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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-31082011-112444 |
| Date | 26 July 2011 |
| Creators | Coutinho, Douglas José |
| Contributors | Faria, Roberto Mendonça |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | Dissertação de Mestrado |
| Format | application/pdf |
| Rights | Liberar o conteúdo para acesso público. |
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