप से अधिक ऊर्जा वाले सभी प्रकाश को अवशोषित किया जा सकता है, हालांकि बैंड गैप को कम करने के लिए एक ट्रेड-ऑफ है क्योंकि बैंड गैप से अधिक ऊर्जा वाले फोटॉन थर्मल रूप से अपनी अतिरिक्त ऊर्जा को छोड़ देंगे, जिसके परिणामस्वरूप कम वोल्टेज होगा। और बिजली रूपांतरण क्षमता। जब ये सामग्रियां एक फोटॉन को अवशोषित करती हैं , तो एक उत्तेजित अवस्था बनाई जाती है और एक अणु या बहुलक श्रृंखला के एक क्षेत्र तक ही सीमित होती है। उत्तेजित अवस्था को एक एक्सिटोन या इलेक्ट्रोस्टैटिक द्वारा एक साथ बंधी एक इलेक्ट्रॉन-छिद्र जोड़ी के रूप में माना जा सकता हैबातचीत। फोटोवोल्टिक कोशिकाओं में, प्रभावी क्षेत्रों द्वारा एक्सिटॉन मुक्त इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े में टूट जाते हैं। दो असमान सामग्रियों के बीच एक विषमता बनाकर प्रभावी क्षेत्रों की स्थापना की जाती है। कार्बनिक फोटोवोल्टिक्स में, प्रभावी क्षेत्र इलेक्ट्रॉनों को अवशोषक के चालन बैंड से स्वीकार्य अणु के चालन बैंड तक गिरने के कारण उत्तेजना को तोड़ते हैं। यह आवश्यक है कि स्वीकर्ता सामग्री में एक कंडक्शन बैंड एज हो जो अवशोषक सामग्री की तुलना में कम हो। [12] [13] [14] [15]
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पॉलिमर सौर कोशिकाओं में आमतौर पर एक इलेक्ट्रॉन दाता और एक इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता (थोक विषमता सौर कोशिकाओं के मामले में), एक छेद या इलेक्ट्रॉन अवरोधक के बाद एक इंडियम टिन ऑक्साइड (ITO) प्रवाहकीय कांच के ऊपर एक इलेक्ट्रॉन- या छेद-अवरोधक परत होती है। परत, और धातु इलेक्ट्रोडशीर्ष पर। अवरुद्ध परतों की प्रकृति और क्रम - साथ ही धातु इलेक्ट्रोड की प्रकृति - इस बात पर निर्भर करती है कि सेल नियमित या उलटा डिवाइस आर्किटेक्चर का पालन करता है या नहीं। एक उल्टे सेल में, विद्युत आवेश उपकरण से सामान्य उपकरण की तरह विपरीत दिशा में बाहर निकलते हैं क्योंकि धनात्मक और ऋणात्मक इलेक्ट्रोड उलटे होते हैं। उल्टे कोशिकाएं अधिक उपयुक्त सामग्री से कैथोड का उपयोग कर सकती हैं; उल्टे ओपीवी नियमित रूप से संरचित ओपीवी की तुलना में लंबे समय तक जीवित रहते हैं, और वे आमतौर पर पारंपरिक समकक्षों की तुलना में उच्च क्षमता दिखाते हैं। [16]
बल्क हेटेरोजंक्शन पॉलिमर सौर कोशिकाओं में, प्रकाश उत्तेजना उत्पन्न करता है। डिवाइस की सक्रिय परत के भीतर एक इलेक्ट्रॉन दाता और स्वीकर्ता मिश्रण के बीच इंटरफेस में बाद में चार्ज अलगाव। ये चार्ज तब डिवाइस के इलेक्ट्रोड में ले जाते हैं जहां चार्ज सेल के बाहर प्रवाहित होते हैं, काम करते हैं और फिर विपरीत दिशा में डिवाइस में फिर से प्रवेश करते हैं। सेल की दक्षता कई कारकों द्वारा सीमित है, विशेष रूप से गैर-रत्न पुनर्संयोजन । छेद की गतिशीलता सक्रिय परत में तेज चालन की ओर ले जाती है। [17] [18]
