O trabalho desenvolvido teve como foco dois sistemas químicos integrados: células solares sensibilizadas por corantes, Dye-Cells®, e fotossensores baseados em compostos de rênio(I). Novos compostos de rutênio(II) foram preparados, caracterizados e investigados como corantes sensibilizadores. Os resultados obtidos com as células solares sensibilizadas pelo cis-[(H3BCN)2Ru(dcbH2)2], H3BCN- = cianoboroidreto, dcbH2 = ácido-4,4\'-dicarboxílico-2,2\'-bipiridina, são: Jsc = 8,0 mA.cm-2, Voc = 0,66 V, Pmax = 2,7 mA.cm-2 e ff = 0,51. Esse dispositivo atingiu eficiência de conversão de fótons incidentes em corrente de até 23%. Os compostos cis-[Ru(dobH2)2(L)2]0/2+, dobH2 = ácido-4,4\'diidroxâmico-2,2\'-bipiridina e L = Cl-, H2O ou NCS-, foram preparados usando o ácido hidroxâmico como um novo grupo de ancoramento. Os desempenhos das células solares são: cis-[(Cl)2Ru(dobH2)2]: Jsc = 4,6 mA.cm-2, Voc = 0,60 V, Pmax = 1,4 mW.cm-2, ff = 0,51; cis-[Ru(dobH2)2(H2O)2]2+: Jsc = 4,4 mA.cm-2, Voc = 0,61 V, Pmax = 1,6 mW.cm-2, ff = 0,59; cis-[(SCN)2Ru(dobH2)2]: Jsc = 4,6 mA.cm-2, Voc = 0,71 V, Pmax = 1,5 mW.cm-2, ff = 0,46. A similaridade dos valores de Jsc sugere que o grupo de ancoramento pode estar limitando o processo de injeção de carga na banda de condução do semicondutor. Frutos distintos dos já investigados são utilizados como fontes de antocianinas empregadas como sensibilizadores. Esses corantes naturais são capazes de adsorver à superfície do semicondutor e realizar a conversão de luz em eletricidade. Foram determinados eficiência de conversão de fóton incidente em corrente de até 19% e valores de Jsc = 7,2 mA.cm-2, Voc = 0,65 V, Pmax = 2,0 mW.cm-2 e ff = 0,55. O segundo sistema químico integrado investigado baseia-se em fotossensores com fac-[Re(CO)3(NN)(stpy)]+, NN = 2,2\'-bipiridina, bpy, 4,4\'-dimetil-2,2\'-bipiridina, Me2bpy, ou dipirido[3,2-a:2\',3\'-c]fenazina, dppz, stpy = trans ou cis-4-estirilpiridina. A reação de isomerização trans-cis do ligante coordenado pode ser acompanhada de duas formas distintas por espectrofotometria e por ressonância magnética nuclear, 1H RMN. Os rendimentos quânticos aparentes, Φap, determinados para irradiação em 404 nm, por espectrofotometria, são: fac-[Re(CO)3(bpy)(trans-stpy)]+ Φap = 0,19 ± 0,02; fac-[Re(CO)3(Me2bpy)(trans-stpy)]+ Φap = 0,18 ± 0,02; fac-[Re(CO)3(dppz)(trans-stpy)]+ Φap = 0,30 ± 0,03. Enquanto os valores reais determinados por 1H RMN, Φreal, são: fac-[Re(CO)3(bpy)(trans-stpy)]+ Φreal = 0,48 ± 0,03; fac-[Re(CO)3(Me2bpy)(trans-stpy)]+ Φreal = 0,31 ± 0,07; fac-[Re(CO)3(dppz)(trans-stpy)]+ Φreal = 0,48 ± 0,06. Os valores determinados por 1H RMN são reais uma vez que os sinais do produto e do reagente são detectados em regiões distintas, o que não acontece no acompanhamento por espectrofotometria. A isomerização trans-cis do composto fac-[Re(CO)3(bpy)(trans-stpy)]+ também é observada em poli(metacrilato) de metila, que foi o meio rígido utilizado visando o desenvolvimento de dispositivos. O isômero fac-[Re(CO)3(bpy)(cis-stpy)]+ é luminescente e a sua emissão