Estudo da degradação de células solares orgânicas a partir de ajustes teóricos de medidas JxV no escuro

Abstract

Resumo: Temos visto, nos últimos anos, uma crescente preocupação com o meio ambiente em conjunto com um aumento na procura por fontes de energia renováveis. Devido a isso, houve um aumento considerável na demanda por células solares mais eficientes. Células solares inorgânicas, baseadas em silício, foram desenvolvidas e aperfeiçoadas ao longo de algumas décadas e hoje dominam o mercado. No entanto, outras tecnologias vem sendo desenvolvidas para suprir a demanda por energia limpa e renovável. O campo de estudo de células solares orgânicas (OPVs) é novo, porém, avançou exponencialmente nas últimas décadas com células cada vez mais eficientes e duradouras. Atualmente, um dos grandes problemas enfrentados pelos OPVs é o curto tempo de vida, tornando-os pouco competitivos comercialmente, quando comparados com as células de silício. Por isso, estudos de degradação em condições reais de funcionamento são importantes, porém, pouco realizados. O presente trabalho tem como objetivo analisar, através de medidas elétricas de J x V, um painel solar orgânico comercial sob condições reais de funcionamento. Após um ano de medidas, foi observada uma mudança no comportamento elétrico do painel, onde houve uma transição entre um regime de corrente limitada por injeção, para um regime limitado por transporte (J alfa V 2). Essa mudança de comportamento pode ser explicada por uma provável degradação na morfologia da camada ativa da célula estudada, causando uma redução da mobilidade efetiva dos portadores de carga e um consequente acúmulo de cargas no dispositivo. Determinamos que as primeiras curvas obtidas seguem o modelo de emissão termiônica de Richardson-Schottky e após a degradação, passamos a observar um comportamento de corrente limitada por carga espacial, descrito pela equação de Mott-Gurney. Com isso, foram realizados ajustes teóricos nas medidas experimentais, onde foram obtidos parâmetros importantes para a caracterização do dispositivo estudado.

Abstract: We have seen, in recent years, a growing concern for the environment together with an increase in the demand for renewable energy sources. Due to this, there has been a considerable increase in the demand for more efficient solar cells. Inorganic, silicon-based solar cells were developed and perfected over a few decades and today dominate the market. However, other technologies have been developed to meet the demand for clean and renewable energy. The field of study of organic solar cells (OPVs) is new, however, it has advanced exponentially in the last few decades with increasingly efficient and long-lasting cells. Currently, one of the major problems faced by OPVs is their short lifespan, making them less commercially competitive when compared to silicon cells. Therefore, degradation studies in real operating conditions are important, however, little performed. The present work aims to analyze, through electrical measurements of J x V, a commercial organic solar panel under real operating conditions. After one year of measurements, a change in the electrical behavior of the panel was observed, where there was a transition between a injection limited current regime, to a transport limited current regime (J alfa V 2). This change in behavior can be explained by a probable degradation in the morphology of the active layer of the cell studied, causing a reduction in the effective mobility of charge carriers and a consequent accumulation of charges in the device. We determined that the first curves obtained follow the Richardson-Schottky thermionic emission model and after the degradation, we started to observe a current behavior limited by space charge, described by the Mott-Gurney equation. Thus, theoretical adjustments were made to the experimental measurements, where important parameters were obtained for the characterization of the device studied.