Um dos grandes desafios do século XXI está na produção de energia limpa e renovável, já que a demanda mundial por energia continuará crescendo, assim como a necessidade de despoluir o planeta e de diminuir a emissão dos gases do efeito estufa. Nesse contexto, a conversão de energia solar em elétrica coloca-se como uma excelente alternativa, e com isso a dos dispositivos fotovoltaicos. A tecnologia fotovoltaica baseada no silício e em outros semicondutores orgânicos encontra-se em estágio relativamente avançado, porém o custo de produção e de manutenção a proíbe em uso de grande escala. Mais recentemente, iniciaram-se pesquisas com filmes de semicondutores orgânicos, e a rápida melhora na performance dessas células solares a coloca como promissora ao mercado fotovoltaico. Em nosso trabalho, realizamos estudos sobre a performance de dispositivos fotovoltaicos orgânicos baseados na estrutura de heterojunção, estudando a influência de vários parâmetros na performance dos dispositivos. Usamos como camada ativa para nossos dispositivos o poli(3-hexiltiofeno) (P3HT) regiorregular, que é um polímero condutor de gap eletrônico em torno de 1,8 eV misturado ao [6,6]-fenil-C61-ácido butírico-metil ester (PCBM). Essa mistura é apropriada à dissociação dos éxcitons gerados nas cadeias poliméricas pelos fótons absorvidos porque, sendo o PCBM muito eletronegativo, ele captura o elétron do éxciton antes do processo natural de recombinação. Como esse fenômeno ocorre em todo o volume da camada ativa, o dispositivo leva o nome de heterojunção de volume. A estrutura básica que usamos foi de ITO/P3HT-PCBM/Al, isto é, o ITO como eletrodo transparente e bom injetor de buracos e o alumínio como eletrodo injetor de elétrons. Outros dispositivos foram feitos adicionando uma camada transportadora de buracos entre o ITO e o polímero ativo, o Poli(3,4-etileno dióxido-tiofeno):poliestireno-sulfonado (PEDOT:PSS) e/ou cálcio (Ca) entre a camada de alumínio e o polímero. Verificamos que a performance do dispositivo fotovoltaico é bastante alterada quando mediante o contato utilizado, a espessura da camada ativa e a temperatura em que o tratamento térmico é realizado. Investigou-se também, os mecanismos de injeção, transporte e geração de portadores sob variação de temperatura, no intervalo de 90 à 330K. Foi mostrado que, mediante a variação da temperatura, a corrente de curto circuito (JSC), é governada principalmente pela mobilidade dos portadores. A eficiência dos dispositivos desenvolvidos neste trabalho é comparável aos principais valores obtidos na atualidade. Para obtenção destes resultados, foi necessária intensa pesquisa em processamento, principalmente mantendo todas as etapas de fabricação em atmosfera controlada. / One big challenge of the humanity along the 21st Century is to produce energy based on clean and renewable sources. The energy consumption certainly will increase, as well as the necessity in decreasing the emission of greenhouse gases. In this context, solar energy becomes an important alternative for the production of electric energy, in particular, that of photovoltaic devices. Photovoltaics made of silicon and of other inorganic semiconductors are already available, but due to the high cost is not an alternative to produce energy in a large scale. More recently, the organic photovoltaics, due to their quick progress, have becoming as promising technology for the solar energy market. In this work, we studied bulk heterojunction organic photovoltaics, varying several parameters and its influence on the device performance. We used regio-regular poli(3-hexylthiophene) (P3HT), that has an electronic gap close to 1.8 eV, mixed with [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM). PCBM acts in order to dissociate the photogenerated exciton because, being highly electronegative, it captures the electron form the exciton before the recombination process. We used as basic structure the ITO/P3HT-PCBM/Al. ITO as transparent electrode and injector of holes, and aluminum as the electrons injector electrode. In other devices we added a thin layer of Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS), as hole transport layer and/or calcium (Ca) between the Al and the polymer. We verify that the device performance changes considerably with the insertion of such layers, and with the thickness of the active layer and the annealing treatment. We also investigated phenomena related to injection, generation and transport of charge carriers, in the 90-330 K temperature range. We showed that the temperature is the main factor that governs the short-circuit current (JSC). It is important to remark that our devices exhibited similar efficiency compared to that of the literature.

