Esta tese de doutorado é resultado do estudo da fotocondutividade em materiais poliméricos, com particular enfoque em diodos poliméricos com camada ativa de derivados do poli (p-fenileno vinileno) (PPV): OC10-PPV, SY e MEH-PPV, em estrutura tipo sanduíche (ITO/polimérico/Metal) de camada única, utilizando eletrodos metálicos com diferentes funções trabalho depositados sobre o mesmo filme. Para isso, foi necessária a realização de todas as etapas de fabricação de dispositivos orgânicos, como descritas neste trabalho, para obter resultados com o máximo de reprodutibilidade, bem como o domínio das técnicas de caracterização. As propriedades ópticas dos filmes poliméricos foram analisadas através dos espetros de absorção e de fluorescência estacionária na região do visível. O comportamento fotocondutivo dos dispositivos foi realizado através de medidas de corrente-tensão (I-V) e da espectroscopia de fotocorrente no estado estacionário em regime dc sob incidência de luz com diferentes comprimentos de onda, ora através do ITO, ora através dos eletrodos metálicos semitransparente, para o dispositivo sob diferentes valores de tensões aplicadas. A variação desses parâmetros permitiu verificar como estes influenciam na fotogeração e no transporte de portadores de cargas e assim adaptar e aplicar um modelo teórico que levasse em consideração o campo elétrico aplicado para ajustar a fotocorrente obtida experimentalmente, obtendo informações sobre as propriedades de fotocondutividade dos materiais estudos. / This thesis is a study about photoconductivity in polymeric materials, in particular diodes with single-layer sandwich structure derivates of poly(para-phenylene vinylene) (PPV): OC10-PPV, SY and MEH-PPV. Different metallic electrodes were deposited on the same polymeric layer. Therefore, it was necessary to realize the devices fabrication process step by step as well to dominate the characterization techniques. The optical properties of polymeric film were analyzed through the absorption and emission spectrum in the visible region. The photoconductivity behavior was studied by dc current-voltage (I-V) and photocurrent action spectra through the absorption and emission spectrum in the visible region. The photoconductivity behavior was studied by dc current-voltage (I-V) and photocurrent action spectra through the both side of device under applied voltages. The variation of these parameters allowed verifying how are influencing in the charge carrier photo-generation and the charge transport and then to adapt and apply a theoretical model wich considers the electric field applied to fit the photocurrent action spectra of devices. The values of the parameters allow to survey important about photoconductivity properties of the materials

As células solares orgânicas, também conhecidas como (OPVs), fazem parte da terceira geração dos dispositivos fotovoltaicos. Entre outras tecnologias emergentes, a dos OPVs tem a vantagem de ser de fácil processamento e de baixo custo. Ou seja, uma tecnologia comercialmente promissora na área de conversão de energia solar em energia elétrica. No entanto, grandes desafios precisam ser superados para colocar estas células no mercado dos fotovoltaicos. Dentre esses desafios, pode estar incluído, inevitavelmente, a compreensão dos processos físicos envolvidos na fotogeração em OPVs, dentre os quais pode-se destacar o da recombinação de cargas fotogeradas. A recombinação é o principal responsável pela perda de eficiência em OPVs, uma vez que ela elimina uma fração relativamente grande de portadores de carga, diminuindo consideravelmente a potência de saída da célula. Para estudar este efeito indesejado em células orgânicas, desenvolvemos um modelo analítico para fotocorrente em OPVs do tipo bulk heterojunction (BHJ), assumindo uma recombinação bimolecular de cinética de segunda ordem. O modelo é representado por uma expressão analítica obtida a partir das equações fundamentais da eletrodinâmica clássica, onde despreza-se a contribuição da corrente de difusão e as mobilidades dos elétrons e dos buracos são consideradas iguais. Essa expressão foi de grande valia na análise dos resultados experimentais, sobretudo os de corrente-tensão (J-V) sob iluminação, e além disso, ela permitiu extrair parâmetros intrínsecos do transporte de carga, como mobilidade e coeficiente de recombinação. Neste sentido, foram fabricados dispositivos cuja estrutura foi ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Ca/Al, e com eles foram realizados inúmeros experimentos. As técnicas usadas na parte experimental foram: medidas J-V, no escuro e sob iluminação, medidas de transiente de fotovoltagem (TPV), de transiente de fotocorrente (TPC), e de Foto-CELIV (Charge Extraction Linear Increasing Voltage). Usamos como parâmetros experimentais a temperatura e intensidade de iluminação. Das medidas J-V sob iluminação, foram extraídos os parâmetros essenciais da célula: corrente de curto (Jsc), potencial de circuito aberto (Voc), fator de preenchimento (FF) e a eficiência (PCE). A partir das abordagens experimental e teórica, exploramos a influência da recombinação bimolecular no comportamento fotovoltaico dos dispositivos. O desenvolvimento do modelo teve contribuição