Date post: | 24-Jul-2018 |
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Arquitecturas y Fabricación de Celdas Solares Orgánicas
Dr. Enrique Pérez Gutiérrez Investigador en estancia postdoctoral
Grupo de Propiedades Ópticas de la Materia (GPOM), División de Fotónica
Centro de Investigaciones en Óptica A.C. (CIO)
León, Guanajuato, México
E-mail [email protected]
Mayo 2014
3
TEMARIO:
* Principio fotovoltaico en celdas solares
- Semiconductores inorgánicos
- Semiconductores Orgánicos
- Efecto fotovoltaico en una celda de Si
* Arquitectura y funcionamiento de una celda orgánica
- Estructura de una celda orgánica: bicapa y heterounión
- Configuración directa e invertida
- Arquitectura tandem
4
* Dispositivos electrónicos orgánicos métodos de
fabricación - Dispositivos con compuestos de bajo peso molecular
- Dispositivos poliméricos
* Caracterización optoelectrónica
- Parámetros electrónicos
- Eficiencia de una celda solar
* Perspectivas de celdas OPVs
6
Diamante Zincblenda
Si, Ge compuestos III-V (GaAs)
Dispositivos Electrónicos Orgánicos
Semiconductores inorgánicos
Enlace
covalente
Semiconductor intrínseco
7
Dispositivos Electrónicos Orgánicos
Banda de conducción
Banda de valencia
Semiconductores inorgánicos
Absorción de algunos semiconductores usados en celdas
solares
8
Dispositivos Electrónicos Orgánicos
Semiconductores dopados
- Tipo n: exceso de electrones, carga negativa
-Tipo p: exceso de huecos carga positiva
Semiconductores inorgánicos
10
Dispositivos Electrónicos Orgánicos
Configuración electrónica: 1s2 2s2 2p2
Semiconductores orgánicos
13
Dispositivos Electrónicos Orgánicos
Conjugación de orbitales
Enlace covalente intermolecular, fuerzas tipo Van der Waals intermoleculares
Semiconductores orgánicos
14
Dispositivos Electrónicos Orgánicos
Materiales donadores y aceptores de electrones
Análogo a dopado tipo p y n
Semiconductores orgánicos
15
Dispositivos Electrónicos Orgánicos
Semiconductores orgánicos vs inorgánicos
Semiconductores inorgánicos vs orgánicos
16
Dispositivos Electrónicos Orgánicos
Semiconductores orgánicos vs inorgánicos
Semiconductores inorgánicos vs orgánicos
20
Efecto fotovoltaico en una celda de orgánica
Efecto fotovoltaico celdas orgánicas
Electrodonador Zona Activa Electroaceptor
Ánodo Cátodo Electrodo metales: Al, Ag transparente
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Efecto fotovoltaico en una celda de orgánica
- Homounión - Heterounión
- Excitones generan portadores - Excitones generan pares
de carga libres e-h enlazados
- La separación de cargas ocurre - La separación de cargas ocurre
en la región de deflexión en la interfaz de los materiales
28
Estructura bicapa
η= 1%
H. Spanggaard et al. Sol. Energy Mater. & Sol. Cells 83 (2004) 125-146
η= 5%
η= 5.7 %
- Capas buffer ayudan a la extracción y transporte de carga
29
Estructura de heterounión de volumen
J.-F. Salinas et al. Sol. Ener. Mater. & Sol. Cells 95 (2011) 595–601
30
Estructura de heterounión de volumen
ETL: polymer PFN, LiF, TiOx, ZnO (≈ 10 nm)
HTL: polymer PEDOT:PSS (≈ 50 nm), MoO3 (≈ 10 nm)
Cathode: Al, Ca, Ag, Wood´s Metal, Field´s Metal
31
Estructura de heterounión de volumen
Capa activa: polímero-fulereno
H. Hoppe et al. Adv. Func. Mater. 14 (2004)
32
