Células solares orgânicas baseadas nas estruturas heterojunção em bicamada e heterojunção de volume

Abstract

Resumo: Neste trabalho, dispositivos fotovoltaicos orgânicos baseados na combinação de materiais doadores e aceitadores de elétrons são apresentados em duas estruturas distintas conhecidas como heterojunção em bicamada e heterojunção de volume. Os dispositivos em bicamada foram caracterizados tendo como camada fotossensível quatro copolímeros baseados em unidades de fluoreno e tiofeno. O primeiro dispositivo apresentado é composto pela bicamada do polímero comercial F8T2 com o fulereno C60. Nos dispositivos de F8T2, foi investigado o efeito de diferentes espessuras da camada polimérica no desempenho dos dispositivos e foi possível estimar valores de mobilidade de portadores de cargas efetiva para cada espessura, sendo que o valor mais alto foi encontrado para a espessura igual a 30 nm. Com essa mesma estrutura em bicamada foi possível a fabricação e caracterização de dispositivos em substratos flexíveis. Os outros três materiais estudados em heterojunção bicamada são polímeros compostos por unidades de fluoreno e tiofeno, nos quais a quantidade de tiofenos é sistematicamente variada: LaPPS 23 (fluoreno- tiofeno), LaPPS 43 (fluoreno-bitiofeno) e LaPPS 45 (fluoreno-tertiofeno). Quando não são submetidos a tratamento térmico, a camada fotossensível composta pelo material com maior quantidade de tiofenos (LaPPS 45) apresentou maior eficiência de conversão de potência. No entanto, quando os filmes são submetidos a tratamento térmico, o melhor desempenho foi encontrado para o LaPPS 43 (200 °C) devido a um aumento considerável na mobilidade de buracos neste material. Dispositivos em heterojunção de volume baseados na mistura do F8T2 com o fulereno PCBM foram testados com diferentes temperaturas de tratamento térmico da camada fotossensível. Observou-se a melhoria do desempenho dos dispositivos com o aumento da temperatura de tratamento térmico. Nanopartículas baseadas na mistura de polímero-polímero e polímero-fulereno foram sintetizadas em meio aquoso pelo método da miniemulsão. Dispositivos fotovoltaicos foram testados com filmes depositados por centrifugação e por doctor blade. As propriedades de transporte elétrico nestas nanopartículas foram descritas por um modelo fenomenológico que relaciona a morfologia intrínseca dos filmes às respostas fotovoltaicas.

Abstract: In this work, we present organic photovoltaic devices based on the combination of an electron donor and an acceptor material in two distinct structures known as bilayer heterojunction and bulk heterojunction. The bilayer devices have been characterized based on four copolymers composed of fluorene and thiophene units. First, it is presented the bilayer device based on the commercial polymer F8T2 with the fullerene C60. In these F8T2 devices, the effect on the device performance of different polymer layer thickness was investigated, and it was possible to estimate the effective charge carrier mobility for each thickness, whereas the highest value was found for the polymer thickness of 30 nm. In the same bilayer structure, it was possible to manufacture and characterize devices made on flexible substrates. The other three materials tested in the bilayer heterojunction are polymers composed of fluorene and thiophene units in which the amount of thiophene unites is systematically varied: Lapps 23 (fluorene-thiophene) Lapps 43 (fluorene-bithiophene), and Lapps 45 (fluorene-terthiophene). Among them, the highest power conversion efficiency for the as cast device was found for the one with the highest amount of thiophene units (Lapps 45). However, for annealed devices, the best performance was found for LaPPS 43 (200 °C) due to the remarkable increase in the hole mobility value for this material. Bulk heterojunction devices based on the blend of F8T2 with the fullerene PCBM were tested at different annealing temperatures of the blend layer. It was found that device efficiency improves with the increase in the annealing temperature. Nanoparticles based on polymer-polymer and polymer-fullerene blends have been synthesized in aqueous medium by the miniemulsion method. Photovoltaic devices have been tested whereas the nanoparticle films were deposited by spin coating and by doctor blade coating. The electrical transport properties of the nanoparticle films are fully described by a phenomenological model that relates intrinsic film morphology to the photovoltaic response.