de trabalhos que se basearam em modelagem numérica a partir de condições físicas semelhantes às usadas em nosso tratamento e que foram levadas em consideração no processo de análise dos resultados experimentais. / Organic solar cells, also known as (OPVs), are part of the third generation of photovoltaic devices. Among other emerging technologies, OPVs have the advantage of being easy to process and exhibits low cost of production. That is, it is a promising commercial technology in the area of converting solar energy into electricity. However, major challenges need to be overcome to put these cells in the photovoltaic market. Among them, it can be included, inevitably, the comprehension of the physical processes involved in photogeneration in OPVs, of which, the recombination of photogenerated carriers is included. Recombination is primarily factor responsible for the loss of efficiency in OPVs, since recombination eliminates a large fraction of the carriers, considerably reducing the output power of the cell. To study this undesirable effect in organic cells, we developed an analytical model for the photocurrent in bulk heterojunction cells (BHJ), which assumes the bimolecular recombination of second order kinetics. The model is represented by an analytical expression obtained by the equations of the classical electrodynamics, where we neglected the contribution of the diffusion current and assumed that electrons and holes have equal mobilities. The expression was of great value for the analysis of the experimental results, especially the current-voltage (J-V) measurements under illumination, and it allowed to extract intrinsic parameters of charge transport effects, such as mobility and recombination coefficient. For this, it were fabricated devices whose structure was ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Ca-Al, and with them were performed numerous experiments. The techniques used in the experimental part were: J-V measurements, in the dark and under illumination, transient photovoltage (TPV), transient photocurrent (TPC), and of Charge Extraction Linear Increasing Voltage (Photo-CELIV). We used as experimental parameters the temperature and the intensity of. From J-V measurements under illumination we extracted the essential cell parameters: short current (Jsc), open circuit potential (Voc), fill factor (FF) and efficiency (PCE). From the experimental and theoretical approaches, we explored the influence of bimolecular recombination on the photovoltaic behavior of the devices. The development of the model had contributions of works based on numerical modelings from physical conditions similar to those used in our treatment and that were taken into account in the process of analysis of the experimental results.

Neste trabalho desenvolvemos rotinas computacionais em Python para o cálculo de propriedades dinâmicas (espectros de fotocorrente e absorção) de heteroestruturas semicondutoras baseadas em Dinâmica Quântica. Em uma primeira etapa do desenvolvimento do projeto, a formulação baseada na evolução temporal das soluções da equação de Schrödinger dependente do tempo foi aplicada a sistemas com soluções analíticas conhecidas ou com resultados já reportados na literatura. Devido à excelente concordância entre nossos dados e aqueles já conhecidos, em uma etapa seguinte, foram calculadas as energias de transição observadas em espectros de fotoluminescência para poços quânticos de InGaAs/GaAs, crescidos por MBE, levando-se em conta os efeitos de tensão e segregação de átomos de índio. Na continuidade do projeto, especial atenção foi dada ao desenvolvimento de estratégias para calcular os espectros de absorção e fotocorrente para dispositivos do Estado Sólido. O conjunto de resultados apresentados neste trabalho demonstra que a metodologia desenvolvida é precisa e pode ser utilizada com baixo custo computacional para o modelamento de heteroestruturas semicondutoras mais complexas, que servem de base para o desenvolvimento de dispositivos optoeletrônicos. / In this work we developed computational routines in Python for the calculation of the dynamic properties (spectrum of photocurrent and absorption) of semiconductor heterostructures based on Quantum Dynamics Theory. In a first stage of the development of the project the formulation based on the time evolution of the solutions of the time dependent Schrödinger equation was applied to systems with known analytical solutions or results already reported in the literature. Due to the excellent agreement between our data and those already known, in the next stage the transition energies observed in photoluminescence spectra for InGaAs/GaAs quantum wells, grown by MBE, were calculated taking into account the effects of stress and segregation of indium atoms. In the continuity of the project, special attention was given to the development of strategies to calculate absorption and photocurrent spectra for solid state devices. The set of results presented in this work demonstrates that the methodology developed is accurate and can be used with low computational cost for the modeling of more complex semiconductor heterostructures, which are used for the development of optoelectronic devices.

