Arquitecturas y Fabricación de Celdas Solares Orgánicas · 2016-02-10 · Arquitecturas y...

Arquitecturas y Fabricación de Celdas Solares Orgánicas

Dr. Enrique Pérez Gutiérrez Investigador en estancia postdoctoral

Grupo de Propiedades Ópticas de la Materia (GPOM), División de Fotónica

Centro de Investigaciones en Óptica A.C. (CIO)

León, Guanajuato, México

E-mail [email protected]

Mayo 2014

mailto:[email protected]

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TEMARIO:

* Principio fotovoltaico en celdas solares

- Semiconductores inorgánicos

- Semiconductores Orgánicos

- Efecto fotovoltaico en una celda de Si

* Arquitectura y funcionamiento de una celda orgánica

- Estructura de una celda orgánica: bicapa y heterounión

- Configuración directa e invertida

- Arquitectura tandem

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* Dispositivos electrónicos orgánicos métodos de

fabricación - Dispositivos con compuestos de bajo peso molecular

- Dispositivos poliméricos

* Caracterización optoelectrónica

- Parámetros electrónicos

- Eficiencia de una celda solar

* Perspectivas de celdas OPVs

5

Semiconductores

Inorgánicos

6

Diamante Zincblenda

Si, Ge compuestos III-V (GaAs)

Dispositivos Electrónicos Orgánicos

Semiconductores inorgánicos

Enlace

covalente

Semiconductor intrínseco

7


Banda de conducción

Banda de valencia


Absorción de algunos semiconductores usados en celdas

solares

8


Semiconductores dopados

- Tipo n: exceso de electrones, carga negativa

-Tipo p: exceso de huecos carga positiva


9

Semiconductores

Orgánicos

10


Configuración electrónica: 1s2 2s2 2p2

Semiconductores orgánicos

11


Hibridación del carbono


12


Conjugación de orbitales


13


Conjugación de orbitales

Enlace covalente intermolecular, fuerzas tipo Van der Waals intermoleculares


14


Materiales donadores y aceptores de electrones

Análogo a dopado tipo p y n


15


Semiconductores orgánicos vs inorgánicos

Semiconductores inorgánicos vs orgánicos

16


Semiconductores orgánicos vs inorgánicos

Semiconductores inorgánicos vs orgánicos

17

Efecto

Fotovoltaico

18

Efecto fotovoltaico en una celda de Silicio

Unión P-N DIODO

19

Efecto fotovoltaico en una celda de Silicio

Efecto fotovoltaico

20

Efecto fotovoltaico en una celda de orgánica

Efecto fotovoltaico celdas orgánicas

Electrodonador Zona Activa Electroaceptor

Ánodo Cátodo Electrodo metales: Al, Ag transparente

21


Efecto fotovoltaico celdas orgánicas

22


23


24


- Homounión - Heterounión

- Excitones generan portadores - Excitones generan pares

de carga libres e-h enlazados

- La separación de cargas ocurre - La separación de cargas ocurre

en la región de deflexión en la interfaz de los materiales

Estructura de una

Celda Orgánica

26

Estructura de una celda orgánica

27

Estructura bicapa

η= 1%

C. W.Tang et al. Appl. Phys. Lett. 48 (1986) 183-185

28

Estructura bicapa

η= 1%

H. Spanggaard et al. Sol. Energy Mater. & Sol. Cells 83 (2004) 125-146

η= 5%

η= 5.7 %

- Capas buffer ayudan a la extracción y transporte de carga

29

Estructura de heterounión de volumen

J.-F. Salinas et al. Sol. Ener. Mater. & Sol. Cells 95 (2011) 595–601

30


ETL: polymer PFN, LiF, TiOx, ZnO (≈ 10 nm)

HTL: polymer PEDOT:PSS (≈ 50 nm), MoO3 (≈ 10 nm)

Cathode: Al, Ca, Ag, Wood´s Metal, Field´s Metal

31


Capa activa: polímero-fulereno

H. Hoppe et al. Adv. Func. Mater. 14 (2004)

32


Capa activa: polímero-fulereno

Relación polímero:fulereno

H. Hoppe et al. Adv. Func. Mater. 14 (2004)

Efecto del disolvente

Aditivos (Diiodoctano)

33


34


35

Arquitectura directa e invertida

Arquitectura directa

Arquitectura invertida

36

Estructura tandem

Estructura Tandem

37

Estructura tandem

Estructura Tandem Ventajas:

Voc alto

2 dispositivos en un sustrato

Desventajas:

Disminución de movilidad

Fabricación por evaporación

Separador metálico

Perdida de transmisión óptica

IT=I1 + I2 VT=V1 + V2

38

Estructura tandem

39

Estructura tandem

P3HT: Jsc = 10.8mA/cm2; Voc = 0.63 V; FF = 0.69; η = 4.7 % PCPDTBT: Jsc=9.2 mA/cm2; Voc=0.66 V; FF = 0.5; η = 3.0 % Tandem: Jsc=7.8mA/cm2; Voc=1.24 V; FF = 0.67; η = 6.5 %

40

Métodos de

Fabricación

41

Métodos de Fabricación

Depósito de películas orgánicas:

Evaporación para compuestos de bajo peso molecular

Parámetros importantes:

* Velocidad de evaporación

* Control del espesor

* Morfologia

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Polímeros Efecto del disolvente

Parámetros importantes:

* Viscosidad de la disolución, velocidad de giro, presión de vapor del disolvente.