é investigada em diferentes meios analisando os deslocamentos hipsocrômicos com o aumento da rigidez do meio. / The focus of this work is on two chemical integrated systems: dye-sensitized solar cells, Dye-Cells®, and photosensors based on rhenium(I) compounds. Novel ruthenium(II) compounds were synthesized, characterized and investigated as dye-sensitizers. The results of solar cells sensitized by cis-[(H3BCN)2Ru(dcbH2)2], H3BCN- = cyanoborohydride, dcbH2 = acid-4,4\'-dicarboxylic-2,2\'-bipyridine, are: Jsc = 8.0 mA.cm-2, Voc = 0.66 V, Pmax = 2.7 mA.cm-2 and ff = 0.51. Incident photon-to-current efficiency of up to 23% is achieved by this device. The cis-[Ru(dobH2)2(L)2]0/2+ compounds, dobH2 = acid-4,4\'-dihydroxamic-2,2\'-bipyridine, L = Cl-, H2O or NCS-, were synthesized using hydroxamic acid as a new anchoring group. The performance of these dye-sensitized solar cells are: cis-[(Cl)2Ru(dobH2)2]: Jsc = 4.6 mA.cm-2, Voc = 0.60 V, Pmax = 1.4 mW.cm-2, ff = 0.51; cis-[Ru(dobH2)2(H2O)2]2+: Jsc = 4.4 mA.cm-2, Voc = 0.61 V, Pmax = 1.6 mW.cm-2, ff = 0.59; cis-[(SCN)2Ru(dobH2)2]: Jsc = 4.6 mA.cm-2, Voc = 0.71 V, Pmax = 1.5 mW.cm-2, ff = 0.46. The similarity between Jsc values suggests that the anchoring group is limiting the electron injection into the semiconductor conducting band. Anthocyanins of several fruits were employed as sensitizers. These natural dyes are capable of adsorbing onto the semiconductor surface and promote the light-to-electricity conversion. Incident photon-to-current efficiency of up to 19% and values Jsc = 7.2 mA.cm-2, Voc = 0.65 V, Pmax = 2.0 mW.cm-2, ff = 0.55 were determined. The second chemical integrated system investigated is based on photosensors using fac-[Re(CO)3(NN)(stpy)]+, NN = 2,2\'-bipyridine, bpy, 4,4\'-dimethyl-2,2\'-bipyridine, Me2 bpy, or dipyrido[3,2-a:2\',3\'-c]phenazine, dppz, stpy = trans or cis-4-styrylpyridine. The trans-cis isomerization of the coordinated ligand is followed by two distinct ways, spectrophotometry and nuclear magnetic resonance, 1H NMR. The apparent quantum yields, fiap, determined for irradiation at 404 nm by spectrophotometry are: fac-[Re(CO)3(bpy)(trans-stpy)]+ Φap = 0.19 ± 0.02; fac-[Re(CO)3(Me2bpy)(trans-stpy)]+ Φap = 0.18 ± 0.02; fac-[Re(CO)3(dppz)(trans-stpy)]+ Φap = 0.30 ± 0.03. The real values, Φreal, determined by 1H NMR, are: fac-[Re(CO)3(bpy)(trans-stpy)]+ Φreal = 0.48 ± 0.03; fac-[Re(CO)3(Me2bpy)(trans-stpy)]+ Φreal = 0.31 ± 0.07; fac-[Re(CO)3(dppz)(trans-stpy)]+ Φreal = 0.48 ± 0.06. The values determined by 1H NMR are real since the signals of the product and of the reactant are detected in distinct regions, which does not occur for the spectrophotometric method. The trans-cis isomerization of the compound fac-[Re(CO)3(bpy)(trans-stpy)]+ is also observed in poly(methyl)methacrilate, which was the rigid medium employed aiming the development of devices. The fac-[Re(CO)3(bpy)(cis-stpy)]+ isomer is luminescent and its emission is investigated in different media analyzing the hypsochromic shifts increasing the rigidity of the medium.