Neste trabalho desenvolvemos rotinas computacionais em Python para o cálculo de propriedades dinâmicas (espectros de fotocorrente e absorção) de heteroestruturas semicondutoras baseadas em Dinâmica Quântica. Em uma primeira etapa do desenvolvimento do projeto, a formulação baseada na evolução temporal das soluções da equação de Schrödinger dependente do tempo foi aplicada a sistemas com soluções analíticas conhecidas ou com resultados já reportados na literatura. Devido à excelente concordância entre nossos dados e aqueles já conhecidos, em uma etapa seguinte, foram calculadas as energias de transição observadas em espectros de fotoluminescência para poços quânticos de InGaAs/GaAs, crescidos por MBE, levando-se em conta os efeitos de tensão e segregação de átomos de índio. Na continuidade do projeto, especial atenção foi dada ao desenvolvimento de estratégias para calcular os espectros de absorção e fotocorrente para dispositivos do Estado Sólido. O conjunto de resultados apresentados neste trabalho demonstra que a metodologia desenvolvida é precisa e pode ser utilizada com baixo custo computacional para o modelamento de heteroestruturas semicondutoras mais complexas, que servem de base para o desenvolvimento de dispositivos optoeletrônicos. / In this work we developed computational routines in Python for the calculation of the dynamic properties (spectrum of photocurrent and absorption) of semiconductor heterostructures based on Quantum Dynamics Theory. In a first stage of the development of the project the formulation based on the time evolution of the solutions of the time dependent Schrödinger equation was applied to systems with known analytical solutions or results already reported in the literature. Due to the excellent agreement between our data and those already known, in the next stage the transition energies observed in photoluminescence spectra for InGaAs/GaAs quantum wells, grown by MBE, were calculated taking into account the effects of stress and segregation of indium atoms. In the continuity of the project, special attention was given to the development of strategies to calculate absorption and photocurrent spectra for solid state devices. The set of results presented in this work demonstrates that the methodology developed is accurate and can be used with low computational cost for the modeling of more complex semiconductor heterostructures, which are used for the development of optoelectronic devices.

As células solares orgânicas, também conhecidas como (OPVs), fazem parte da terceira geração dos dispositivos fotovoltaicos. Entre outras tecnologias emergentes, a dos OPVs tem a vantagem de ser de fácil processamento e de baixo custo. Ou seja, uma tecnologia comercialmente promissora na área de conversão de energia solar em energia elétrica. No entanto, grandes desafios precisam ser superados para colocar estas células no mercado dos fotovoltaicos. Dentre esses desafios, pode estar incluído, inevitavelmente, a compreensão dos processos físicos envolvidos na fotogeração em OPVs, dentre os quais pode-se destacar o da recombinação de cargas fotogeradas. A recombinação é o principal responsável pela perda de eficiência em OPVs, uma vez que ela elimina uma fração relativamente grande de portadores de carga, diminuindo consideravelmente a potência de saída da célula. Para estudar este efeito indesejado em células orgânicas, desenvolvemos um modelo analítico para fotocorrente em OPVs do tipo bulk heterojunction (BHJ), assumindo uma recombinação bimolecular de cinética de segunda ordem. O modelo é representado por uma expressão analítica obtida a partir das equações fundamentais da eletrodinâmica clássica, onde despreza-se a contribuição da corrente de difusão e as mobilidades dos elétrons e dos buracos são consideradas iguais. Essa expressão foi de grande valia na análise dos resultados experimentais, sobretudo os de corrente-tensão (J-V) sob iluminação, e além disso, ela permitiu extrair parâmetros intrínsecos do transporte de carga, como mobilidade e coeficiente de recombinação. Neste sentido, foram fabricados dispositivos cuja estrutura foi ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Ca/Al, e com eles foram realizados inúmeros experimentos. As técnicas usadas na parte experimental foram: medidas J-V, no escuro e sob iluminação, medidas de transiente de fotovoltagem (TPV), de transiente de fotocorrente (TPC), e de Foto-CELIV (Charge Extraction Linear Increasing Voltage). Usamos como parâmetros experimentais a temperatura e intensidade de iluminação. Das medidas J-V sob iluminação, foram extraídos os parâmetros essenciais da célula: corrente de curto (Jsc), potencial de circuito aberto (Voc), fator de preenchimento (FF) e a eficiência (PCE). A partir das abordagens experimental e teórica, exploramos a influência da recombinação bimolecular no comportamento fotovoltaico dos dispositivos. O desenvolvimento do modelo teve contribuição de trabalhos que se basearam em modelagem numérica a partir de condições físicas semelhantes às usadas em nosso tratamento e que foram levadas em consideração no processo de análise dos resultados experimentais. / Organic solar cells, also known as (OPVs), are part of the third generation of photovoltaic devices. Among other emerging technologies, OPVs have the advantage of being easy to process and exhibits low cost of production. That is, it is a promising commercial technology in the area of converting solar energy into electricity. However, major challenges need to be overcome to put these cells in the photovoltaic market. Among them, it can be included, inevitably, the comprehension of the physical processes involved in photogeneration in OPVs, of which, the recombination of photogenerated carriers is included. Recombination is primarily factor responsible for the loss of efficiency in OPVs, since recombination eliminates a large fraction of the carriers, considerably reducing the output power of the cell. To study this undesirable effect in organic cells, we developed an analytical model for the photocurrent in bulk heterojunction cells (BHJ), which assumes the bimolecular recombination of second order kinetics. The model is represented by an analytical expression obtained by the equations of the classical electrodynamics, where we neglected the contribution of the diffusion current and assumed that electrons and holes have equal mobilities. The expression was of great value for the analysis of the experimental results, especially the current-voltage (J-V) measurements under illumination, and it allowed to extract intrinsic parameters of charge transport effects, such as mobility and recombination coefficient. For this, it were fabricated devices whose structure was ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Ca-Al, and with them were performed numerous experiments. The techniques used in the experimental part were: J-V measurements, in the dark and under illumination, transient photovoltage (TPV), transient photocurrent (TPC), and of Charge Extraction Linear Increasing Voltage (Photo-CELIV). We used as experimental parameters the temperature and the intensity of. From J-V measurements under illumination we extracted the essential cell parameters: short current (Jsc), open circuit potential (Voc), fill factor (FF) and efficiency (PCE). From the experimental and theoretical approaches, we explored the influence of bimolecular recombination on the photovoltaic behavior of the devices. The development of the model had contributions of works based on numerical modelings from physical conditions similar to those used in our treatment and that were taken into account in the process of analysis of the experimental results.

