Simulação do processo óptico em dispositivos fotovoltaicos orgânicos na estrutura heterojunção em bicamada

Abstract

Resumo: Neste trabalho simulamos o processo óptico dentro de dispositivos fotovoltaicos orgânicos em estrutura heterojunção em bicamada utilizando o método matricial unidimensional e a equação da difusão dos éxcitons. O método de simulação considera o índice de refração complexo dos materiais utilizados no dispositivo, as espessuras das camadas e o comprimento de difusão dos éxcitons nos materiais que compõem a bicamada. Os resultados dessas simulações foram utilizados para analisar o desempenho de dispositivos fabricados e caracterizados experimentalmente pelo DiNE (Laboratório de Dispositivos Nanoestruturados). Os materiais utilizados na estrutura bicamada desses dispositivos foram o poly [2,7- (9,9-bis (2-ethylhexyl)- dibenzosilole) -alt-4,7-bis (thiophen-2-yl) benzo -2,1,3- thiadiazole (PSiF-DBT) como camada doadora de elétron e dois tipos de fulerenos, C?? e C?? utilizados como camada aceitadora de elétron. As simulações indicaram que a rugosidade presente no filme de PSiF-DBT, por não ser considerada no modelo teórico, está produzido resultados maiores que os esperados para o comprimento de difusão dos éxcitons. Também foram feitas simulações a fim de verificar se as espessuras dos materiais utilizados na bicamada dos dispositivos apresentam a estrutura otimizada para a maximização da fotocorrente. O modelo utilizado sugere que os dispositivos PsiF-DBT/C?? e PSiF-DBT/C?? confeccionados pelo DiNE não apresentam uma estrutura próxima da estrutura otimizada para a maximização da fotocorrente. Portanto, de acordo com as simulações, caso o dispositivo PSiF-DBT/C?? seja confeccionado com a estrutura otimizada, pode ser que sua fotocorrente aumente 17% e para o dispositivo PSiF-DBT/C?? aumente 10%. Isso é um resultado muito importante para dispositivos fotovoltaicos. Outro resultado obtido com as simulações, foi que o dispositivo PSiF-DBT/C?? apresenta uma fração da luz refletida (não aproveitada para a geração da fotocorrente) menor que o dispositivo PSiF-DBT/C??. Esse resultado está relacionado com o maior coeficiente de absorção do C?? em relação ao C??. Os resultados obtidos através da simulação do processo óptico nos dispositivos demandam pouco custo computacional e fornecem uma série de informações que podem auxiliar na confecção de dispositivos mais eficientes. Visto que o processo de desenvolvimento dos dispositivos passa por testar novos materiais e que cada material possui um índice de refração complexo diferente, a análise do processo óptico em novos dispositivos é de grande relevância.

Abstract: In this study we simulate the optical process in organic photovoltaic devices in bilayer heterojunction structure using the one-dimensional matrix method and the diffusion equation of excitons. The simulation method considers the complex refractive index of the materials used in the device, the thicknesses of the layers and the diffusion length of excitons in the materials that make up the bilayer. The results of these simulations were used to analyze the performance of manufactured devices and characterized experimentally by DiNE (Laboratório de Dispositivos Nanoestruturados). The materials used in the bilayer structure of these devices were poly[2,7-(9,9-bis(2-ethylhexyl)-dibenzosilole)-alt-4,7-bis(thiophen-2-yl)benzo-2,1,3- thiadiazole (PSiF-DBT) as the electron donor layer and two types of fullerenes, C?? and C?? used as the electron acceptor layer. The simulations indicated that the roughness present in PSiF-DBT film, not considered in the theoretical model, is produced greater results than expected for the diffusion length of excitons. Also simulations were performed in order to verify that the thicknesses of materials used in bilayer devices have optimal structure to maximize the photocurrent. The model suggests that the PSiF-DBT/C?? and PSiF-DBT/C?? devices made by Dine has not a close structure of the optimized structure to maximize the photocurrent. Therefore, according to the simulations if PSiF-DBT/C?? device is constructed with the optimized structure, it may be that your photocurrent increase 17% and PSiFDBT/ C?? increase 10%. This is a very important result for photovoltaic devices. Another result obtained with the simulations was that the PSiF-DBT/C?? device has a fraction of the reflected light (not used for the generation of photocurrent) less than the PSiF-DBT/C?? device. This result is related to the absorption coefficient greater than C?? compared to C??. The results obtained by simulating the optical process in devices require little computational cost and provide a range of information that can assist in making more efficient devices. Since the process of developing new device undergoes testing materials and each material has a different complex refractive index, the analysis of the optical process in new devices is very important.