अर्धचालक पी-एन जंक्शनों के बजाय कार्बनिक फोटोवोल्टिक्स इलेक्ट्रॉन दाता और इलेक्ट्रॉन स्वीकार्य सामग्री से बने होते हैं । कार्बनिक पीवी कोशिकाओं के इलेक्ट्रॉन दाता क्षेत्र बनाने वाले अणु , जहां एक्सिटोन इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े उत्पन्न होते हैं, आम तौर पर संयुग्मित पॉलिमर होते हैं जो कार्बन पी कक्षीय संकरण से उत्पन्न डेलोकलाइज्ड π इलेक्ट्रॉनों को रखते हैं। ये π इलेक्ट्रॉन अणु के उच्चतम अधिकृत आणविक कक्षीय (HOMO) से निम्नतम खाली आणविक कक्षीय (LUMO) तक स्पेक्ट्रम के दृश्य भाग में या उसके निकट प्रकाश द्वारा उत्तेजित हो सकते हैं , जिसे π -π* संक्रमण द्वारा निरूपित किया जाता है। इन ऑर्बिटल्स के बीच ऊर्जा बैंडगैप निर्धारित करता है कि कौन साप्रकाश की तरंग दैर्ध्य (ओं) को अवशोषित किया जा सकता है ।
एक अकार्बनिक क्रिस्टलीय पीवी सेल सामग्री के विपरीत, इसकी बैंड संरचना और डेलोकलाइज़्ड इलेक्ट्रॉनों के साथ, कार्बनिक फोटोवोल्टिक्स में एक्साइटन्स 0.1 और 1.4 eV के बीच ऊर्जा के साथ मजबूती से बंधे होते हैं । यह मजबूत बंधन इसलिए होता है क्योंकि कार्बनिक अणुओं में इलेक्ट्रॉनिक तरंग कार्य अधिक स्थानीयकृत होते हैं, और इलेक्ट्रोस्टैटिक आकर्षण इस प्रकार इलेक्ट्रॉन और छेद को एक साथ एक उत्तेजना के रूप में रख सकते हैं। इलेक्ट्रॉन और छेद को एक इंटरफ़ेस प्रदान करके अलग किया जा सकता है जिसमें इलेक्ट्रॉनों की रासायनिक क्षमता कम हो जाती है। फोटॉन को अवशोषित करने वाली सामग्री दाता है, और इलेक्ट्रॉन प्राप्त करने वाली सामग्री को स्वीकर्ता कहा जाता है। चित्र 3 में, बहुलक श्रृंखला दाता और फुलरीन हैस्वीकर्ता है। हदबंदी के बाद भी, इलेक्ट्रॉन और छेद अभी भी " जेमिनेट जोड़ी " के रूप में शामिल हो सकते हैं, और फिर उन्हें अलग करने के लिए एक विद्युत क्षेत्र की आवश्यकता होती है। संपर्कों पर इलेक्ट्रॉन और छेद एकत्र किया जाना चाहिए। यदि चार्ज वाहक गतिशीलता अपर्याप्त है, तो वाहक संपर्कों तक नहीं पहुंचेंगे, और इसके बजाय ट्रैप साइट्स पर पुनः संयोजित होंगे या डिवाइस में अवांछित अंतरिक्ष शुल्क के रूप में रहेंगे जो नए वाहकों के प्रवाह का विरोध करते हैं। बाद की समस्या तब हो सकती है जब इलेक्ट्रॉन और होल गतिशीलता का मिलान नहीं किया जाता है। उस स्थिति में, स्पेस-चार्ज सीमित फोटोकरंट (एससीएलपी) डिवाइस के प्रदर्शन को प्रभावित करता है।
कार्बनिक फोटोवोल्टिक्स को एक सक्रिय बहुलक और एक फुलरीन-आधारित इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता के साथ गढ़ा जा सकता है। दृश्यमान प्रकाश द्वारा इस प्रणाली की रोशनी से बहुलक से फुलरीन अणु में इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण होता है। परिणामस्वरूप, बहुलक श्रृंखला पर एक फोटोप्रेरित क्वासिपार्टिकल , या पोलरॉन (P + ) का निर्माण होता है और फुलरीन एक रेडिकल आयन ( C ) बन जाता है।-
60). पोलरॉन अत्यधिक गतिशील होते हैं और फैल सकते हैं।
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