Esta tese de doutorado é resultado do estudo da fotocondutividade em materiais poliméricos, com particular enfoque em diodos poliméricos com camada ativa de derivados do poli (p-fenileno vinileno) (PPV): OC10-PPV, SY e MEH-PPV, em estrutura tipo sanduíche (ITO/polimérico/Metal) de camada única, utilizando eletrodos metálicos com diferentes funções trabalho depositados sobre o mesmo filme. Para isso, foi necessária a realização de todas as etapas de fabricação de dispositivos orgânicos, como descritas neste trabalho, para obter resultados com o máximo de reprodutibilidade, bem como o domínio das técnicas de caracterização. As propriedades ópticas dos filmes poliméricos foram analisadas através dos espetros de absorção e de fluorescência estacionária na região do visível. O comportamento fotocondutivo dos dispositivos foi realizado através de medidas de corrente-tensão (I-V) e da espectroscopia de fotocorrente no estado estacionário em regime dc sob incidência de luz com diferentes comprimentos de onda, ora através do ITO, ora através dos eletrodos metálicos semitransparente, para o dispositivo sob diferentes valores de tensões aplicadas. A variação desses parâmetros permitiu verificar como estes influenciam na fotogeração e no transporte de portadores de cargas e assim adaptar e aplicar um modelo teórico que levasse em consideração o campo elétrico aplicado para ajustar a fotocorrente obtida experimentalmente, obtendo informações sobre as propriedades de fotocondutividade dos materiais estudos. / This thesis is a study about photoconductivity in polymeric materials, in particular diodes with single-layer sandwich structure derivates of poly(para-phenylene vinylene) (PPV): OC10-PPV, SY and MEH-PPV. Different metallic electrodes were deposited on the same polymeric layer. Therefore, it was necessary to realize the devices fabrication process step by step as well to dominate the characterization techniques. The optical properties of polymeric film were analyzed through the absorption and emission spectrum in the visible region. The photoconductivity behavior was studied by dc current-voltage (I-V) and photocurrent action spectra through the absorption and emission spectrum in the visible region. The photoconductivity behavior was studied by dc current-voltage (I-V) and photocurrent action spectra through the both side of device under applied voltages. The variation of these parameters allowed verifying how are influencing in the charge carrier photo-generation and the charge transport and then to adapt and apply a theoretical model wich considers the electric field applied to fit the photocurrent action spectra of devices. The values of the parameters allow to survey important about photoconductivity properties of the materials

Esta tese teve por objetivo, desde seu início, investigar as propriedades elétricas de um dispositivo ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Ca/Al, o qual é uma estrutura bem conhecida de célula solar orgânica do tipo de heterojunção de volume (bulk-heterojunction – BHJ), e com isso dar uma contribuição à melhora de seu desempenho. Porém, o primeiro passo foi introduzir no Grupo de Polímeros Bernhard Gross, um método eficaz de produzir células solares do tipo BHJ com boa eficiência e reprodutibilidade. Esse primeiro desafio foi alcançado com sucesso. A eficiência (η) de um dispositivo fotovoltaico de multicamadas depende de muitos fatores. Dentre eles, uma boa superposição entre o espectro solar e a curva de absorção da camada absorvedora, uma excelente conversão da energia luminosa em portadores de carga, um eficiente processo de condução e uma perda mínima por recombinação e armadilhamento de portadores. Além disso, a compatibilidade eletrônica entre as interfaces tem um papel fundamental na definição na tensão de circuito aberto (VOC), no valor da corrente de curto-circuito (JSC), e no fator de preenchimento (FF). Baseado nesses efeitos, realizamos uma série de medidas experimentais, que auxiliado por um modelo teórico proporcionaram um estudo detalhado da evolução em função da temperatura da mobilidade dos portadores (μ) e de seu tempo de vida (τ). Os principais experimentos nessa tese foram realizados em diferentes temperaturas (entre 100 e 340 K). Foram eles: medidas de fotocorrente - Jph(V), a técnica de foto-CELIV, e medidas de transiente de fotovoltagem (TPV). Em paralelo, desenvolvemos o modelo teórico para a descrição analítica de Jph(V) que assumiu contatos não-injetores e que o livre caminho médio (w = μτF) de elétrons e buracos eram iguais (F é o campo elétrico). Nos ajustes