Estudos de propriedades elétricas de dispositivos fotovoltaicos orgânicos: caracterização em regime estacionário e transiente

• Autor(a) principal: Cunha, Mariana Richelle Pereira da
• Data de Publicação: 2020
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: por
• Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
• Texto Completo: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18158/tde-09122020-130810/
• topic: circuito equivalente; dispositivos fotovoltaicos orgânicos; electrical transients; equivalent circuit; organic photovoltaic devices; recombinação de carga; recombination of charge carriers; transientes elétricos

O desenvolvimento de células solares orgânicas com estrutura do tipo BHJ (bulk heterojuntion) permitiu, ao longo dos últimos anos, um aumento significativo da eficiência de conversão de células orgânicas tornando assim cada vez mais próxima a sua utilização em larga escala. E como fator essencial para o aprimoramento e desenvolvimento de dispositivos mais eficientes está o conhecimento dos fenômenos que envolvem o processo fotovoltaico e de seus fatores limitantes. Neste sentido, na presente tese de doutoramento foram estudados os fenômenos que regem a geração, transporte e recombinação de carga, os quais governam a resposta do dispositivo sob operação. Para isto, inicialmente, trabalhou-se na otimização e caracterização fotovoltaica, através de medidas estacionárias J-V e de medidas de transientes elétricos, de dispositivos do tipo BHJ tendo três diferentes camadas ativas: P3HT:PC61BM, PCDTBT:PC71BM e PTB7-Th:PC71BM. A investigação da dinâmica de extração e recombinação de carga deu-se principalmente através de medidas de transientes elétricos baseadas nas tradicionais técnicas de transiente de fotocorrente (TPC) e transiente de fotovoltagem (TPV). No circuito elétrico experimental proposto para a realização das medidas foi adicionada uma resistência de carga (RL) variável, atuando como um divisor de tensão com a resistência em série (Rs) do dispositivo, com o qual foi possível percorrer todo o quarto quadrante da curva característica J-V do dispositivo sob iluminação, isto é, da condição de curto-circuito à condição de circuito aberto. Com o patamar de tensão, devido à iluminação permanente, foi possível reconstruir a curva de corrente estacionária correspondente à tradicional medida com tensão aplicada (J-V). Os transientes elétricos ΔV(t), que foram obtidos sob a incidência do pulso de laser, apresentaram decaimento monoexponencial, com os quais obtivemos as curvas de tempo de relaxação (τ) em função da resistência RL em dispositivos sob diferentes condições de iluminação permanente, partido do escuro até 1 Sol (100 mW/cm2). Tais medidas foram repetidas para diferentes temperaturas. As curvas foram divididas em três regiões distintas. Na região I identificamos o domínio da extração de carga; na região II a competição entre os dois mecanismos, extração e recombinação; e por fim, na região III, o domínio da recombinação bimolecular. Adicionalmente, as curvas de τ-RL foram analisadas utilizando o modelo de circuito equivalente com o qual foi possível obter uma expressão analítica capaz de descrever todo o comportamento da curva. A partir do estudo utilizando um modelo analítico de fotocorrente, baseado na cinética de recombinação de segunda ordem, foram obtidas a dependência de parâmetros como a probabilidade de dissociação do estado de transferência de carga (CT) e o parâmetro θ (figura de mérito) com a temperatura, com os quais analisamos a influência de propriedades microscópicas, tais como mobilidade de carga e coeficiente de recombinação, na resposta do dispositivo sob iluminação.