Organic solar cells show great potential to become a commercially available technology for renewable clean energy production due to their attractive properties. Inexpensive materials and manufacturing processes, including classical roll-to-roll fabrication, as well as the ability to produce flexible, low weight, semitransparent devices are some of the advantages organic photovoltaics provide. Addressing the most common issues in these new technologies, i.e., the low efficiencies of devices and rapid degradation of materials, could bring a realistic alternative for the photovoltaic industry. In this work, the performance of P3HT:PCBM based bulk heterojunction solar cells modified through low energy gold ion implantation in the hole transporting layer, the PEDOT:PSS, is studied. Reference solar cells without gold were also fabricated and characterized for comparison. Through field emission scanning electron microscopy (FESEM) micrographs, the formation of gold nanoparticles (AuNPs) in the PEDOT:PSS has been shown layer for the highest implantation doses used. Absorbance measurements of PEDOT:PSS films before and after gold implantation further confirmed this result. TRIDYN and SRIM simulation programs estimated shallow gold implantations of ~3 nm underneath the PEDOT:PSS films surface. Current-voltage (JxV) characteristics of reference solar cells under AM 1.5 illumination presented the uncommon S-shaped curves, an abnormal deviation from typical JxV curves. This was attributed to PEDOT:PSS degradation due to oxygen and water exposure, which reduced its work function significantly. As a result, deteriorated parallel and series resistances were obtained in reference devices, which ultimately reduced their field factors and power conversion efficiencies. This abnormal behavior was consistently eliminated with the introduction of AuNPs near the PEDOT:PSS/Active-layer interface, leading to the rectification of the illuminated JxV curves of modified solar cells and the reestablishment of cell parameters. Consequently, outstanding improvements in the field factors and power conversion efficiencies were observed in these devices. This was attributed to enhancement (and prevention from the reduction) of the PEDOT:PSS work function layer due to the presence of AuNPs, which rearranged the energy levels at the interface to a more favorable state: higher electron blocking and lower hole extraction barriers. / Células solares orgânicas têm mostrado grande potencial para se tornar uma alternativa tecnológica na produção de energia limpa e renovável. Baixo custo dos materiais e dos processos de manufatura, e a possibilidade de fabricar dispositivos com baixo peso, flexibilidade e semitransparência, inclusive pelo método clássico de roll-to-roll, são algumas das vantagens oferecidas pela fotovoltaica orgânica. Resolver os problemas mais comuns destes dispositivos, como a baixa eficiência na conversão de energia e a rápida degradação dos materiais, é necessário para sua disponibilização no mercado fotovoltaico atual. Neste trabalho, células solares de heterojunção volumétrica baseadas no polímero P3HT e modificadas através da implantação de íons de ouro de baixa energia na camada de PEDOT:PSS são estudadas. Dispositivos equivalentes sem modificação de ouro também foram fabricados e caracterizados como referência. Imagens obtidas através de um microscópio eletrônico de varredura por emissão de campo (FESEM Field Emission Scannig Electron Microscopy) mostraram a formação de nanopartículas de ouro (AuNPs) na camada de PEDOT:PSS para as doses de implantação mais elevadas. Medidas do espectro de absorbância dos filmes de PEDOT:PSS antes e depois da implantação de ouro confirmam este resultado. Simulações feitas com os softwares TRIDYN e SRIM estimaram o ouro implantado em u ma profundidade de ~3 nm abaixo da superfície do PEDOT:PSS. As curvas de corrente-tensão (JxV) características das células solares de referência sob iluminação AM 1.5 mostraram um comportamento de forma S, que corresponde a um desvio da forma típica das curvas JxV. Isto foi atribuído à degradação dos filmes de PEDOT:PSS devido à exposição ao oxigênio e à água, que reduz sua função trabalho significativamente. Como resultado, deterioraram-se as resistências em paralelo e em série destes dispositivos, o que em última instância, reduziu o Field Factor (FF) e a eficiência na conversão de energia. Este comportamento anormal foi eliminado de forma consistente após a introdução de AuNPs perto da interface PEDOT:PSS/Camada-Ativa. As curvas JxV das células solares modificadas sob iluminação foram retificadas e os valores dos seus parâmetros restabelecidos. Melhorias notáveis no FF e eficiência de conversão de energia foram obtidas para todas as células solares modificadas. Isto foi atribuído ao aumento da função trabalho da camada de PEDOT:PSS pela presença das AuNPs, que reorganizou os níveis de energia na interface para um estado mais favorável: com barreiras de potencial otimizadas para bloquear a extração de elétrons e favorecer a de buracos.