teórico/experimental usamos a probabilidade de dissociação dos estados de transferência de carga (P) e o produto μτ como parâmetros de ajuste. A condição na qual o livre caminho médio é maior que a espessura da amostra (w >> L) reproduz a corrente de saturação reversa, Jsat = qGPLG é a taxa de geração dos éxcitons. Para w << L, a fotocorrente varia linearmente com o livre caminho médio, ou seja, J(F) = qGPμτF. A comparação entre os resultados experimentais e os teóricos permitiram, além da obtenção da evolução das grandezas μ e τ com a temperatura, estabelecer uma relação efetiva entre os parâmetros da célula (η, JSC, e FF) e as propriedades elétricas da camada ativa P3HT:PCBM. As medidas termo-mecânicas (DMA) forneceram informações adicionais sobre mudanças estruturais da camada ativa, as quais foram correlacionadas com variações dos parâmetros da célula e com fatores de perda. Finalmente, medidas de tempo-de-voo (TOF) e de CELIV foram realizadas para estudos mais detalhados sobre mecanismos de transporte ao longo da camada ativa, a efeitos de injeção pelos eletrodos, e para o entendimento de efeitos de degradação pela ação do oxigênio. / This thesis aims to investigate electrical characteristics of an ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Ca/Al device, which is a well-known structure of a bulk-heterojunction (BHJ) organic solar cell, and to contribute to improve its performance. However, the first step was to introduce in the Group of Polymer Bernhard Gross an effective method for producing BHJ solar cells, manufacturing thus devices exhibiting excellent performance and reproducibility. This thesis aims to investigate electrical characteristics of an ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Ca/Al device, which is a well-known structure of a bulk-heterojunction (BHJ) organic solar cell, and to contribute to improve its performance. However, the first step was to introduce in the Group of Polymer Bernhard Gross an effective method for producing BHJ solar cells, manufacturing thus devices exhibiting excellent performance and reproducibility. This goal was successfully achieved. The good efficiency (η) of a multilayer photovoltaic cell depends on many factors, including good overlap between the solar spectrum and the light absorbing layer, an excellent conversion of the absorbed light energy in pairs of electronic carriers, efficient charge transport and the minimum losses by recombination or by the action of deep traps for the carriers. Furthermore, the compatibility between electronic interfaces plays a crucial role in defining the open-circuit voltage (VOC) and the value of short-circuit current (JSC), and on the fill factor (FF). Anchored on these effects, we carried out a series of experiments, aided by a theoretical modeling, which provided a detailed study of the temperature evolution of fundamental electric quantities such as carrier mobility (μ) and its lifetime (τ). These studies were performed with the help of different experiments: photocurrent in function of the applied voltage  Jph(V), Photo-CELIV technique, and Transient Photovoltage (TPV) measurements, which were carried out at several temperatures in the 100 to 340 K range. In parallel, we developed an analytical model for Jph(V) that assumed non-injecting contacts and equal mean-free-paths for electrons and holes. The theoretical/experimental entities used as fitting parameters were the charge-transfer-state dissociation probability (P) and the μτ product. The condition in which the mean-free-path (w = μτF) is higher the sample thickness (L), the model reproduces the experimental reverse saturation current, Jsat = qGPL, which is coincident with the experimental value. F is the internal electric field and G is the generation rate of excitons by the absorbed light. When w << L, J(F) = qGPμτF, which is also coincident with experimental behavior. The confrontation between the experimental results and the theoretical model provided, in addition to the study of the evolution of μ and τ with temperature, to establish a more effective relationship between the parameters (η, JSC, e FF) of the cell and the electrical properties of the P3HT:PCBM active layer. Thermomechanical analysis (DMA) provided additional information of structural changes of active layer, which can be correlated with change in the loss factor and in the cell parameters. Finally, Time-of-Flight (TOF) and CELIV techniques were used in the more accurate study of charge transport along the active layers, effects of injection by the electrodes, and the degradation effect caused by oxygen.

