Nanoarquitetura de semicondutores orgânicos à base de água para aplicação em camadas ativas de células solares

Abstract

Resumo: Dispersões de materiais semicondutores usados para a produção de fotovoltaicos orgânicos são comumente feitas à base de solventes orgânicos, como clorofórmio ou clorobenzeno que apresentam altos riscos à saúde e ao meio ambiente. Em maiores quantidades, esses solventes podem ser letais e exigem manuseio especializado, o que eleva os custos de produção nas fábricas. O objetivo principal deste estudo foi a síntese de nanopartículas doadoras, aceitadoras e doadoras:aceitadoras em dispersão estável em água, um solvente atóxico e ambientalmente amigável, adequadas para deposição de filmes fotovoltaicos. Esse trabalho comparou dois métodos de síntese de nanopartículas: por miniemulsão e reprecipitação, estudando também a variação de solventes e surfactantes, incluindo alternativas não comuns como o BCF e o GO. Este trabalho também comparou o desempenho de aceitadores de fulereno e não-fulereno nas soluções de nanopartículas e foram produzidos dispositivos fotovoltaicos orgânicos para avaliar o uso prático desses materiais como camadas ativas. A deposição dos filmes foi realizada com êxito por métodos como Drop Casting, Spin Coating, Blade Coating e Slot Die Coating, tanto em substratos de vidro quanto flexíveis, indicando a viabilidade de adaptação para impressão em rolo a rolo. A análise morfológica das deposições dos filmes de nanopartículas apresentou filmes de nanopartículas homogêneos e bem distribuídos pelos filmes por diversos métodos de deposição. Nanopartículas com diâmetros controlados de 6 nm a 100 nm foram obtidas e confirmadas pela técnica de DLS. As dispersões obtidas são altamente estáveis, com potenciais zeta atingindo -35 mV e algumas com mais de 3 anos de estabilidade. A caracterização óptica evidenciou a transferência de carga entre todos os materiais doadores e aceitadores dentro das nanoestruturas. As nanopartículas obtidas possuem alta estabilidade sob iluminação, temperatura e umidade, tanto em filmes como em dispositivos completos. Dispositivos fotovoltaicos orgânicos fabricados com as nanopartículas à base de água mostraram parâmetros de tensão de circuito aberto (Voc) e densidade de corrente de curto-circuito (Jsc) promissores, confirmando a viabilidade dos materiais para aplicações

Abstract: Dispersions of semiconductor materials used for the production of organic photovoltaics are commonly based on organic solvents, such as chloroform or chlorobenzene, which pose significant health and environmental risks. In larger quantities, these solvents can be lethal and require specialized handling, increasing production costs in factories. The main objective of this study was the synthesis of donor, acceptor, and donor:acceptor nanoparticles in a stable water dispersion, a non-toxic and environmentally friendly solvent suitable for the deposition of photovoltaic films. This work compared two methods of nanoparticle synthesis: miniemulsion and reprecipitation, also studying variations in solvents and surfactants, including uncommon alternatives like BCF and GO. The study also compared the performance of fullerene and non-fullerene acceptors in nanoparticle solutions, and organic photovoltaic devices were produced to evaluate the practical use of these materials as active layers. The deposition of the films was successfully carried out using methods such as drop casting, spin coating, blade coating, and slot die coating, on both glass and flexible substrates, indicating the viability of adapting for roll-to-roll printing. The morphological analysis of the nanoparticle film deposits revealed homogeneous and well-distributed films obtained by various deposition methods. Nanoparticles with controlled diameters ranging from 6 nm to 100 nm were obtained and confirmed by DLS technique. The dispersions obtained are highly stable, with zeta potentials reaching -35 mV and some showing over 3 years of stability. Optical characterization demonstrated effective charge transfer between all donor and acceptor materials within the nanostructures. The nanoparticles obtained exhibit high stability under light, temperature, and humidity, both in films and in complete devices. The organic photovoltaic devices made with the water-based nanoparticles as the active layer showed promising open-circuit voltage (Voc) and short-circuit current density (Jsc) parameters, confirming the viability of the materials for practical applications