Dispositivos fotovoltaicos orgânicos : estudo de camadas ativas e eletrodos

Abstract

Resumo: Neste trabalho, apresentamos os estudos de eletrodos e camadas ativas no desenvolvimento de células solares orgânicas. O óxido de estanho (SnO ) apresenta características interessantes para a aplicação como eletrodo transparente: quando depositado em um substrato de vidro formando filme fino, apresenta-se semi-transparente ao espectro da luz visível e é capaz de conduzir eletricidade. A otimização das características elétricas é feita pela dopagem do óxido com flúor. Apresentamos resultados experimentais e teóricos na caracterização dos óxidos sem dopagem, com dopagem moderada e alta dopagem de flúor. Os dispositivos fotovoltaicos orgânicos foram caracterizados tendo como base dois polímeros conjugados: o politiofeno (PT) e um novo derivado de tiofeno, Poli(9,9'-dioctil-2,7-fluorenodiilvinileno-co-5,5’-(benzo[1,2,5]tiadiazol- 4,7diil)ditiofeno)(PFTBT). A deposição da camada ativa do primeiro polímero é feita por eletroquímica e os dispositivos foram feitos em estutura monocamda, apresentando bons resultados para eficiência quântica externa. A fabricação de dispositivos fotodectores permitiu a aplicação tecnológica dos dispositivos em matrizes de detecção posicional. As camadas ativas geradas pelo segundo polímero foram obtidas pelo processo de deposição por centrifugação de solução. Os resultados fotovoltaicos são apresentados em três estruturas diferentes: monocamada, bicamada e heterojunção de volume. Os dispositivos bicamada revelam-se mais eficiêntes que os de heterojunção. Uma das verificações desta diferença está na estimativa para a taxa de éxcitons gerados na camada ativa:este valor é maior para o caso de heterojunção, no entanto, a probabilidade destas cargas se dissociarem é menor quando comparada a dispositivos bicamada. Alguns nanocompósitos também foram estudados para a aplicação em fotovoltaicos: misturas de polímero conjugado com nanotubos de carbono e misturas de polímero conjugado com nanopartículas de ouro. No primeiro caso, dois polímeros foram estudados, o comerical Poli(3-hexil tiofeno) (P3HT) e o não-comercial Poli(9,9-dihexilfluorenodiil- vinileno-alt-1,4-fenilenovinileno) (PDHFPPV). A interação entre os diferentes polímeros e os nanotubos de carbono são apresentadas em termos da caracterização óptica e elétrica. A inserção de nanopartículas de ouro na matriz do polímero P3HT revela a diminuição de eficiência de foto-conversão quando estes materiais são estudados como camadas ativas em dispositivos fotovoltaicos. Este fato pode estar associado à dificuldade na transferência de cargas das nanopartículas para o polímero, devido a este apresentar camada passivadora de dodecanotióis.

Abstract: In this work, we present studies of electrodes and active layers in the development of organic solar cells. The tin oxide (SnO2) presents interesting features for application as transparent electrode: when deposited on a glass substrate to form thin film, presents semi-transparent to visible light spectrum and is capable of conducting electricity. The optimization of electrical characteristics is made by doping the oxide with fluorine. We present experimental results and theoretical characterization of the oxides without doping, moderate doping and high doping of fluorine. The organic photovoltaics have been characterized based on two conjugated polymers: the polythiophene (PT) and a new derivative of thiophene, the poly (9,9 '- dioctyl-2 ,7-fluorenedyilvinylene-co-5, 5'-(benzo [ 1,2,5] thiadiazole-4, 7dyil) dithiophene) (PFTBT). The deposition of the active layer of the first polymer is made by electrochemistry and the devices were made in monolayer structure, showing good results for external quantum efficiency. The fabrication of fotodetectors devices allowed the application of technological devices in arrays of positional detection. The active layers generated by the second polymer were obtained by chemical deposition. Photovoltaic results are presented in three different structures: monolayer, bilayer and bulk heterojunction. Bilayer devices appear more efficient than the bulk heterojunction. One of the findings of this difference is the estimate for the rate of excitons generated in the active layer: this value is larger for the heterojunction case, however, the probability to exciton dissociation in free charges is lower when compared to bilayer devices. Nanocomposites were also studied for application in photovoltaics: mixtures of conjugated polymer with carbon nanotubes and mixtures of conjugated polymer with gold nanoparticles. Two polymers were studied in the first case, the commercial Poly (3- hexyl thiophene) (P3HT) and non-commercial poly (9,9-di-hexilfluorenodiil-vinylenealt- 1 ,4-phenylenevinylene) (PDHFPPV). The interaction between different polymers and carbon nanotubes are presented in terms of optical and electrical characterization. The insertion of gold nanoparticles in a polymer matrix P3HT show the decrease in efficiency of photo-conversion when these materials are studied as active layers in photovoltaic devices. This may be associated with difficulty in transferring charges from nanoparticles to the polymer, due to the passivating layer capping the nanoparticles.