Estudo e caracterização de células solares de heterojunção livres de fulereno : PBTTPD/N2200

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Silva, Patrick Pascoal de Brito
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UnB
Texto Completo: https://repositorio.unb.br/handle/10482/38431
Resumo: Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2020.
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spelling Estudo e caracterização de células solares de heterojunção livres de fulereno : PBTTPD/N2200Célula solar orgânicaDispositivos fotovoltaicosPolímeros condutoresEletrônica orgânicaTese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2020.Nos últimos tempos pesquisas sobre células solares orgânicas (OSCs) obtidas da heterojunção de volume (BHJ) em misturas entre polímeros doadores e materiais aceitadores derivados de fulereno têm sido intensificadas, pelo fato de apresentarem valores de eficiência de conversão de potência (PCE) satisfatórios. Entretanto, a saturação das pesquisas com esse tipo de material incentivou a busca por outras opções e muitos estudos testam alternativas ao fulereno, uma vez que os resultados de PCE em dispositivos feitos com a mistura de polímeros livres de fulereno são promissores. Neste trabalho foi feita a caracterização dos filmes das misturas dos polímeros PBTTPD e N2200 com o objetivo de observar o comportamento das propriedades ópticas e morfológicas diante da variação de temperatura e da concentração das soluções usadas na deposição dos filmes. Foram realizadas medidas de espectroscopia UV-Vis e fotoluminescência nos filmes, além da caracterização morfológica dos mesmos. Além disso, foi desenvolvida uma célula solar orgânica com a estrutura FTO/PEDOT:PSS/PBTTPD:N2200/ZnO-Al/Ag para observar o efeito fotovoltaico e investigar os impactos na eficiência do dispositivo diante das variações de parâmetros propostas. Uma das premissas foi utilizar uma camada ativa feita apenas com polímeros, sem a presença de compostos com fulerenos. Do mesmo modo, desenvolver todo o filme em atmosfera ambiente foi importante, já que viabilizar a produção de células solares orgânicas em ambientes sem controles rígidos de atmosfera é essencial para popularização das OSCs. Os resultados das análises ópticas mostraram um espectro de absorção que aproveita grande parte a radiação solar visível (entre 350 e 800 nm), e a supressão da fotoluminescência permitiu comprovar a afinidade dos dois materiais para uso como camada ativa de dispositivos fotovoltaicos. Foi observada uma ampla contribuição da absorção para a fotocorrente, que foi comprovada por medidas de eficiência quântica externa (EQE). A morfologia dos filmes apresentou um comportamento regular e com separação de fase não tão visível nas imagens obtidas através de microscopia de força atômica (AFM). A grande miscibilidade entre os dois materiais propostos se mostrou promissora, visto que foi conseguido um razoável efeito fotovoltaico mesmo com dispositivo desenvolvido em condições ambiente. Os resultados da caracterização elétrica do melhor dispositivo apresentaram valores máximos de PCE de 1,4%, com densidade de corrente de curto circuito de 5,10 mA/cm2, tensão de circuito aberto de 0,85 V e fator de preenchimento de 31,1 %. A partir destes resultados é possível concluir que a mistura com polímeros livres de fulereno proposta neste trabalho é uma alternativa viável para a fabricação de OPVs, podendo ser feitos diversos estudos de otimização para melhoria da eficiência de células solares orgânicas com os polímeros PBTTPD e N2200.In recent times, research on organic solar cells (OSCs) obtained from bulk-heterojunction (BHJ) in mixtures between donor polymers and acceptor materials derived from fullerene has been intensified, since they present satisfactory power conversion efficiency (PCE) values. However, the saturation of research with this type of material has encouraged the search for other options and many studies test alternatives to fullerene, since the results of PCE in devices made with the mixture fullerene free are promising. In this work, the characterization of the films of the PBTTPD/N2200 mixtures was made in order to observe the behavior of the optical and morphological properties in relation to the temperature variation and the concentration of the solutions used in the deposition of the films. Measurements of UV-Vis spectroscopy and photoluminescence were performed on the films, in addition to their morphological characterization. In addition, an organic solar cell with the structure FTO/PEDOT:PSS/PBTTPD:N2200/ZnO-Al/Ag was developed to observe the photovoltaic effect and investigate the impacts on the efficiency of the device in the face of the proposed parameter variations. One of the presumptions was to use an active layer made only with polymers, without the presence of compounds with fullerenes. Likewise, developing the entire film in an ambient atmosphere was important, since enabling the production of organic solar cells in environments without strict atmosphere controls is essential for the popularization of OSCs. The results of the optical analyzes showed an absorption spectrum that utilizes the most of visible solar radiation (between 350 and 800 nm), and the suppression of photoluminescence allowed to prove the affinity of the two materials for use as an active layer of photovoltaic devices. A great contribution of absorption to the photocurrent was observed, which was confirmed by measures of external quantum efficiency (EQE). The morphology of the films was highly reproducible and with phase separation not so visible in the images obtained through atomic force microscopy (AFM). The great miscibility between the two proposed materials proved to be promising, since a reasonable photovoltaic effect was achieved even with a device developed in environment conditions. The results of the electrical characterization showed maximum PCE values of 1.4%, with a short circuit current density of 5.10 mA/cm2, an open circuit voltage of 0.85 V and a fill factor of 31.1%. From these results is possible to conclude that the mixture with fullerene free polymers is a viable alternative for the manufacture of OPVs, and several optimization studies can be made to improve the efficiency of organic solar cells with the PBTTPD and N2200 polymers.Ceschin, Artemis MartiSilva, Patrick Pascoal de Brito2020-06-29T20:44:25Z2020-06-29T20:44:25Z2020-02-07info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfSILVA, Patrick Pascoal de Brito. Estudo e caracterização de células solares de heterojunção livres de fulereno : PBTTPD/N2200. 2020. 85 f., il. Tese (Doutorado em Engenharia de Sistemas Eletrônicos e Automação)—Universidade de Brasília, Brasília, 2020.https://repositorio.unb.br/handle/10482/38431A concessão da licença deste item refere-se ao termo de autorização impresso assinado pelo autor com as seguintes condições: Na qualidade de titular dos direitos de autor da publicação, autorizo a Universidade de Brasília e o IBICT a disponibilizar por meio dos sites www.bce.unb.br, www.ibict.br, http://hercules.vtls.com/cgi-bin/ndltd/chameleon?lng=pt&skin=ndltd sem ressarcimento dos direitos autorais, de acordo com a Lei nº 9610/98, o texto integral da obra disponibilizada, conforme permissões assinaladas, para fins de leitura, impressão e/ou download, a título de divulgação da produção científica brasileira, a partir desta data.info:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da UnBinstname:Universidade de Brasília (UnB)instacron:UNB2023-07-21T05:29:34Zoai:repositorio.unb.br:10482/38431Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.unb.br/oai/requestrepositorio@unb.bropendoar:2023-07-21T05:29:34Repositório Institucional da UnB - Universidade de Brasília (UnB)false
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