Um dos grandes desafios do século XXI está na produção de energia limpa e renovável, já que a demanda mundial por energia continuará crescendo, assim como a necessidade de despoluir o planeta e de diminuir a emissão dos gases do efeito estufa. Nesse contexto, a conversão de energia solar em elétrica coloca-se como uma excelente alternativa, e com isso a dos dispositivos fotovoltaicos. A tecnologia fotovoltaica baseada no silício e em outros semicondutores orgânicos encontra-se em estágio relativamente avançado, porém o custo de produção e de manutenção a proíbe em uso de grande escala. Mais recentemente, iniciaram-se pesquisas com filmes de semicondutores orgânicos, e a rápida melhora na performance dessas células solares a coloca como promissora ao mercado fotovoltaico. Em nosso trabalho, realizamos estudos sobre a performance de dispositivos fotovoltaicos orgânicos baseados na estrutura de heterojunção, estudando a influência de vários parâmetros na performance dos dispositivos. Usamos como camada ativa para nossos dispositivos o poli(3-hexiltiofeno) (P3HT) regiorregular, que é um polímero condutor de gap eletrônico em torno de 1,8 eV misturado ao [6,6]-fenil-C61-ácido butírico-metil ester (PCBM). Essa mistura é apropriada à dissociação dos éxcitons gerados nas cadeias poliméricas pelos fótons absorvidos porque, sendo o PCBM muito eletronegativo, ele captura o elétron do éxciton antes do processo natural de recombinação. Como esse fenômeno ocorre em todo o volume da camada ativa, o dispositivo leva o nome de heterojunção de volume. A estrutura básica que usamos foi de ITO/P3HT-PCBM/Al, isto é, o ITO como eletrodo transparente e bom injetor de buracos e o alumínio como eletrodo injetor de elétrons. Outros dispositivos foram feitos adicionando uma camada transportadora de buracos entre o ITO e o polímero ativo, o Poli(3,4-etileno dióxido-tiofeno):poliestireno-sulfonado (PEDOT:PSS) e/ou cálcio (Ca) entre a camada de alumínio e o polímero. Verificamos que a performance do dispositivo fotovoltaico é bastante alterada quando mediante o contato utilizado, a espessura da camada ativa e a temperatura em que o tratamento térmico é realizado. Investigou-se também, os mecanismos de injeção, transporte e geração de portadores sob variação de temperatura, no intervalo de 90 à 330K. Foi mostrado que, mediante a variação da temperatura, a corrente de curto circuito (JSC), é governada principalmente pela mobilidade dos portadores. A eficiência dos dispositivos desenvolvidos neste trabalho é comparável aos principais valores obtidos na atualidade. Para obtenção destes resultados, foi necessária intensa pesquisa em processamento, principalmente mantendo todas as etapas de fabricação em atmosfera controlada. / One big challenge of the humanity along the 21st Century is to produce energy based on clean and renewable sources. The energy consumption certainly will increase, as well as the necessity in decreasing the emission of greenhouse gases. In this context, solar energy becomes an important alternative for the production of electric energy, in particular, that of photovoltaic devices. Photovoltaics made of silicon and of other inorganic semiconductors are already available, but due to the high cost is not an alternative to produce energy in a large scale. More recently, the organic photovoltaics, due to their quick progress, have becoming as promising technology for the solar energy market. In this work, we studied bulk heterojunction organic photovoltaics, varying several parameters and its influence on the device performance. We used regio-regular poli(3-hexylthiophene) (P3HT), that has an electronic gap close to 1.8 eV, mixed with [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM). PCBM acts in order to dissociate the photogenerated exciton because, being highly electronegative, it captures the electron form the exciton before the recombination process. We used as basic structure the ITO/P3HT-PCBM/Al. ITO as transparent electrode and injector of holes, and aluminum as the electrons injector electrode. In other devices we added a thin layer of Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS), as hole transport layer and/or calcium (Ca) between the Al and the polymer. We verify that the device performance changes considerably with the insertion of such layers, and with the thickness of the active layer and the annealing treatment. We also investigated phenomena related to injection, generation and transport of charge carriers, in the 90-330 K temperature range. We showed that the temperature is the main factor that governs the short-circuit current (JSC). It is important to remark that our devices exhibited similar efficiency compared to that of the literature.

