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Tese de Doutorado
DOI
Documento
Autor
Nome completo
Livia Maria de Castro Sousa
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2018
Orientador
Banca examinadora
Faria, Roberto Mendonça (Presidente)
Alves, Neri
Balogh, Debora Terezia
Ferreira, Marystela
Olivati, Clarissa de Almeida
Título em português
Células fotovoltaicas orgânicas do tipo heterojunção de volume fabricadas a partir de solventes não halogenados
Palavras-chave em português
Células solares orgânicas (BHJ)
Ciclohexanona
P3HT
PTB7-Th
Resumo em português
A crescente demanda energética mundial vem estimulando pesquisas em novas fontes de energia limpa e renovável e de baixo custo. Nesse contexto, as células solares orgânicas (fotovoltaicos orgânicos – OPVs) destacam-se como uma alternativa promissora no campo dos fotovoltaicos. Por serem fabricadas a partir de soluções eletrônicas, sua fabricação se dá deposição sobre substratos rígidos ou flexíveis, e com isso, também por técnicas de impressão. Muitas moléculas poliméricas têm mostrados excelentes resultados, porém o desempenho das células dependem também da morfologia do filme ultrafino da camada ativa, a qual depende do processamento e sobretudo da atividade dos solventes orgânicos. Até o momento, a maioria dos solventes usados para a fabricação das OPVs de alto desempenho é da classe dos halogenados, como por exemplo, o clorobenzeno e o 1,2-diclorobenzeno. Esses solventes, além de exibirem alto custo de produção, apresentam toxicidade relativamente alta, com impactos adversos à saúde humana e ao meio ambiente. Visto que a tecnologia dos OPVs está próxima de sua comercialização, a procura por solventes alternativos de baixa toxicidade coloca-se como um desafio a essa área. Neste trabalho, identificou-se por meio dos parâmetros de solubilidade de Hansen, um solvente da classe dos não halogenados e não aromáticos com baixa toxicidade ao ser humano e ambientalmente amigável para ser aplicado como solvente de processamento de células solares orgânicas do tipo heterojunção de volume (BHJ). Para isso, os possíveis solventes foram avaliados segundo os parâmetros de solubilidade de Hansen para os polímeros, P3HT e PTB7-Th, e para as moléculas PC61BM e PC71BM, levando em consideração os critérios de riscos com base na ficha de segurança de produtos químicos. Desse modo, a ciclohexanona foi selecionada por conter as características desejadas para o estudo proposto no presente trabalho. As soluções de P3HT e de PTB7- Th em ciclohexanona foram avaliadas quanto à influência da temperatura das soluções na conformação dos polímeros, a partir da técnica de termocromismo. Os resultados revelam necessidade de aquecimento para que haja uma conformação menos agregada tanto do P3HT quanto do PTB7-Th em solução de ciclohexanona. Os filmes de P3HT:PC61BM e PTB7-Th:PC71BM foram depositados pela técnica de spin-coating sobre substratos de vidro e estudos sobre sua morfologia foram realizados por técnicas de imagens de microscopia óptica, AFM e medidas de absorção pela técnica UV-vis, e correlacionadas ao desempenho das células fabricadas. Os resultados obtidos foram promissores uma vez que nesse trabalho conseguimos células de até 5,5 % de eficiência.
Título em inglês
Organic photovoltaic cells bulk-heterojunction manufactured from non-halogenated solvents
Palavras-chave em inglês
Cyclohexanone
Organic solar cells (BHJ)
P3HT
PTB7-Th
Resumo em inglês
The growing global demand for energy has been stimulating research into new sources of clean and renewable energy and low cost. In this context, organic solar cells (organic photovoltaic - OPVs) stand out as a promising alternative in the field of photovoltaics. Because they are manufactured from electronic solutions, it can be deposited on rigid or flexible substrates, facilitating their production by printing techniques. Many polymer molecules have shown excellent results, but the performance of the cells also depends on the morphology of the ultrathin film of the active layer, which depends on the processing and above all the activity of the organic solvents. To date, most of the solvents used in the manufacture of high-performance OPVs belong to the halogen class, for example chlorobenzene and 1,2-dichlorobenzene. These solvents, in addition to exhibiting high cost of production, have relatively high toxicity, with adverse impacts on human health and the environment. Since the technology of OPVs is close to commercialization, the search for low-toxicity alternative solvents poses a challenge in this area. In this work, Hansen's solubility parameters were used to identify solvents of non-halogenated and non-aromatic class with low toxicity to humans and environmentally friendly, as substitutes of traditional solvents used to process organic solar cells (BHJ). For this, several solvents were evaluated according to the Hansen solubility parameters for the polymers, P3HT and PTB7-Th, and for the molecules PC61BM and PC71BM, taking into account the risk criteria based on the chemical safety data sheet. The solutions of P3HT and PTB7-Th in cyclohexanone were evaluated taking into account the influence of the temperature of the solutions on the conformation of the polymers, using the thermochromic technique. The solutions of P3HT and PTB7-Th in cyclohexanone were evaluated taking into account the influence of the temperature of the solutions on the conformation of the polymers, using the thermochromic technique. The resulted morphology was then correlated with the devices performance. The results obtained were promising since in this work we obtained cells of up to 5.5% efficiency.
 
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Data de Publicação
2019-06-25
 
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