Analysis of key loss mechanisms in organic solar cells
- Autores: Núria Fernández Montcada
- Directores de la Tesis: Emilio J. Palomares Gil (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat Rovira i Virgili ( España ) en 2014
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Jenny Nelson (presid.), Lluís F. Marsal Garví (secret.), Roberto Pacios (voc.)
- Materias:
- Texto completo no disponible (Saber más ...)
- Resumen
Actualment, els dispositius més utilitzats són els basats en silici, que tot i que permeten conversions energètiques aproximadament el 35% i que cobreixen més del 85% del mercat de la fotovoltaica, el silici és un material escàs i per tant n'encareix la fabricació i per altra banda tot i tenir temps de vida de més de 20-25 anys, estan fabricades amb materials que no es poden reciclar. Per aquests motius, una de moltes alternatives, on la comunitat científica ha mostrat especial interès, és en el disseny de nous materials orgànics (tant polímers com molècules més petites de pes molecular reduït) que sobretot abarateix el cost d'aquest dispositius tot i que els valors d'eficiència siguin inferiors, de l'ordre del 12%.
De moment, es poden tenir en compte 3 grans blocs (els més representatius) en quant a l'estudi, amb la finalitat d'obtenir una escalabilitat rentable empresarialment: en un primer lloc l'obtenció d'eficiències prou elevades per poder competir amb les altres energies renovables a partir d'estratègies noves per al disseny dels dispositius, tant en termes de nano-morfologia dels materials semiconductors com en diferents nano-estructures. En segon lloc la millora del temps de vida i l'estabilitat dels dispositius; i, en tercer lloc la reducció dels costos de fabricació, com ara el reemplaçament dels elèctrodes, utilitzar substrats flexibles o l'estudi de nous materials semiconductors.
Per altra banda l'estudi del funcionament intern d'aquests, com ara les dinàmiques de recombinació, han esdevingut una part essencial en qualsevol dels 3 punts esmentats anteriorment, per tal d'entendre amb profunditat els sistemes i poder optimitzar-los de la millor manera.
El principal objectiu d'aquesta tesi és l'estudi de diferents nous materials semiconductors capaços d'absorbir llum de manera eficient i convertir-la en energia aprofitable a partir d'un estudi a profunditat dels fenòmens elèctrics que tenen lloc a l'interior dels dispositius així com les dinàmiques de càrrega a tots els nivells (generació, recombinació i recol·lecció).
A continuació es descriu un breu resum de tots els capítols que conformen aquesta tesi, definint-ne els objectius i les principals conclusions: El capítol 1, consta d'una introducció de concepte general dels dispositius fotovoltaics orgànics actuals: basats en polímer i molècula petita, així com els tipus de nano-morfologies que es poden dissenyar, la descripció de cada un dels materials utilitzats surant la fabricació, la seva funció i finalment el sistema d'operació d'una cel·la fotovoltaica orgànica a nivell genèric.
En el 2n i 3r capítol s'exposen, respectivament, les motivacions a l'hora de realitzar la present tesis doctoral així com els principals objectius i descripció dels capítols que la composen, i totes les tècniques dutes a terme per realitzar tots els estudis descrits als 4 capítols següents.
Al 4rt capítol es descriu un estudi basat en la comparació entre els 2 polímers més coneguts i utilitzats, com és el P3HT i el PTB7 (dispositius fabricats a IKERLAN). En aquest apartat es realitza un estudi complert de simulacions a condicions de treball mitjançant tècniques optoelectròniques desenvolupades al nostre grup com el sistema de extracció de càrregues (CE) o el transients fotovoltaics (TPV), entre d'altres; i es comparen amb altres mètodes purament elèctrics com és la espectroscòpia d'impedància (IS) (resultats facilitats per la Universitat Jaume I de Castelló). D'aquesta manera, determinar els desviaments en el comportament entre els dos polímers, com per exemple variacions en les dinàmiques de transport, la selectivitat dels contactes, les resistències elèctriques relacionades al transport en el material, i finalment determinar els principals punts de recombinació. Aquest treball proporciona una guia d'interpretació dels resultats utilitzant aquests dos tipus de tècniques. Al final del capítol es demostra que el P3HT mostra mobilitats de càrregues superiors (menys recombinació per transport) i millor selectivitat dels contactes permetent la fabricació de dispositius molt més gruixuts en comparació amb el PTB7, tot i que aquest últim té unes posicions energètiques molt més favorables.
