Semicondutores orgânicos processados por meio de solventes ecológicos e halogenados com aplicação fotovoltaica

Abstract

Resumo: Neste trabalho, filmes de semicondutores orgânicos processados por solventes ecológicos e halogenados são caracterizados por medidas ópticas, elétricas e morfológicas e aplicados como camada fotossensível de dispositivos fotovoltaicos orgânicos. Um solvente ecológico é apresentado para processar a heterojunção entre um polímero e uma molécula baseada em não fulerenos. Os dispositivos fotovoltaicos em estrutura de heterojunção em volume baseados em não fulereno apresentam performance fotovoltaica comparável aos dispositivos processados por solventes halogenados. Foi observado uma queda nos valores da tensão de circuito aberto nos filmes de o-MA. Essa perda de energia foi estudada levando em consideração a formação dos estados de transferência de carga (CT). Por meio das medidas espectroscópicas pode-se estimar os valores da energia dos estados CT, o qual foi responsável pela queda de energia nas células ecológicas. Com esse resultado foi possível verificar a veracidade da teoria que relaciona a tensão de circuito aberto com as propriedades de interface entre os materiais doadores e aceitadores de elétrons. Investigações da estabilidade dos dispositivos em diferentes solventes foi estudada. A maior estabilidade do dispositivo em atmosfera ambiente é diretamente relaciona ao solvente utilizado para processar a camada fotossensível. Solventes halogenados também foram avaliados no processamento da mistura de dois materiais doadores de elétrons. A utilização de mais um material doador de elétrons foi necessária para ampliar o espectro de absorção da camada ativa. A combinação entre os dois materiais resultou em um aumento da performance fotovoltaica, comparado aos materiais doadores isolados. Esse aumento da performance é relacionado às mudanças morfológicas e à interação entre os doadores de elétrons por meio da transferência de energia não radiativa. Por fim, a água como solvente foi utilizada para processar os filmes de nanopartículas. As nanopartículas baseadas na mistura de dois materiais doadores de elétrons e um material doador e um aceitador foram sintetizadas seguindo o método de miniemulsão. Dispositivos fotovoltaicos foram testados com a camada fotossensível baseada em nanopartículas. As respostas fotovoltaicas dos dispositivos foram correlacionadas com as propriedades ópticas e morfológicas dos filmes. Palavras-chave: Células Solares Orgânicas, Semicondutores Orgânicos, Solventes Ecológicos, Estados de Transferência de Carga, Aceitadores Não Fulerenos

Abstract: In this study, we presented organic semiconductor films processed by eco-friendly and halogenated solvents. The films properties were investigated using optical and morphological techniques and applied as photoactive layer in organic photovoltaic device. A food-additive solvent is used to process the semiconductors heterojunction based on non-fullerene acceptor. The device performance of non-fullerene based solar-cells processed by eco-friendly solvent has power conversion efficiency comparable to the halogenated solvent. We observed an energy loss due to open circuit voltage reduction when the device is processed by green solvent. We investigated the energy loss through charge-transfer (CT) state formation. Using the highly sensitive spectroscopic technique, the CT energy were deduced. We concluded that the reduction of CT energy is one of the those responsible for the energy loss observed in ecofriendly device. We also investigated the stability of the device processed by distinct solvents. The film composed of green solvent exhibited higher air stability than the films of halogenated solvent. Other halogenated solvents were investigated in the donor-materials blend. We have included two donors in order to extend the absorption spectrum. The power conversion efficiency of solar cells based on two donor materials is higher than the device construct with isolated materials. The increase on device performance was correlated to morphological changes and to nonradiative energy transfer between the two donors. Nanoparticles based on two-donor and donor-acceptor blend have been synthesized using the miniemulsion technique. The nanoparticles were dispersed in the eco-friendliest solvent, water. We have tested the nanoparticles films as photoactive layer of photovoltaic device. The photovoltaic properties were fully described by optical and morphological properties. Keywords: Organic Solar Cells, Organic Semiconductors, Eco-Friendly Solvent, Charge Transfer State, Non Fullerene Acceptors