Estructura de heterounión de volumen
Capa activa: polímero-fulereno
Relación polímero:fulereno
H. Hoppe et al. Adv. Func. Mater. 14 (2004)
Efecto del disolvente
Aditivos (Diiodoctano)
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Estructura tandem
Estructura Tandem Ventajas:
Voc alto
2 dispositivos en un sustrato
Desventajas:
Disminución de movilidad
Fabricación por evaporación
Separador metálico
Perdida de transmisión óptica
IT=I1 + I2 VT=V1 + V2
39
Estructura tandem
P3HT: Jsc = 10.8mA/cm2; Voc = 0.63 V; FF = 0.69; η = 4.7 % PCPDTBT: Jsc=9.2 mA/cm2; Voc=0.66 V; FF = 0.5; η = 3.0 % Tandem: Jsc=7.8mA/cm2; Voc=1.24 V; FF = 0.67; η = 6.5 %
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Métodos de Fabricación
Depósito de películas orgánicas:
Evaporación para compuestos de bajo peso molecular
Parámetros importantes:
* Velocidad de evaporación
* Control del espesor
* Morfologia
42
Métodos de Fabricación
Polímeros Efecto del disolvente
Parámetros importantes:
* Viscosidad de la disolución, velocidad de giro, presión de vapor del disolvente.
* Espesor
* Morfología
* Miscibilidad
Del polímero y el C71
45
Métodos de Fabricación
Proceso de limpieza con baño de ultrasonido * Jabón y agua desinoizada (elimina grasas) * Alcohol (etanol o isopropanol) * Acetona (remueve residuos orgánicos) Tratamiento con plasma de oxígeno:
Óxido de indio-estaño
(ITO)
47
Métodos de Fabricación
Morfología superficial del ITO ITO electropulido Rugosidad promedio: 4.99 nm Rugosidad promedio : 2.88 nm
48
Métodos de Fabricación
HTL: polímero (PEDOT:PSS)
Inorgánico: MoO3
ITO/Glass PEDOT:PSS (50 nm)
PEDOT:PSS
* Soluble en agua
* Depositado por spin-coating
* Secado a 120 °C 10 min
* HOMO: -5 eV
* Conductividad: 1 s/cm
MoO3
* Se deposita por evaporación
* Espesores 1-10 nm
* HOMO: -5.4 eV
5.0 eV
ITO
PE
DO
T:P
SS
4.8 eV
49
Métodos de Fabricación
* Miscibilidad y relación polímero-fulereno
P3HT:C71 (1:0.8)
PTB6:C71 (1:1.5)
MEH-PPV:C71 (1:3)
Disolvente: Cloroformo, clorobenceno,
diclorobenceno, diclorometano.
Aditivo: Diiodoctano
La solución se agita a 85°C y se posita por
spin-coating a velocidades 1000-2000 rpm
La película se seca a 85 °C
ITO/Glass PEDOT:PSS (50 nm) Active layer (80 nm)
P3HT
PTB7
50
Métodos de Fabricación
ETL: polímero (PFN), ZnO, TiOx, LiF
* El disolvente empleado no debe disolver a la
capa activa
* Se deposita por spin-coating o evaporación
* Debe presentar buena movilidad de
electrones
* LUMO o banda de conducción cercanos al
valor de la función trabajo del metal
empleado como cátodo
Cátodo
* Metales con baja función trabajo: Ca, Al,
Ag depositados por evaporacion
ITO/Glass PEDOT:PSS (50 nm) Active layer (80 nm)
ETL
8.1 eV
4.4 eV
Al
4.2 eV
TiO
x
54
Caracterización optoelectrónica
Circuito eléctrico Rs:
*Se asocia a la resistencia en las diferentes
interfaces orgánicas u organico-metal.
Además de la resistencia eléctrica inherente.
* Afecta el FF y en algunos casos la corriente
RSH
* Se debe a defectos que permitan
recombinación de portadores de carga
* Afecta al FF y en determinados casos al Voc
http://pveducation.org/pvcdrom/solar-cell-operation/impact-of-both-resistances
58
Perspectivas de las celdas OPVs
Tiempos de vida de algunas horas en el ambiente y sin encapsulado.
