Estudo teórico de propriedades físico-elétricas de dispositivos fotovoltáicos orgânicos

Abstract

Resumo: Neste trabalho foram realizadas simulações computacionais de uma célula solar orgânica de PSiF-DBT:C60 organizada em bicamada. Para tanto, fez-se uso do Método de Monte Carlo Cinético para incorporar todos os possíveis eventos associados aos éxcitons e as cargas livres que existem nos dispositivos fotovoltaicos. Verificou-se que a interface entre os materiais Doador/Aceitador desempenha um papel fundamental para a eficiência do dispositivo e, por isso, foi um dos parâmetros analisados ao longo do estudo destes dispositivos. Além da área interfacial, a mobilidade das cargas é o limitante para a geração de alta densidade de corrente elétrica. Em dispositivos fotovoltaicos orgânicos, há a geração de elétrons e buracos que se deslocam pelo material e dão origem à corrente. A mobilidade dos buracos é até três ordens de grandeza menor do que dos elétrons e, por isso, é a propriedade de transporte que domina sobre o dispositivo. Portanto, mapas de parâmetros foram construídos e analisados para verificar a influência que a mobilidade do buraco tem sobre os fenômenos de recombinação e dissociação. Resultados experimentais, fornecidos pelo DiNE - Grupo de Dispositivos Nanoestruturados da UFPR, foram utilizados para ajustar as curvas teóricas. Além do estudo de células solares, abordou-se a dinâmica da dissociação do éxciton na interface entre os materiais doador e aceitador. Em posse de uma teoria cinética previamente desenvolvida, o campo elétrico e desordens posicionais e energéticas foram incluídos nesse trabalho. As taxas que caracterizam os possíveis eventos na interface, bem como o quenching, foram analisadas em função do campo elétrico e do ângulo teta que orienta o vetor normal da interface em relação ao campo.

Abstract: In this work computational simulations were performed of a PSiF-DBT:C60 organic solar cell organized in bilayer. For this purpose, the Kinetic Monte Carlo Method was used to incorporate all the possible events associated with the excitons and the free charges that exist in OPVs. It was found that the interface between Donor/Acceptor materials plays a key role for device efficiency and, therefore, was one of the parameters analyzed throughout the study of these devices. In addition to the interfacial area, the mobility of charges is the limiting factor for the generation of high current density. In organic photovoltaic devices, there is the generation of electrons and holes that move through the material and give rise to the current. The mobility of holes is up to three orders of magnitude smaller than that of electrons, and so is the transport property that dominates the device. Therefore, parameter maps were constructed and analyzed to verify the influence that hole mobility has on recombination and dissociation phenomena. Experimental results, supplied by DiNE - UFPR’s Group of Nanostructured Devices, were used to adjust the theoretical curves. In addition to the study of solar cells, the dynamics of dissociation of exciton at the interface between donor and acceptor materials were addressed. In possession of a previously developed kinetic theory, the electric field and positional and energetic disorders were included in this work. The rates that characterize the possible events on the interface, as well as the quenching, were analyzed according to the electric field and the angle teta that guides the normal vector of the interface in relation to the field.