Dispositivos microeletrônicos como células solares e circuitos integrados MOS em satélites, estão sujeitos ao bombardeamento de partículas de alta energia, especialmente os uxos de prótons. Os danos causados pela irradiação de prótons podem ser facilmente simulados usando as técnicas implantação iônica, uma vez que os estudos de con abilidade dos dispositivos em condições reais (no espaço) são despendiosos. A proposta deste trabalho é usar capacitores MOS para estudar a in uência do bombardeamento de prótons na degradação do tempo de vida de portadores minoritários, na mudança de corrente de fuga através do SiO2 e na mudança da carga efetiva na interface SiO2/Si. Assim como o tempo de vida está relacionado aos defeitos criados na estrutura cristalina devido às colisões das partículas com os átomos de Si, a corrente de fuga caracteriza a estabilidade do dielétrico e a carga efetiva mostra o quanto a tensão de limiar dos transistores MOS (VT) é afetada. Uma combinação de formação de zona desnuda na região de depleção e gettering por implanta ção iônica na face inferior das lâminas garantiu o melhoramento do tempo de vida nos capacitores MOS. Os aceleradores de íons do Laboratório de Implantação Iônica da UFRGS foram usados para produzir bombardeamentos de prótons com energias de 100keV , 200keV , 600keV e 2MeV , e doses no intervalo de 1x10 9 cm-2 a 3x10 12 cm-2 O tempo de vida de geração foi obtido através do método C-t (Zerbst modificado), a corrente de fuga através do método I-V e a carga criada no óxido através do método C-V de alta freqüência. A literatura apresenta dados de uxos de prótons no espaço possibilitando a conexão entre os efeitos simulados por implantação iônica e o espectro solar real. Como eventos solares apresentam variabilidade, alguns casos de atividade solar proeminente foram estudados. Foi de nida a função (x) que relaciona a concentração defeitos eletricamente ativos com a profundidade e foi feito um cálculo para estimar as conseqüências sobre o tempo de vida dos portadores minorit ários. Os resultados mostram que um dia de atividade solar expressiva é su ciente para degradar o tempo de vida intensamente, tendo como conseqüência a destruição de uma célula solar sem blindagem.

Dispositivos microeletrônicos como células solares e circuitos integrados MOS em satélites, estão sujeitos ao bombardeamento de partículas de alta energia, especialmente os uxos de prótons. Os danos causados pela irradiação de prótons podem ser facilmente simulados usando as técnicas implantação iônica, uma vez que os estudos de con abilidade dos dispositivos em condições reais (no espaço) são despendiosos. A proposta deste trabalho é usar capacitores MOS para estudar a in uência do bombardeamento de prótons na degradação do tempo de vida de portadores minoritários, na mudança de corrente de fuga através do SiO2 e na mudança da carga efetiva na interface SiO2/Si. Assim como o tempo de vida está relacionado aos defeitos criados na estrutura cristalina devido às colisões das partículas com os átomos de Si, a corrente de fuga caracteriza a estabilidade do dielétrico e a carga efetiva mostra o quanto a tensão de limiar dos transistores MOS (VT) é afetada. Uma combinação de formação de zona desnuda na região de depleção e gettering por implanta ção iônica na face inferior das lâminas garantiu o melhoramento do tempo de vida nos capacitores MOS. Os aceleradores de íons do Laboratório de Implantação Iônica da UFRGS foram usados para produzir bombardeamentos de prótons com energias de 100keV , 200keV , 600keV e 2MeV , e doses no intervalo de 1x10 9 cm-2 a 3x10 12 cm-2 O tempo de vida de geração foi obtido através do método C-t (Zerbst modificado), a corrente de fuga através do método I-V e a carga criada no óxido através do método C-V de alta freqüência. A literatura apresenta dados de uxos de prótons no espaço possibilitando a conexão entre os efeitos simulados por implantação iônica e o espectro solar real. Como eventos solares apresentam variabilidade, alguns casos de atividade solar proeminente foram estudados. Foi de nida a função (x) que relaciona a concentração defeitos eletricamente ativos com a profundidade e foi feito um cálculo para estimar as conseqüências sobre o tempo de vida dos portadores minorit ários. Os resultados mostram que um dia de atividade solar expressiva é su ciente para degradar o tempo de vida intensamente, tendo como conseqüência a destruição de uma célula solar sem blindagem.

Apresentamos neste trabalho uma técnica nova e simples para medida de propriedades de transporte e de cinética de portadores em semicondutores isolantes fotocondutivos. Determinamos propriedades importantes como comprimento de difusão e produto mobilidade-tempo de vida dos portadores no silício amorfo hidrogenado (a-SI:h). Esta técnica baseia-se no efeito de uma grade de concentração de fotoportadores em estado estacionário, criado pela luz de um laser, na condutância de um semicondutor. Assim é possível determinar indiretamente as propriedades de transporte ou de cinética pela simples medida da fotocondutividade na presença de grade de fotoportadores em diferentes condições. o a-S-:h é um semicondutor relativamente novo que merece destaque devido a sua potencialidade para aplicação. Ele é um excelente material fotocondutor produzido na forma de filmes finos. É atualmente largamente utilizado em células solares, fotosensores de grande área e transistores de filmes finos. A sua obtenção, apesar de ser simples, envolve processos complexos e empíricos no processo de formação dos filmes. Portanto é vital o conhecimento das propriedades de transporte e cinética deste material como uma referência da qualidade do material produzido. / In this work we present a new and simple technique to measure transport and kinetic properties in photoconductive insulator semiconductors. Important properties as diffusion length and mobility-lifetime product of hydrogenated amorphous silicon (a-SI:h) was determined. This technique is based on the effect of a steady-state photocarrier grating concentration in the semiconductor conductance created by laser light. It is possible to determine indirectly the transport and kinetic properties simply by measuring photoconductive in the presence of photocarrier grating under diferents condition. The a-SI:h is a reactive new semiconductor with an outstanding potenciality for applications. It is an excellent photoconductor material produced in thin-film forms. Nowadays it has been used in large scale in solar cells, big area photosensor and thin-¬film transistor. Although its production is simple, the formation process of the thin-films is complex and empirical. Therefore the value of the transport and kinetic properties of this material is essential as a reference of quality of the produced material.

