Eletrodos transparentes e flexíveis baseados em compósitos de grafeno oxidado : preparação, caracterização e aplicação em células solares orgânicas

Abstract

Resumo: Este trabalho apresenta a caracterização e aplicação de filmes finos, flexíveis, transparentes e condutores elétricos baseados em compósitos entre grafeno oxidado (GO) e o polímero condutor o poli(3,4-etilenodioxitiofeno):poli(estireno sulfonato) (PEDOT:PSS). A dispersão em água do óxido de grafeno utilizada nesse trabalho foi obtida pelo emprego da oxidação química da grafite natural cristalina. Os compósitos GO:PEDOT:PSS foram obtidos através da mistura em meio aquoso de diferentes proporções desses materiais. Os filmes foram depositados diretamente em substratos de politereftalato de etileno (PET) e secos em atmosfera ambiente. A caracterização óptica foi realizada através da técnica de espectrofotometria. O desempenho elétrico foi determinado pelo uso da técnica de medida da resistência de folha a 4 pontas. Foram encontrados valores de transmitância óptica e resistividade elétrica que tornam esses compósitos atrativos para aplicações em dispositivos optoeletrônicos. Além disso, submetendo o conjunto substrato/compósito a ensaios de torção, os materiais exibiram uma excelente estabilidade mecânica de suas propriedades elétricas, mantendo a mesma resistência de folha mesmo após 1000 ciclos de torção de 45º. O estudo da proporção de mistura entre GO e PEDOT mostrou que existe um valor de razão GO/PEDOT ótimo do ponto de vista das propriedades elétricas. Essa característica indica um efeito sinérgico entre os componentes. A análise morfológica, realizada por meio da comparação das micrografias obtidas através do uso da técnica de microscopia de força atômica (AFM), endossa esses argumentos. Os filmes foram aplicados como eletrodos transparentes em células solares orgânicas em estrutura de bicamada. São apresentados estudos detalhado do efeito da concentração de PEDOT:PSS na mistura, da diluição do PEDOT, efeito da temperatura de tratamento térmico e da espessura dos filmes. Essas variáveis impactam diretamente na transmitância e resistividade dos compósitos. Consequentemente, o desempenho das células solares baseadas nesses compósitos é diretamente afetado. O dispositivo no qual é empregado o filme do compósito cuja razão GO/PEDOT é ótima obteve uma eficiência de conversão de potência 1,10%, valor duas vezes maior que aquele baseado somente em PEDOT:PSS. Palavras-chave: Óxido de Grafeno, PEDOT:PSS, Células Solares Orgânicas, Eletrodos Transparentes, Eletrônica Flexível.

Abstract: In this work we present the graphene oxide (GO) and conductive polymer poly(3,4–ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) based composite characterization and application as a flexible, transparent and electrical conductive thin films. The graphene oxide water dispersion used in this work was obtained through a crystalline natural graphite chemical oxidation route. The composite GO:PEDOT:PSS were obtained by mixing different proportions of these materials in aqueous media. The films were drop casted onto polyethylene terephthalate (PET) substrates in environmental atmosphere. The optical characterization was performed by spectrophotometric technique. The electrical performance was determined by using the 4–probe technique. It was found an optical transmittance and an electrical resistivity that make this composite attractive for optoelectronic devices application. Furthermore, the substrate/composite bend essays showed that the composite electrical properties presents an excellent mechanical stability, keeping the same sheet resistance figures even after 1000 cycles of 45° twist. The study of the mixing ratio of GO and PEDOT have shown that there is an optimal value of GO/PEDOT ratio from the electrical properties point of view. This characteristic indicates a synergetic effect between the compounds. The morphological analyses performed by comparing the micrographs obtained by atomic force microscopy (AFM) endorse this argument. The films were applied as transparent electrodes in bilayer structured organic solar cells. It is presented a detailed study of PEDOT:PSS concentration effect in the blend, the PEDOT:PSS solution dilution, the annealing temperature effect and the films thick. These variables directly impact in the composite film transmittance, resistivity and hence the devices performance. The cell–based composite film which optimal GO/PEDOT ratio could reach a power conversion efficiency around 1.10%, which is twice higher than the PEDOT:PSS based one. Key–words: Graphene oxide, PEDOT:PSS, Organic Solar Cells, Transparent Electrodes, Flexible Electronics.