As aplicações dos dispositivos conversores de energia luminosa, principalmente da luz solar, em energia elétrica são muito variadas e com freqüência surge a possibilidade de uma nova aplicação. Muito tem sido discutido sobre aplicações de células solares em vestimentas, mochilas, tetos de estacionamentos e em embalagens eletrônicas. Esses tipos de aplicações não exigem dispositivos de alto desempenho, porém exigem que seja de baixo custo de processamento e, principalmente, que sejam flexíveis. Dispositivos fotovoltaicos flexíveis devem então ser fabricados por técnicas simples de processamento para permitir sua eventual produção em massa. Esse trabalho pretende dar uma contribuição na escolha dos materiais a serem usados em dispositivos fotovoltaicos flexíveis, focando seu desenvolvimento em células solares orgânicas de heterojunção de volume (BHJ), que são comumente processadas por solução. A estrutura escolhida foi a convencional de multicamadas onde o anodo transparente é o ITO (óxido de índio-estanho), seguida de uma camada transportadora de buracos (PEDOT:PSS), da camada ativa, e do cátodo, que em nosso caso foi formado por cálcio e alumínio, ambos depositados a vácuo. Como camada ativa, principal elemento de estudo nesse trabalho, foram estudados o P3HT:PC61BM, e o PTB7-Th:PC71BM, como elementos doador de elétrons (polímero) e aceitador de elétrons (derivado de fulereno). Em especial com o dispositivo fabricado com o PTB7-Th:PC71BM foi possível elaborar mudanças de processamento e assim melhorar consideravelmente a sua eficiência de conversão de potência. Em seguida, através de medidas de corrente-tensão (J-V) no escuro e sob iluminação, pudemos analisar a evolução dos parâmetros das células, como as resistências série (Rs) e paralelo (Rp), e também aqueles que definem a qualidade da célula solar: a corrente de curto-circuito (Jsc), a tensão de circuito aberto (Voc), o fator de preenchimento (FF), e a eficiência (η). Através dos ajustes das curvas J-V, no escuro e sob iluminação, usando expressões de J(V) extraídas de circuitos equivalentes, respectivamente, dos diodos e das células solares, pudemos realizar uma análise mais efetiva de como as resistências série e paralelo mudam com os elementos da camada ativa e também com diferentes processamentos. O fator de preenchimento (FF) é outro parâmetro importante que determina a eficiência de conversão de energia de uma célula solar orgânica, e existem vários fatores que podem influenciar significativamente o seu valor. Essa é uma das razões do porquê é difícil identificar a real origem desse parâmetro. Essa tese também deu elementos que correlacionam a estrutura química e morfológica da camada ativa com o fator de preenchimento. / The applications of light energy converters, especially the sunlight, in electrical energy are very varied and there is often the possibility of the appearance of new applications. Much has been discussed about solar cell applications in clothing, backpacks, parking ceilings and in electronic packaging. These types of applications do not require high-performance devices, but they do require low-cost processing and, above all, that they are flexible. Flexible photovoltaic devices must then be manufactured by simple processing techniques to allow their eventual mass production. This work intends to contribute to the choice of materials to be used in flexible photovoltaic devices, focusing their development on organic bulk heterojunction solar cells (BHJ), which are commonly processed via solution. The structure chosen for the device was the multilayer one, where the transparent anode is the ITO (indium- tin oxide), followed by a hole transport layer (PEDOT:PSS), the active layer, and the cathode, which in our case was formed by calcium and aluminum, both deposited under vacuum. As active layer, the main element of study in this work, we studied the P3HT: PC61BM and the PTB7-Th: PC71BM, as electron donor (polymer) and electron acceptor elements (derived from fullerene). In particular with the device made with the PTB7-Th:PC71BM it was possible to changes processing parameters and thus enhancing its power conversion efficiency. Then, through current-voltage measurements (J-V), in the dark and under illumination, we were able to analyze the evolution of the cell parameters, such as the series (Rs) and shunt (Rp) resistances, as well as those that define the solar cell quality: short-circuit current (Jsc), open-circuit voltage (Voc), fill factor (FF), and efficiency (η). Through the adjustments of the J-V curves, in the dark and under illumination, using J(V) expressions, for equivalent circuits of the diodes and solar cells respectively, we were able to perform a more effective analysis of how the series and shunt resistances change with the elements of the active layer and also with its processing. Fill factor (FF) is another important parameter that determines the energy conversion efficiency of an organic solar cell, and there are several factors that can significantly influence its value. This is one of the reasons why it is difficult to identify the true source of this parameter. This thesis also gave elements that correlate the chemical and morphological structure of the active layer with the fill factor.