Dispositivos microeletrônicos como células solares e circuitos integrados MOS em satélites, estão sujeitos ao bombardeamento de partículas de alta energia, especialmente os uxos de prótons. Os danos causados pela irradiação de prótons podem ser facilmente simulados usando as técnicas implantação iônica, uma vez que os estudos de con abilidade dos dispositivos em condições reais (no espaço) são despendiosos. A proposta deste trabalho é usar capacitores MOS para estudar a in uência do bombardeamento de prótons na degradação do tempo de vida de portadores minoritários, na mudança de corrente de fuga através do SiO2 e na mudança da carga efetiva na interface SiO2/Si. Assim como o tempo de vida está relacionado aos defeitos criados na estrutura cristalina devido às colisões das partículas com os átomos de Si, a corrente de fuga caracteriza a estabilidade do dielétrico e a carga efetiva mostra o quanto a tensão de limiar dos transistores MOS (VT) é afetada. Uma combinação de formação de zona desnuda na região de depleção e gettering por implanta ção iônica na face inferior das lâminas garantiu o melhoramento do tempo de vida nos capacitores MOS. Os aceleradores de íons do Laboratório de Implantação Iônica da UFRGS foram usados para produzir bombardeamentos de prótons com energias de 100keV , 200keV , 600keV e 2MeV , e doses no intervalo de 1x10 9 cm-2 a 3x10 12 cm-2 O tempo de vida de geração foi obtido através do método C-t (Zerbst modificado), a corrente de fuga através do método I-V e a carga criada no óxido através do método C-V de alta freqüência. A literatura apresenta dados de uxos de prótons no espaço possibilitando a conexão entre os efeitos simulados por implantação iônica e o espectro solar real. Como eventos solares apresentam variabilidade, alguns casos de atividade solar proeminente foram estudados. Foi de nida a função (x) que relaciona a concentração defeitos eletricamente ativos com a profundidade e foi feito um cálculo para estimar as conseqüências sobre o tempo de vida dos portadores minorit ários. Os resultados mostram que um dia de atividade solar expressiva é su ciente para degradar o tempo de vida intensamente, tendo como conseqüência a destruição de uma célula solar sem blindagem.

Orientador: Francisco das Chagas Marques / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-12T20:56:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_DouglasSoaresda_M.pdf: 1607458 bytes, checksum: 64efea4eea6490352c0cec9182778a67 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Nesta tese estamos propondo o uso de carbono amorfo como um possível candidato para uso como camada antirrefletora em células solares de silício cristalino. O carbono amorfo pode ser preparado com alta banda proibida e tem propriedades importantes como alta dureza, baixo coeficiente de atrito, preparado à temperatura ambiente, etc. Além disso, o carbono amorfo é um material abundante na natureza e seu uso em eletrônica poderia reduzir o consumo de materiais tóxicos, contribuindo para reduzir danos ao meio ambiente. Foram exploradas as propriedades óticas dos filmes de carbono e carbono de silício produzidos por diferentes métodos de deposição (RF Glow Discharge, RF Sputtering e FCVA_Filtered Cathodic Vacuum Arc) visando a aplicação como camadas antirrefletoras em células solares. O estudo de propriedades óticas dos filmes, como a banda proibida, índice de refração, coeficiente de absorção e reflexão integrada foram determinantes para as conclusões deste trabalho. Para isto foram importantes a fabricação de células solares e o estudo dos principais parâmetros fotovoltaicos: eficiência, corrente de curto circuito, tensão de circuito aberto e fator de preenchimento. As células solares de silício monocristalino foram desenvolvidas a partir da técnica amplamente difundida e conhecida através da difusão térmica de dopantes de fósforo, as chamadas homojunções pn. Diferentes estruturas antirrefletoras à base de carbono foram estudadas e comparadas. Assim, investigamos o uso de carbono tipo diamante (diamond-like carbon DLC), carbono tipo polimérico (polimeric-like carbon ¿ PLC), carbono tetraédrico (ta-C), carbeto de silício (a-CxS ix-1:H). Para efeito de comparação com camadas antirrefletoras convencionais, adotamos o dióxido de estanho (SnO2) depositado pela técnica de spray químico. Os resultados mostraram que filmes de carbono amorfo funcionam como camada antirefletora em células solares, embora não tenha sido possível encontrar em um único material todas as condições ideais para uma camada antirrefletora em silício cristalino. O carbeto de silício se mostrou bastante promissor como um composto à base de carbono e o próprio silício, sendo utilizado na fabricação do dispositivo e abundante na natureza. / Abstract: In this thesis we propose the use of amorphous carbon as a