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Tese de Doutorado
DOI
https://doi.org/10.11606/T.18.2020.tde-09122020-130810
Documento
Autor
Nome completo
Mariana Richelle Pereira da Cunha
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2020
Orientador
Banca examinadora
Faria, Roberto Mendonça (Presidente)
Coutinho, Douglas José
Gonçalves, Renato Vitalino
Macedo, Andreia Gerniski
Reis, Françoise Toledo
Título em português
Estudos de propriedades elétricas de dispositivos fotovoltaicos orgânicos: caracterização em regime estacionário e transiente
Palavras-chave em português
circuito equivalente
dispositivos fotovoltaicos orgânicos
recombinação de carga
transientes elétricos
Resumo em português
O desenvolvimento de células solares orgânicas com estrutura do tipo BHJ (bulk heterojuntion) permitiu, ao longo dos últimos anos, um aumento significativo da eficiência de conversão de células orgânicas tornando assim cada vez mais próxima a sua utilização em larga escala. E como fator essencial para o aprimoramento e desenvolvimento de dispositivos mais eficientes está o conhecimento dos fenômenos que envolvem o processo fotovoltaico e de seus fatores limitantes. Neste sentido, na presente tese de doutoramento foram estudados os fenômenos que regem a geração, transporte e recombinação de carga, os quais governam a resposta do dispositivo sob operação. Para isto, inicialmente, trabalhou-se na otimização e caracterização fotovoltaica, através de medidas estacionárias J-V e de medidas de transientes elétricos, de dispositivos do tipo BHJ tendo três diferentes camadas ativas: P3HT:PC61BM, PCDTBT:PC71BM e PTB7-Th:PC71BM. A investigação da dinâmica de extração e recombinação de carga deu-se principalmente através de medidas de transientes elétricos baseadas nas tradicionais técnicas de transiente de fotocorrente (TPC) e transiente de fotovoltagem (TPV). No circuito elétrico experimental proposto para a realização das medidas foi adicionada uma resistência de carga (RL) variável, atuando como um divisor de tensão com a resistência em série (Rs) do dispositivo, com o qual foi possível percorrer todo o quarto quadrante da curva característica J-V do dispositivo sob iluminação, isto é, da condição de curto-circuito à condição de circuito aberto. Com o patamar de tensão, devido à iluminação permanente, foi possível reconstruir a curva de corrente estacionária correspondente à tradicional medida com tensão aplicada (J-V). Os transientes elétricos ΔV(t), que foram obtidos sob a incidência do pulso de laser, apresentaram decaimento monoexponencial, com os quais obtivemos as curvas de tempo de relaxação (τ) em função da resistência RL em dispositivos sob diferentes condições de iluminação permanente, partido do escuro até 1 Sol (100 mW/cm2). Tais medidas foram repetidas para diferentes temperaturas. As curvas foram divididas em três regiões distintas. Na região I identificamos o domínio da extração de carga; na região II a competição entre os dois mecanismos, extração e recombinação; e por fim, na região III, o domínio da recombinação bimolecular. Adicionalmente, as curvas de τ-RL foram analisadas utilizando o modelo de circuito equivalente com o qual foi possível obter uma expressão analítica capaz de descrever todo o comportamento da curva. A partir do estudo utilizando um modelo analítico de fotocorrente, baseado na cinética de recombinação de segunda ordem, foram obtidas a dependência de parâmetros como a probabilidade de dissociação do estado de transferência de carga (CT) e o parâmetro θ (figura de mérito) com a temperatura, com os quais analisamos a influência de propriedades microscópicas, tais como mobilidade de carga e coeficiente de recombinação, na resposta do dispositivo sob iluminação.
Título em inglês
Studies of electrical properties of organic photovoltaic devices: characterization in stationary and transient regime
Palavras-chave em inglês
electrical transients
equivalent circuit
organic photovoltaic devices
recombination of charge carriers
Resumo em inglês
The development of organic solar cells of BHJ type (bulk heterojuntion) has allowed, over the past few years, a significant increase in the power conversion efficiency, thus making closer their use on a large scale. The knowledge of the phenomena that involve the photovoltaic process and its limiting factors are essential factor for the improvement and development of more efficient devices. In this sense, in the present doctoral thesis, the phenomena that govern the generation, transport and recombination of photocarrier were studied, which are responsible for device under operation. For this, initially, photovoltaic optimization and characterization were performed, through J-V stationary measurements and electrical transient measurements, having three different active layers in the BHJ cells: P3HT:PC61BM, PCDTBT:PC71BM e PTB7-Th:PC71BM. Investigations of charge extraction dynamics of and recombination took place mainly through measurements of electrical transients based on the traditional photocurrent transient (TPC) and photovoltaic transient (TPV) techniques. In an equivalent circuit, proposed to explain the measurements, a variable load resistance (RL) was added, acting as a voltage divider with the series resistance (Rs) of the device, with which it was possible to cover the entire fourth quadrant of the curve, from the short circuit condition to the open circuit one. With the base line voltage, due to the standing lighting, it was possible to reconstruct the stationary current curve corresponding to the traditional measure with applied voltage (J-V). The electrical transients ΔV(t), obtained under the incidence of the laser pulse, showed monoexponential decay, with which we obtained the relaxation time curves (τ) as a function of the resistance RL of the devices under different conditions of standing lighting, from the dark to 1 Sun (100 mW/cm2). Such measurements were repeated for different temperatures. The curves were divided into three distinct regions. In region I, we identified the domain of extraction of charge carriers; in region II, the competition between the two mechanisms, extraction and recombination; and finally, in region III, the domain of bimolecular recombination. In addition, the τ-RL curves were analyzed using na equivalent circuit, with which was possible to obtain an analytical expression to describing the entire behavior of the τ-RL curve. Besides, from the study using a photocurrent analytical model, based on second order recombination kinetics, parameters as the probability of dissociation of the charge transfer state (CT) and the figure of merit θ with temperature were obtained. From this, we analyze the influence of microscopic properties, such as charge carrier mobility and recombination coefficient as the response of the device under lighting.
 
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Data de Publicação
2021-06-18
 
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