Desenvolvimento de elétrodos transparentes com base em condutores orgânicos para aplicações em dispositivos fotovoltaicos orgânicos

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Ablú, António Eduardo Heitor
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10400.21/15956
Resumo: Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química e Biológica
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spelling Desenvolvimento de elétrodos transparentes com base em condutores orgânicos para aplicações em dispositivos fotovoltaicos orgânicosPEDOT:PSSPolímeros condutoresOxetanosFilmes finosITOOPVConducting polymersOxetaneThin filmsTrabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química e BiológicaNa área da eletrónica flexível, o desenvolvimento de filmes finos com base em polímeros muito condutores que possam atuar como elétrodos, representa um tópico de grande relevância, devido às propriedades dos polímeros, como o processamento em solução, que permitem fabricar camadas finas sobre substratos flexíveis e com baixo custo. Este trabalho incidiu sobre a otimização das propriedades de filmes finos de PEDOT:PSS (poli(3,4 – etileno dioxitiofeno):poli(estireno sulfonato)), nomeadamente condutividade elétrica e resistência estrutural à água, através da utilização de 3-oxetanol (OxOH) como aditivo na dispersão aquosa de PEDOT:PSS. O PEDOT:PSS destaca-se, de entre os polímeros condutores, pela sua elevada transmitância na região do visível quando na forma de filmes finos (~ 100 nm) e pelo seu processamento em dispersão aquosa. Assim, foram preparados filmes finos com base em misturas de PEDOT:PSSaq. e OxOH, com várias concentrações de OxOH, entre 0,01 e 0,15 g/mL, em substratos de vidro, pelo método de spin-coating e as suas propriedades foram estudadas. Verificou se que, quando imersos em água, os filmes das misturas com 3-oxetanol sofrem reduções nas suas espessuras de apenas de cerca de 20 a 58 %, o que representa uma melhoria muito significativa face aos filmes de PEDOT:PSS puro, que sofrem re dispersão quase total. Para os filmes das novas misturas, a condutividade superou a dos filmes de PEDOT:PSS puro (1 S/cm) em mais de duas ordem de grandeza, tendo se obtido valores de condutividade acima de 460 S/cm. Atingiram-se ainda aumentos superiores, através do aumento da temperatura de secagem dos filmes e da imersão dos filmes em água, tendo-se obtido uma condutividade de 1245  262 S/cm para filmes aquecidos a 250 ºC durante 10 minutos. Com base em estudos de 1H-RMN, concluiu se que o composto 3-oxetanol no meio de PEDOT:PSS reage e forma cadeias poliéter, cujas interações com o PSS deverão provocar segregação das cadeias de PEDOT e originar domínios ordenados deste em que o transporte de cargas elétricas é favorecido. Os aumentos de condutividade obtidos foram também relacionados com alterações conformacionais nos segmentos de cadeias de PEDOT, de estruturas benzenoidais para quinoidais, conforme indicado por espectroscopia de Raman. Por fim, um dos filmes mais condutores e que apresentou maior homogeneidade foi incorporado em dispositivos fotovoltaicos orgânicos, substituindo o elétrodo transparente, de óxido misto de índio e estanho (ITO). Os dispositivos com o novo elétrodo apresentaram bom desempenho, tendo-se obtido uma redução de apenas 16% na sua eficiência de conversão energética, em relação a dispositivos análogos, com ITO.In the area of flexible electronics, the development of thin films based on conducting polymers that can perform as electrodes represents a topic of great relevance, due to the properties of polymers, such as solution processing, which allow the deposition of thin layers on flexible substrates at low cost. This work focused on the optimization of the properties of PEDOT:PSS (poly(3,4 - ethylenedioxithiophene):poly(styrenesulfonate)) thin films, namely electrical conductivity and structural resistance in water, by using 3-oxetanol (OxOH) as an additive in the PEDOT:PSS aqueous dispersion. PEDOT:PSS stands out among conductive polymers for its high transmittance in the visible region when in the form of thin films (~ 100 nm) and for its processing in aqueous dispersion. Thus, thin films based on mixtures of PEDOT:PSSaq. and OxOH, with various concentrations of OxOH, between 0.01 and 0.15 g/mL, were prepared on glass substrates by the spin-coating method and their properties were studied. It was found that, when immersed in water, the films of the mixtures with 3-oxetanol suffer reductions in their thicknesses of only about 20 to 58 %, which represents a very significant improvement compared with the pure PEDOT:PSS films, which suffer almost total re-dispersion. For the films of the new mixtures, the conductivity exceeded that of the pure PEDOT:PSS films (1 S/cm) by more than two orders of magnitude, with conductivity values above 460 S/cm being obtained. Further increases were achieved by increasing the drying temperature of the films and by immersing the films in water; a conductivity of 1245 ± 262 S/cm was obtained for films heated at 250 ºC for 10 minutes. Based on 1H-MRN studies, it was concluded that the compound 3-oxetanol in PEDOT:PSS medium reacts and forms polyether chains, whose interactions with PSS should cause segregation of PEDOT chains and originate ordered domains in which the transport of electric charges is facilitated. The obtained increases in conductivity were also related to conformational changes in the PEDOT chain segments from benzenoid to quinoid structures, as indicated by Raman spectroscopy. Finally, one of the most conducting formulations, which combined both high conductivity and film homogeneity, was used to prepare films for replacing the transparent, indium tin oxide (ITO) electrode in organic photovoltaic devices. The devices with the new electrode showed good performance, with a reduction of only 16% in their power conversion efficiency, when compared to analogous devices with ITO.Instituto Superior de Engenharia de LisboaCharas, Ana Maria de MatosMatos, ManuelRCIPLAblú, António Eduardo Heitor2023-04-28T11:43:43Z2022-122022-12-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10400.21/15956TID:203282990porABLÚ, António Eduardo Heitor – Desenvolvimento de elétrodos transparentes com base em condutores orgânicos para aplicações em dispositivos fotovoltaicos orgânicos. Lisboa: Instituto Superior de Engenharia de Lisboa, 2022. Dissertação de Mestrado.info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-08-03T10:14:05Zoai:repositorio.ipl.pt:10400.21/15956Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T20:23:32.379196Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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