possible candidate for use as antireflective layer in crystalline silicon solar cells. The amorphous carbon can be prepared with high band gap and important properties such as high hardness, low coefficient of friction, prepared at room temperature, etc. Moreover, the amorphous carbon material is abundant in nature and its use in electronics could reduce the consumption of toxic materials, helping to reduce damage to the environment. We explored the optical properties of carbon films and carbon silicon produced by different methods of deposition (RF Glow Discharge, RF Sputtering and FCVA_Filtered Cathodic Vacuum Arc) to the application as antireflective coatings in solar cells. The study of optical properties of films, such as forbidden band, index of refraction, absorption coefficient and integrated reflection were crucial to the conclusions of this work. For that, it was important the manufacture of solar cells and the study of key photovoltaic parameters: efficiency, short-circuit current, open circuit voltage and fill factor. The single crystal silicon solar cells were developed from the widely known technique of thermal diffusion of phosphorus doping, the pn homojunctions. Different antireflective structures based on carbon were studied and compared. Thus, we investigated the use of carbon type diamond (diamond-like carbon DLC), carbon type polymer (polimeric-like carbon - PLC), tetrahedral carbon (ta-C), silicon carbide (a-CxSix-1: H). For purposes of comparison with conventional antireflective layers, we adopted the tin dioxide (SnO2) deposited by chemical spray technique. The results showed that films of amorphous carbon layer acts as antireflective coatings in solar cells, although it was not possible to find a single material in all ideal conditions for an antireflective layer in crystalline silicon. The silicon carbide wasvery promising as a compound based on carbon and the silicon, been used in the manufacture of the device and abundant in nature. / Mestrado / Mestre em Física

Organic solar cells show great potential to become a commercially available technology for renewable clean energy production due to their attractive properties. Inexpensive materials and manufacturing processes, including classical roll-to-roll fabrication, as well as the ability to produce flexible, low weight, semitransparent devices are some of the advantages organic photovoltaics provide. Addressing the most common issues in these new technologies, i.e., the low efficiencies of devices and rapid degradation of materials, could bring a realistic alternative for the photovoltaic industry. In this work, the performance of P3HT:PCBM based bulk heterojunction solar cells modified through low energy gold ion implantation in the hole transporting layer, the PEDOT:PSS, is studied. Reference solar cells without gold were also fabricated and characterized for comparison. Through field emission scanning electron microscopy (FESEM) micrographs, the formation of gold nanoparticles (AuNPs) in the PEDOT:PSS has been shown layer for the highest implantation doses used. Absorbance measurements of PEDOT:PSS films before and after gold implantation further confirmed this result. TRIDYN and SRIM simulation programs estimated shallow gold implantations of ~3 nm underneath the PEDOT:PSS films surface. Current-voltage (JxV) characteristics of reference solar cells under AM 1.5 illumination presented the uncommon S-shaped curves, an abnormal deviation from typical JxV curves. This was attributed to PEDOT:PSS degradation due to oxygen and water exposure, which reduced its work function significantly. As a result, deteriorated parallel and series resistances were obtained in reference devices, which ultimately reduced their field factors and power conversion efficiencies. This abnormal behavior was consistently eliminated with the introduction of AuNPs near the PEDOT:PSS/Active-layer interface, leading to the rectification of the illuminated JxV curves of modified solar cells and the reestablishment of cell parameters. Consequently, outstanding improvements in the field factors and power conversion efficiencies were observed in these devices. This was attributed to enhancement (and prevention from the reduction) of the PEDOT:PSS work function layer due to the presence of AuNPs, which rearranged the energy levels at the interface to a more favorable state: higher electron blocking and lower hole extraction barriers. / Células solares orgânicas têm mostrado grande potencial para se tornar uma alternativa tecnológica na produção de energia limpa e renovável. Baixo custo dos materiais e dos processos de manufatura, e a possibilidade de fabricar dispositivos com baixo peso, flexibilidade e semitransparência, inclusive pelo método clássico de roll-to-roll, são algumas das vantagens oferecidas