El següent capítol, capítol 5, es passa a l'estudi de molècules petites amb un pes molecular molt menor en comparació als polímers, aquest va més enllà de l'estudi de les dinàmiques de les càrregues on es pretén fer un estudi més orientat a nivell de l'estructura molecular, la implicació directa en les seves propietats elèctriques i com determinen el funcionament final dels dispositius. En aquest capítol es disposa d'una sèrie de molècules sintetitzades al nostre grup per primera vegada utilitzant l'esquema de combinacions dador-acceptor (anomenats sistemes de 'push-pull') on es fa servir la indolina com a molècula captadora de llum i dador principal i el grup dicianovinil com a acceptor intramolecular d'electrons. En aquestes molècules, el component pont entre ambdós grups és modificat amb la finalitat d'estudiar-ne les variacions i l'efecte en el funcionament final dels dispositius. La conclusió a aquest capítol és l'obtenció d'una cel·la de molècula petita nova del 3.5% amb un factor d'emplenat ('Fill Factor') molt baix relacionat amb les baixes mobilitats de càrregues que són els principals factors limitants de les relatives baixes eficiències d'aquest tipus de dispositius .
Seguint al capítol anterior, en el capítol 6 es pretén realitzar un estudi semblant tot modificant altres paràmetres del disseny de la molècula. En aquest cas les molècules han estat sintetitzades a la Universidad de Castilla-La Mancha (UCLM) basades en un dador comercial (EDOT). La sèrie de molècules consta també d'un estudi de components del pont basat en tiofens i cadenes alquíliques, també la variació del grup dicianovinil per un acceptor menys electròfil com és la rodanina, per tal de poder comparar els efectes del pont en dos sistemes de polaritats diferents. Com a conclusió, l'ús de la rodanina com a acceptor permet la fabricació de dispositius amb una eficiència de prop del 5%, mitjançant la supressió de 2 cadenes alquíliques i reduint els elements del pont disminueix la recombinació intramolecular, a més a més la rodanina promou una millora en la mobilitat de les càrregues positives ('holes') al ànode essent una de les principals pèrdues en els dispositius de molècula petita.
Al capítol 7, es realitza un estudi d'optimització de dispositius basats en la squaraina com a molècula dadora, en aquest apartat tot un seguit de mètodes per a l'optimització és descrita al detall, principalment els sistemes de reorganització de les capes actives mitjançant l'exposició dels films a vapors d'un dissolvent concret. Per altra banda un estudi cristal·logràfic és realitzat mitjançant difracció de rajos X per tal de definir la nano-morfologia del sistema i l'empaquetament de la mateixa molècula en relació al ful·lerè. La principal conclusió d'aquest capítol és desmentir algunes hipòtesis en relació a l'empaquetament de les molècules de squaraina, on l'anomentat ''-' stacking' no es necessàriament necessari per a obtenir uns bons paràmetres d'operació.
Finalment, al capítol 8 consisteix en un breu resum dels resultats anteriors obtinguts ,les principal conclusions extretes de cada un dels capítols i, per acabar, una descripció de les perspectives i possibilitats futures que poden aparèixer a partir d'aquesta tesi, com pot ser la continuació en el disseny de noves molècules fent servir de base els coneixements adquirits durant la realització d'aquesta tesi fins arribar a un disseny òptim per a obtenir eficiències màximes. A una escala més gran, l'obtenció de dispositius escalables i rentables comercialment utilitzant materials orgànics amb la finalitat de poder-los substituir pels dispositius inorgànics comercials actuals.
