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Tese de Doutorado
Documento
Autor
Nome completo
Francineide Lopes de Araújo
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2018
Orientador
Banca examinadora
Faria, Roberto Mendonça (Presidente)
Cremona, Marco
Gozzi, Giovani
Nogueira, Ana Flavia
Pereira, Maria Luiza Rocco Duarte
Título em português
Estudo das propriedades de transporte e recombinação de cargas em células solares orgânicas: efeitos de aditivo e de degradação
Palavras-chave em português
Célula solar orgânica
Degradação
Efeitos de aditivo
Fator de redução de recombinação
Mobilidade
Resumo em português
As células solares orgânicas, ou dispositivos fotovoltaicos orgânicos (OPVs), vêm se consolidando como uma tecnologia promissora para a geração de energia limpa e renovável devido aos progressos observados nos últimos anos em termos de eficiência e, sobretudo, ao seu baixo custo e facilidade de processamento, e à sua adaptabilidade à eletrônica flexível. Entretanto, ainda se faz necessário aumentar sua eficiência, sua estabilidade e seu tempo de vida de operação. Esses desafios só serão superados por meio de uma melhor compreensão dos processos de geração e de recombinação dos portadores fotogerados, e dos fenômenos de transporte eletrônico ao longo do dispositivo, desde a geração dos portadores até sua coleta pelos eletrodos. A perda de propriedades quando em operação sob condições ambientais é outro obstáculo a ser vencido, e para isso, é necessário conhecer as razões que provocam a degradação do dispositivo. Neste contexto, esta tese tem por objetivo o estudo de propriedades fundamentais que governam a geração, recombinação, transporte e coleta de cargas pelos eletrodos de células solares orgânicas com estrutura ITO/PEDOT:PSS/PTB7-Th:PC71BM/Ca/Al em diferentes condições de funcionamento. Em específico, em atmosfera inerte de nitrogênio e em atmosfera ambiente. O primeiro passo nesse sentido foi a fabricação e otimização dos dispositivos através de diferentes métodos experimentais. Conseguimos progredir muito na parte de confecção, produzindo células OPVs com eficiência de 7,85 %. Posteriormente, realizamos um estudo comparativo entre dois dispositivos com essa estrutura, sendo a diferença entre eles a adição de um aditivo durante a preparação da camada ativa (PTB7-Th:PC71BM): a molécula de 1,8-diiodooctano (DIO). Os dispositivos foram então caracterizados por técnicas de absorção de UVVis e Microscopia de Força Atômica (AFM). Os estudos elétricos dos dispositivos foram realizados por medidas de J-V no escuro e sob iluminação (1 sol), em diferentes temperaturas (150 a 300 K). Com o auxílio da equação de Mott-Gurney obtivemos os valores de mobilidade eletrônica (μ) dos portadores de cargas, para diferentes temperaturas, em ajustando-se as curvas de retificação no escuro. Os ajustes das respostas J-V (fotocorrente) sob iluminação foram ajustadas por uma equação derivada da cinética das taxas de geração e extração, em considerando-se cinética de segunda ordem para a recombinação bimolecular, de onde extraímos a razão μ2k (k é o coeficiente de recombinação) também para diferentes temperaturas. Deste estudo, foi possível concluir que o efeito do DIO na morfologia da camada ativa melhora o processo de condução por hopping e diminui o coeficiente de recombinação, o que possibilita um melhor desempenho fotovoltaico do dispositivo. Esse estudo permitiu obter o fator de redução (ζ) do coeficiente de recombinação, e sua variação com a temperatura. O nosso último estudo foi investigar os mecanismos de degradação de um dispositivo com DIO exposto em condições ambientais, sobretudo devido à ação do oxigênio. Nesse estudo foram realizadas medidas de Foto-CELIV (Extração da Corrente pelo Aumento Linear da Tensão -CELIV) e os ajustes das curvas de J-V sob iluminação foram feitos pela equação de circuito equivalente de uma célula solar dos quais obteve-se a variação das resistências série e paralelo em função do tempo de exposição ao ambiente.
Título em inglês
Study of transport properties and recombination of charges in organic solar cells: effects of additive and degradation
Palavras-chave em inglês
Additive effects
Degradation
Mobility
Organic solar cells
Recombination reduction factor
Resumo em inglês
Organic solar cells, or organic photovoltaics devices (OPVs), have been consolidating as a promising technology for the generation of clean and renewable energy due to the progress observed in recent years in terms of efficiency, and above all by its low cost and ease of processing, and their adaptability to flexible electronics. However, it is still required to increase its efficiency, its stability and its operating life. These challenges will only be overcome through a better understanding of the processes of generation and recombination of the photogenerated carriers, and of the phenomena of electronic transport throughout the device, from the generation of the carriers to their collection by the electrodes. The loss of properties when operating under environmental conditions is another obstacle to be overcome, and for this, is mandatory to well known the reasons of degradation effects. In this context, this thesis aims at the study of fundamental properties that govern the generation, recombination, transport and collection of charges by the electrodes, at different operating conditions, having ITO/PEDOT:PSS/PTB7-Th:PC71BM/Ca/Al as structure. Specifically, in an inert atmosphere of nitrogen, and in an ambient atmosphere. The first step in this direction was the manufacturing and optimization of the devices through different experimental methods. We achieved a great of progress in the manufacturing process, producing OPV cells with 7.85% efficiency. Afterward, we performed a comparative study between two devices of this structure, the difference between them being the addition of an additive during the preparation of the active layer (PTB7-Th: PC71BM): the 1,8-diiodooctane (DIO) molecule. The devices were then characterized by UV-Vis absorption techniques and Atomic Force Microscopy (AFM).The electrical studies of the devices were performed by J-V measurements, in the dark and under illumination (1 sol), at different temperatures (150 to 300 K). With the aid of the Mott-Gurney equation we obtained the values of electronic mobility (μ) of the charge carriers, for different temperatures, by adjusting the rectification curves in the dark. The adjustments of the JV responses under illumination were obtained by an equation that was derived from the kinetics of the generation and extraction rates, considering second-order kinetics for bimolecular recombination. From such fitting, it was extracted the μ2k ratio (k is the coefficient of recombination) also for different temperatures. From this study, it was possible to conclude that the effect of DIO on the active layer morphology improves the hopping conduction and decreases the recombination coefficient, leading to a better photovoltaic performance of the device. This study allowed to obtain the reduction factor (ζ) of the recombination coefficient, and its variation with temperature. Our last study was to investigate the mechanisms of degradation of a device with DIO exposed in environmental conditions, mainly due to the action of oxygen. In this study, photo-CELIV (Current Extraction by Linear Increasing Voltage - CELIV).technique was performed and the adjustments of the J-V curves under illumination were made by the equivalent circuit equation of a solar cell, from which the variation of the series and parallel resistances was obtained as a function of the exposure time to the environment.
 
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Data de Publicação
2019-05-03
 
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