pela fotovoltaica orgânica. Resolver os problemas mais comuns destes dispositivos, como a baixa eficiência na conversão de energia e a rápida degradação dos materiais, é necessário para sua disponibilização no mercado fotovoltaico atual. Neste trabalho, células solares de heterojunção volumétrica baseadas no polímero P3HT e modificadas através da implantação de íons de ouro de baixa energia na camada de PEDOT:PSS são estudadas. Dispositivos equivalentes sem modificação de ouro também foram fabricados e caracterizados como referência. Imagens obtidas através de um microscópio eletrônico de varredura por emissão de campo (FESEM Field Emission Scannig Electron Microscopy) mostraram a formação de nanopartículas de ouro (AuNPs) na camada de PEDOT:PSS para as doses de implantação mais elevadas. Medidas do espectro de absorbância dos filmes de PEDOT:PSS antes e depois da implantação de ouro confirmam este resultado. Simulações feitas com os softwares TRIDYN e SRIM estimaram o ouro implantado em u ma profundidade de ~3 nm abaixo da superfície do PEDOT:PSS. As curvas de corrente-tensão (JxV) características das células solares de referência sob iluminação AM 1.5 mostraram um comportamento de forma S, que corresponde a um desvio da forma típica das curvas JxV. Isto foi atribuído à degradação dos filmes de PEDOT:PSS devido à exposição ao oxigênio e à água, que reduz sua função trabalho significativamente. Como resultado, deterioraram-se as resistências em paralelo e em série destes dispositivos, o que em última instância, reduziu o Field Factor (FF) e a eficiência na conversão de energia. Este comportamento anormal foi eliminado de forma consistente após a introdução de AuNPs perto da interface PEDOT:PSS/Camada-Ativa. As curvas JxV das células solares modificadas sob iluminação foram retificadas e os valores dos seus parâmetros restabelecidos. Melhorias notáveis no FF e eficiência de conversão de energia foram obtidas para todas as células solares modificadas. Isto foi atribuído ao aumento da função trabalho da camada de PEDOT:PSS pela presença das AuNPs, que reorganizou os níveis de energia na interface para um estado mais favorável: com barreiras de potencial otimizadas para bloquear a extração de elétrons e favorecer a de buracos.

Orientadores: Rubens Maciel Filho, Fernando Ely / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-22T07:45:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Matsumoto_Agatha_M.pdf: 4679251 bytes, checksum: 08fb9e84038f307956ec356550160f03 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Células fotovoltaicas orgânicas (OPVs) tem sido foco de intensa pesquisa devido ao seu potencial de baixo custo de produção e pela típica característica de serem flexíveis. Apesar de tais vantagens, estes dispositivos ainda têm baixa eficiência quântica (PCE). Este trabalho explora o desenvolvimento de processos de fabricação reprodutíveis e o uso de novos materiais em estruturas de dispositivo fotovoltaico. Inicialmente foi construído dispositivo padrão seguindo a estrutura de ITO/ PEDOT VpAl/ P3HT:PCBM/ Al, que corresponde à estrutura OPV mais estudada, até hoje, e que conduz a altas eficiências de fotoconversão. Foram ajustados todos os parâmetros físico-químicos para se obter as soluções mais estáveis possíveis e camadas funcionais uniformes do dispositivo padrão. Diversas modificações, neste dispositivo padrão, foram introduzidas para incrementar a eficiência quântica originalmente obtida. Primeiramente, foi testada a aplicação de PEDOT condutor e nanoparticulas (NP) de ZnO como camada buffer em substituição ao PEDOT VpAl. Posteriormente, o composto liquido-cristalino TAPCu-52 foi introduzido como material do tipo-P na camada ativa, em substituição ao polímero P3HT. Cristais líquidos também foram estudados como aditivos funcionais na camada ativa para aumentar a mobilidade dos portadores de carga e facilitar a separação do par elétron-buraco fotogerado. Por fim, buscando tornar o dispositivo completamente flexível foi realizada a substituição do eletrodo transparente de ITO por uma camada de PEDOT condutor, obtida pelo método de spray manual e ultrasônico. As caracterizações elétricas e morfológicas das células OPV, mostraram que todas as modificações feitas levaram a resultados positivos em relação ao dispositivo padrão fabricados / Abstract: Organic photovoltaics (OPVs) have been the focus of research due its flexible characteristics and low cost of production. Despite such advantages these devices still have low quantum efficiency (PCE), which is an obstacle for commercialization. This work explores reliable fabrication processes and new materials for OPV structures. For comparison, we fabricated standard devices having the well studied structure ITO/ PEDOT VpAl/ P3HT:PCBM/ Al which can lead to high fotoconversion efficiencies. Physical