Tiempos de vida Procesos que afectan a las OPVs
61
Cátodo
- Wood´s Metal:
(25% Pb, 50% Bi, /12.5 Cd,
12.5% Sn), M.P. 75°C
- Field´s Metal
(32.5% Bi, 51% In, 16.5% Sn),
M.P. 62 °C
Trabajo del GPOM en celdas OPVs
62 J.-F. Salinas et al. Sol. Ener. Mater. & Sol. Cells 95 (2011) 595–601
PCBM C61, C71 MEH-PPV
Trabajo del GPOM en celdas OPVs
63 C. Salto et al. Synthetic Metals 161 (2011) 2412– 2416
PCBM C61, C71 P3HT
Trabajo del GPOM en celdas OPVs
64 J.C. Nolasco et al. Appl. Phys. Lett. 104 (2014) 043308
Metales empleados como
cátodo en celdas OPVs:
Wood´s metal
Field´s metal
Indio-Galio
Aluminio
Trabajo del GPOM en celdas OPVs
65 E. Pérez et al. Optical Mat. Aceptado
Components (weight ratio) ETL Voc
(mV)
Jsc
(mA/cm2) FF
η
(%)
MEH-PPV:PC71BM (1:3) None 809 4.35 0.31 1.12
MEH-PPV:PC71BM (1:3) TiOx 837 4.50 0.41 1.55
MEH-PPV:PC71BM (1:3) TiOx:PC71BMa 846 5.77 0.41 2.66
P3HT:PC71BM (1:0.8) None 507 7.76 0.39 1.48
P3HT:PC71BM (1:0.8) TiOx 532 7.86 0.51 2.12
P3HT:PC71BM (1:0.8) TiOx:PC71BMa 555 7.77 0.47 2.02
TiOx (sol-gel)
Trabajo del GPOM en celdas OPVs
66
Valores más altos
obtenidos a base de MEH-PPV o P3HT y PCBM
Voc = 830 mV
Jsc = 10.8 mA/cm2
FF = 0.6
ƞ = 2.66 %
Trabajo del GPOM en celdas OPVs
69
Caja de guantes y sistema de evaporación
para metales y material orgánico
Trabajo del GPOM en celdas OPVs
70
PTB7
ITO/Glass
PEDOT:PSS (50 nm)
PTB7:PC71BM (80 nm)
PFN o LiF
Field´s metal o Al
PFN
Disolvente: clorobenceno +diiodoctano
Z. He, et al., Nature Photon. 2012, 6, 591–595 Z. He, et al., Adv. Mater. 2011, 23, 4636–4643
Trabajo del GPOM en celdas OPVs
71
ITO/PEDOT/PTB7-PC71BM(Clorobenceno)/PFN/Field´s metal
Jonathan Pérez (pregrado CIO)
ITO/PEDOT/PTB7-PC71BM(Clorobenceno+DIO)/PFN/Field´s metal
Álvaro Romero (doctorado CIO)
Trabajo del GPOM en celdas OPVs
72
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
-15
-10
-5
0
J (
mA
/cm
2)
ITO/PEDOT/PTB7:PC71BM(CB+DIO)/LiF/Al
Voc=736 mV
Jsc=14.8 mA/cm2
FF=0.46
=5.06
area act. 0.075
V (Volts)
PTB7
ETL: LiF
Cátodo: Al
Depositados por
evaporación al vacio
Trabajo del GPOM en celdas OPVs
73
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
-15
-10
-5
0
J (
mA
/cm
2)
ITO/PEDOT/PTB7:C71/LiF/Al
Voc=736 mV
Jsc=14.8 mA/cm2
FF=0.46
=5.06
area act. 0.075
V (Volts)
Hacia una mayor eficiencia (7 %)
Voc =
Jsc = FF = Reto
Reproducibilidad
Trabajo del GPOM en celdas OPVs