Esta tese teve por objetivo, desde seu início, investigar as propriedades elétricas de um dispositivo ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Ca/Al, o qual é uma estrutura bem conhecida de célula solar orgânica do tipo de heterojunção de volume (bulk-heterojunction – BHJ), e com isso dar uma contribuição à melhora de seu desempenho. Porém, o primeiro passo foi introduzir no Grupo de Polímeros Bernhard Gross, um método eficaz de produzir células solares do tipo BHJ com boa eficiência e reprodutibilidade. Esse primeiro desafio foi alcançado com sucesso. A eficiência (η) de um dispositivo fotovoltaico de multicamadas depende de muitos fatores. Dentre eles, uma boa superposição entre o espectro solar e a curva de absorção da camada absorvedora, uma excelente conversão da energia luminosa em portadores de carga, um eficiente processo de condução e uma perda mínima por recombinação e armadilhamento de portadores. Além disso, a compatibilidade eletrônica entre as interfaces tem um papel fundamental na definição na tensão de circuito aberto (VOC), no valor da corrente de curto-circuito (JSC), e no fator de preenchimento (FF). Baseado nesses efeitos, realizamos uma série de medidas experimentais, que auxiliado por um modelo teórico proporcionaram um estudo detalhado da evolução em função da temperatura da mobilidade dos portadores (μ) e de seu tempo de vida (τ). Os principais experimentos nessa tese foram realizados em diferentes temperaturas (entre 100 e 340 K). Foram eles: medidas de fotocorrente - Jph(V), a técnica de foto-CELIV, e medidas de transiente de fotovoltagem (TPV). Em paralelo, desenvolvemos o modelo teórico para a descrição analítica de Jph(V) que assumiu contatos não-injetores e que o livre caminho médio (w = μτF) de elétrons e buracos eram iguais (F é o campo elétrico). Nos ajustes teórico/experimental usamos a probabilidade de dissociação dos estados de transferência de carga (P) e o produto μτ como parâmetros de ajuste. A condição na qual o livre caminho médio é maior que a espessura da amostra (w >> L) reproduz a corrente de saturação reversa, Jsat = qGPLG é a taxa de geração dos éxcitons. Para w << L, a fotocorrente varia linearmente com o livre caminho médio, ou seja, J(F) = qGPμτF. A comparação entre os resultados experimentais e os teóricos permitiram, além da obtenção da evolução das grandezas μ e τ com a temperatura, estabelecer uma relação efetiva entre os parâmetros da célula (η, JSC, e FF) e as propriedades elétricas da camada ativa P3HT:PCBM. As medidas termo-mecânicas (DMA) forneceram informações adicionais sobre mudanças estruturais da camada ativa, as quais foram correlacionadas com variações dos parâmetros da célula e com fatores de perda. Finalmente, medidas de tempo-de-voo (TOF) e de CELIV foram realizadas para estudos mais detalhados sobre mecanismos de transporte ao longo da camada ativa, a efeitos de injeção pelos eletrodos, e para o entendimento de efeitos de degradação pela ação do oxigênio. / This thesis aims to investigate electrical characteristics of an ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Ca/Al device, which is a well-known structure of a bulk-heterojunction (BHJ) organic solar cell, and to contribute to improve its performance. However, the first step was to introduce in the Group of Polymer Bernhard Gross an effective method for producing BHJ solar cells, manufacturing thus devices exhibiting excellent performance and reproducibility. This thesis aims to investigate electrical characteristics of an ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Ca/Al device, which is a well-known structure of a bulk-heterojunction (BHJ) organic solar cell, and to contribute to improve its performance. However, the first step was to introduce in the Group of Polymer Bernhard Gross an effective method for producing BHJ solar cells, manufacturing thus devices exhibiting excellent performance and reproducibility. This goal was successfully achieved. The good efficiency (η) of a multilayer photovoltaic cell depends on many factors, including good overlap between the solar spectrum and the light absorbing layer, an excellent conversion of the absorbed light energy in pairs of electronic carriers, efficient charge transport and the minimum losses by recombination or by the action of deep traps for the carriers. Furthermore, the compatibility between electronic interfaces plays a crucial role in defining the open-circuit voltage (VOC) and the value of short-circuit current (JSC), and on the fill factor (FF). Anchored on these effects, we carried out a series of experiments, aided by a theoretical modeling, which provided a detailed study of the temperature evolution of fundamental electric quantities such as carrier mobility (μ) and its lifetime (τ). These studies were performed with the help of different experiments: photocurrent in function of the applied voltage  Jph(V), Photo-CELIV technique, and Transient Photovoltage (TPV) measurements, which were carried out at several temperatures in the 100 to 340 K range. In parallel, we developed an analytical model for Jph(V) that assumed non-injecting contacts and equal mean-free-paths for electrons and holes. The theoretical/experimental entities used as fitting parameters were the charge-transfer-state dissociation probability (P) and the μτ product. The condition in which the mean-free-path (w = μτF) is higher the sample thickness (L), the model reproduces the experimental reverse saturation current, Jsat = qGPL, which is coincident with the experimental value. F is the internal electric field and G is the generation rate of excitons by the absorbed light. When w << L, J(F) = qGPμτF, which is also coincident with experimental behavior. The confrontation between the experimental results and the theoretical model provided, in addition to the study of the evolution of μ and τ with temperature, to establish a more effective relationship between the parameters (η, JSC, e FF) of the cell and the electrical properties of the P3HT:PCBM active layer. Thermomechanical analysis (DMA) provided additional information of structural changes of active layer, which can be correlated with change in the loss factor and in the cell parameters. Finally, Time-of-Flight (TOF) and CELIV techniques were used in the more accurate study of charge transport along the active layers, effects of injection by the electrodes, and the degradation effect caused by oxygen.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:15:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 5738.pdf: 3104025 bytes, checksum: 27f8126e91dc4b23ddd37a2e733a23fa (MD5) Previous issue date: 2014-01-29 / Universidade Federal de Sao Carlos / In the present thesis, we realize a computational modeling of semiconductor structures based on multiple quantum wells with filter barriers and on quantum wells with semiconductor diluted magnetic layers. We numerically solve the time-dependent Schrödinger s equation within the effective mass approximation, using the Split Operator method. Through the time evolved wave functions we access the dynamics quantities as the light assisted couplings of the states, in which the light is described by the inclusion of an oscillating electric field in the Hamiltonian. Then we determine the probabilities of absorption, oscillator strengths of the intersubband transitions induced by the light. Moreover we analyze the transmission probabilities and, in special, the system s photocurrent. The eigenstates and the eigenfunctions of the stationary states are also obtained within the method by simply making an imaginary time evolution. In the first work, the photocurrent of a multiple quantum well structure with filter barriers modulating the continuum above the wells was analyzed as a function of the applied bias. We find out an interesting dependence of the photocurrent with the applied field, as a differential negative photoconductance controlled by the field. We attribute this negative conductance to the interaction between the localized and extended states in the continuum, expressed by anticrossings between these states and the enhancement of the photocurrent at the crossings by the Landau-Zener-Stückelberg-Majorama like transitions. In the second work, it was evaluated the spin polarized photocurrent arising from quantum well s structures of GaMnAs, under light, electric and magnetic fields of few teslas. The study shows the existence of spectral domains in the THz ranges for which the proposed structure is strongly spin selective. For such photon frequencies, the photocurrent is spin polarized and the application of the external electric field reverts the polarization s signal. This behavior suggests the possibility of conveniently simple switching mechanisms. The physics underlying these results is studied and understood in terms of the spin-dependent coupling strengths emerging from the particular potential profiles of the heterostructures. We present two additional works related to the main ones. In the first additional one, we evaluated the dark current of the multiple quantum well structure with and without filter barriers. For doing this, we add totally the transmission probability through the structure in the Levine s model for the dark current. We observe that dark current is considerably reduced for the structure with the filter barriers when compared to the structure without these barriers. In the second additional work, we calculate the photocurrent in a ZnMnSe structure. We observe the generation of a spin polarized photocurrent controlled by the external electric field, as in the case of the GaMnAs structures. / Na presente tese, realizamos a modelagem computacional de estruturas semicondutoras baseadas em poços quânticos múltiplos com barreiras de filtro e em poços quânticos com camadas de material semicondutor magnético diluído. Para tanto, resolvemos numericamente a equação de Schrödinger dependente do tempo na aproximação de massa efetiva, por meio da evolução temporal das funções de onda do sistema, utilizando o chamado método do Split- Operator. Com as funções de onda evoluídas no tempo temos acesso às variáveis dinâmicas do sistema, como os acoplamentos entre os estados pela presença de luz, descrita na forma de um campo elétrico oscilante. Determinamos assim as probabilidades de absorção, forças de oscilador das transições intersubbandas geradas por essa excitação com luz, as probabilidades de transmissão através da estrutura e, em especial, o espectro de fotocorrente proveniente desses sistemas semicondutores. As autofunções e as autoenergias dos estados estacionários dos sistemas são obtidas pelo mesmo método realizando a evolução em tempo imaginário. No primeiro trabalho, a fotocorrente da estrutura de poços quânticos múltiplos com barreiras de filtro foi