and chemical parameters were modified to achieve stable solutions and uniform functional layers. Several modifications in this standard device were introduced in order to increase the original PCE obtained. Firstly, conductive PEDOT and ZnO nanoparticles layers were added in replacement of the PEDOT VpAl as buffer. Afterwards, the liquid-crystalline compound TAPCu-52 was studied as p-type material in the active layer to substitute the P3HT polymer. Liquid crystals were also investigated as functional additives to increase the charge carrier mobility and electron-hole separation. Finally, ITO was changed by a conductive PEDOT layer deposited by handheld and ultrasonic spray as transparent anode in order to have a more flexible device. In general, the electrical and morphological characterizations indicated that all studied modifications had positive effect on the PCE of the manufactured OPV devices / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestra em Engenharia Química

Orientadores: Vitor Baranauskas, Helder José Ceragioli / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-27T01:34:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_ThiagoFranchiPereirada_D.pdf: 9373432 bytes, checksum: 13a36b35d789088396a134f65246b3a9 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: Células solares orgânicas e inorgânicas representam uma excelente alternativa como fonte de energia renovável. Este trabalho consiste em aplicar nanoestruturas de carbono obtidas pela técnica HFCVD (Hot Filament Chemical Vapour Deposition) como componentes utilizados na construção e melhoria de células solares orgânicas (organic photovoltaics - OPVs) e células sensibilizadas por corante (dye-sensitized cells - DSCs). Foi obtido óxido de grafeno reduzido (rGO), carbono tipo diamante (DLC - diamondlike carbon) e diamante condutor nanoestruturado. Estes materiais foram caracterizados por microscopia eletrônica de varredura (SEM-FEG), microscopia de transmissão de alta resolução (HRTEM), espectroscopia Raman e análise termogravimétrica (TGA). O rGO foi empregado na construção das células DSC misturado na pasta de TiO2 em diferentes concentrações, produzindo o aumento de fotocorrente gerada e, consequentemente, o rendimento. O mesmo material foi empregado nas OPVs, em diferentes concentrações, para a substituição do fulereno PCBM (1-(3-metoxicarbonil)-propil-1-1-fenil- (6,6)metanofulereno) e também em conjunto com o fulereno, sendo observada também a melhoria no desempenho dos dispositivos em função da concentração. Com finalidade de substituir os contraeletrodos das células DSC, carbono tipo diamante foi depositado em substrato de alumínio (Al) e diamante condutor nanoestruturado depositado em substratos de nióbio (Nb). As células com contraeletrodos de Al com filme de DLC apresentaram sensibilidade à luz, com possibilidade de aplicação em sensores ópticos, enquanto as células com contraeletrodos de Nb com filme de diamante condutor apresentaram excelente desempenho, tornando possível a substituição dos contraeletrodos de platina / Abstract: Organic and inorganic solar cells comprise a promising solution as a renewable energy source. This work consists of applying carbon nanostructures obtained by HFCVD technique (Hot Filament Chemical Vapour Deposition) as components used in the construction and improvement of organic solar cells (organic photovoltaics - OPVs) and dye sensitized cells (dye-sensitized cells - DSCs). Reduced graphene oxide (rGO), carbon diamond-like (DLC - diamond- like carbon) and nanostructured conductor diamond was obtained. These materials were characterized by scanning electron microscopy (SEM-FEG), high resolution transmission microscopy (HRTEM), Raman spectroscopy and thermal gravimetric analysis (TGA). Reduced graphene oxide was used for the construction of the DSC cell at the TiO2 layer mixed in different concentrations, producing an increase in photocurrent generated and thus conversion efficiency. The same material was used in the OPVs at different concentrations for the replacement of fullerene PCBM (1- (3-methoxycarbonyl) -propyl-1-1-phenyl- (6,6) metanofulereno) and with the fullerene was also observed improvement in performance of the devices as a function of concentration. With aim of replacing the counterelectrode of DSCs cells, diamond-like carbon was deposited on aluminum substrate (Al) and nanostructured conductive diamond deposited on niobium (Nb) substrates. Cells with Al/DLC counterelectrode showed sensitivity to light, with the possibility of application in optical devices while cells with Nb/nanostructured conductive diamond counterelectrode showed excellent performance, with possibility to replace platinum counterelectrodes / Doutorado / Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica / Doutor em Engenharia Elétrica