analisada em função do campo elétrico aplicado à estrutura. Foi encontrada uma dependência da fotocorrente com o campo elétrico bastante interessante, na forma de uma fotocondutância negativa controlada pelo campo elétrico aplicado à heteroestrutura. Atribuímos essa condutância negativa à interação entre estados localizados e estendidos no continuo se manifestando na forma de anticrossings e o aumento da fotocorrente para os valores de campo elétrico nos quais ocorrem esses crossings foi associado a transições de dois níveis do tipo Landau-Zener-Stückelberg-Majorama. No segundo trabalho, foi calculada a fotocorrente polarizada em spin de estruturas de poços quânticos de GaMnAs, na presença de um campo elétrico varável e um campo magnético de poucos teslas. O estudo mostrou a existência de domínios espectrais na região de THz do espectro eletromagnético, para os quais as estruturas propostas são altamente seletivas em spin. Para tais frequências, encontramos que a fotocorrente é polarizada em spin e a aplicação do campo elétrico é capaz de reverter forma muito eficiente o sinal da polarização. O comportamento observado sugere a possibilidade de mecanismos simples de controle sobre a fotocorrente e a Física por trás de tais efeitos foi entendida em termos dos acoplamentos dependentes de spin dos estados da estrutura, emergentes do perfil de potencial particular das heteroestruturas. Apresentamos dois trabalhos adicionais diretamente relacionados aos trabalhos principais. No primeiro trabalho, calculamos a corrente de escuro proveniente da estrutura de poços quânticos múltiplos com e sem barreiras de filtro, adicionando de forma integral a probabilidade de transmissão através da estrutura no modelo de Levine que determina essa corrente. Observamos que a presença das barreiras de filtro diminui significativamente a corrente de escuro dessa estrutura no regime de altos valores de campo elétrico. No segundo trabalho adicional, foi calculada a fotocorrente de uma estrutura de PQ com camada DMS, composta por ZnMnSe. Observamos a possibilidade de controle da polarização de spin com o campo elétrico, assim como no caso da estrutura composta de GaMnAs.

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / The recent progress in the manufacturing of semiconductor quantum dots (QD) systems has made possible the coherent control of quantum states in QDs using optical or electrical techniques. Laser pulses have been recently used to coherently coponto quânticontrol the exciton population in QDs. The coherent manipulation of quantum states is a high priority task to the development of quantum information and quantum computation. One particular signature of coherency in quantum systems is the Rabi oscillations, which were recently observed in a few experimental works. Here we theoretically study a system composed of a semiconductor QD, tunnel coupled to electron reservoirs. In the presence of a laser field an electron-hole pair is created in the QD. An external source-drain (bias) voltage allows electrons and holes to tunnel to the reservoirs. The study was developed via the non-equilibrium Green s function technique. We solve numerically a set of coupled differential equations to the retarded and lesser Green functions. This gives the occupation probabilities of the two levels of the QD and the laserinduced photocurrent as a function of time. We focus our attention on the effects of temperature on the Rabi oscillations. Our main findings encompass a thermal activated Pauli blockade of the Rabi oscillations that can be controlled via the reservoirs temperature. We also discussed the effects of this thermal activation of Pauli blockade on the photocurrent. These results suggest that ability to measure temperatures via quantum coherent signals, thus suggesting the possibility of a new quantum-dot based thermometer. / O recente progresso na fabricação de sistemas de pontos quânticos semicondutores (PQ) tem tornado possível o controle coerente de estados quânticos em PQs utilizando técnicas ópticas ou elétricas. Pulsos de laser têm sido recentemente utilizados para controlar coerentemente a população de éxcitons em PQs. A manipulação coerente de estados quânticos é uma tarefa de alta prioridade para o desenvolvimento da informação e computação quântica. Uma assinatura particular de coerência em estados quânticos são as oscilações de Rabi, as quais foram recentemente observadas em trabalhos experimentais. Neste trabalho estudamos, teoricamente, um sistema composto por um PQ semicondutor, túnel-acoplado a reservatórios de elétrons. Na presença de um campo de laser um par elétron-buraco é criado no PQ. Uma tensão fonte-dreno (bias) permite que elétrons e buracos tunelem para os reservatórios. O estudo foi desenvolvido através da técnica de funções de Green de não-equilíbrio. Resolvemos numericamente um conjunto de equações diferenciais acopladas para as funções de Green retardada e menor. Estas fornecem a probabilidade de ocupação dos dois níveis no PQ e a fotocorrente induzida por laser. Concentramos nossa atenção nos efeitos da temperatura sobre as oscilações de Rabi. Nossos principais resultados incluem um bloqueio de Pauli termicamente ativado na fotocorrente. Estes resultados sugerem a habilidade de medir temperatura via sinais quânticos coerentes, sugerindo, assim, a possibilidade de um novo termômetro baseado em pontos quânticos. / Mestre em Física