* Espesor

* Morfología

* Miscibilidad

Del polímero y el C71

43


Celdas de área grande

Doctor blade

Roll to roll

44


45


Proceso de limpieza con baño de ultrasonido * Jabón y agua desinoizada (elimina grasas) * Alcohol (etanol o isopropanol) * Acetona (remueve residuos orgánicos) Tratamiento con plasma de oxígeno:

Óxido de indio-estaño

(ITO)

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Limpieza

Activación

47


Morfología superficial del ITO ITO electropulido Rugosidad promedio: 4.99 nm Rugosidad promedio : 2.88 nm

48


HTL: polímero (PEDOT:PSS)

Inorgánico: MoO3

ITO/Glass PEDOT:PSS (50 nm)

PEDOT:PSS

* Soluble en agua

* Depositado por spin-coating

* Secado a 120 °C 10 min

* HOMO: -5 eV

* Conductividad: 1 s/cm

MoO3

* Se deposita por evaporación

* Espesores 1-10 nm

* HOMO: -5.4 eV

5.0 eV

ITO

PE

DO

T:P

SS

4.8 eV

49


* Miscibilidad y relación polímero-fulereno

P3HT:C71 (1:0.8)

PTB6:C71 (1:1.5)

MEH-PPV:C71 (1:3)

Disolvente: Cloroformo, clorobenceno,

diclorobenceno, diclorometano.

Aditivo: Diiodoctano

La solución se agita a 85°C y se posita por

spin-coating a velocidades 1000-2000 rpm

La película se seca a 85 °C

ITO/Glass PEDOT:PSS (50 nm) Active layer (80 nm)

P3HT

PTB7

50


ETL: polímero (PFN), ZnO, TiOx, LiF

* El disolvente empleado no debe disolver a la

capa activa

* Se deposita por spin-coating o evaporación

* Debe presentar buena movilidad de

electrones

* LUMO o banda de conducción cercanos al

valor de la función trabajo del metal

empleado como cátodo

Cátodo

* Metales con baja función trabajo: Ca, Al,

Ag depositados por evaporacion

ITO/Glass PEDOT:PSS (50 nm) Active layer (80 nm)

ETL

8.1 eV

4.4 eV

Al

4.2 eV

TiO

x

51

Caracterización

optoelectrónica

52

Caracterización optoelectrónica

CURVA J-V

53


CURVA J-V

54


Circuito eléctrico Rs:

*Se asocia a la resistencia en las diferentes

interfaces orgánicas u organico-metal.

Además de la resistencia eléctrica inherente.

* Afecta el FF y en algunos casos la corriente

RSH

* Se debe a defectos que permitan

recombinación de portadores de carga

* Afecta al FF y en determinados casos al Voc

http://pveducation.org/pvcdrom/solar-cell-operation/impact-of-both-resistances

Impact of Both Series and Shunt Resistance PVEducation.htm

55


Incident Photon-to-Current Efficiency (IPCE)

56

Perspectivas de las celdas OPVs

57

http://www.heliatek.com/


58


Tiempos de vida de algunas horas en el ambiente y sin encapsulado.

Tiempos de vida Procesos que afectan a las OPVs

Trabajo del GPOM sobre celdas OPVs

60

PCBM C61, C71 MEH-PPV

Cátodo: Wood´s metal

Field´s metal

Trabajo del GPOM en celdas OPVs

61

Cátodo

- Wood´s Metal:

(25% Pb, 50% Bi, /12.5 Cd,

12.5% Sn), M.P. 75°C

- Field´s Metal

(32.5% Bi, 51% In, 16.5% Sn),

M.P. 62 °C


62 J.-F. Salinas et al. Sol. Ener. Mater. & Sol. Cells 95 (2011) 595–601

PCBM C61, C71 MEH-PPV


63 C. Salto et al. Synthetic Metals 161 (2011) 2412– 2416

PCBM C61, C71 P3HT


64 J.C. Nolasco et al. Appl. Phys. Lett. 104 (2014) 043308

Metales empleados como

cátodo en celdas OPVs:

Wood´s metal

Field´s metal

Indio-Galio

Aluminio


65 E. Pérez et al. Optical Mat. Aceptado

Components (weight ratio) ETL Voc

(mV)

Jsc

(mA/cm2) FF

η

(%)

MEH-PPV:PC71BM (1:3) None 809 4.35 0.31 1.12

MEH-PPV:PC71BM (1:3) TiOx 837 4.50 0.41 1.55

MEH-PPV:PC71BM (1:3) TiOx:PC71BMa 846 5.77 0.41 2.66

P3HT:PC71BM (1:0.8) None 507 7.76 0.39 1.48

P3HT:PC71BM (1:0.8) TiOx 532 7.86 0.51 2.12

P3HT:PC71BM (1:0.8) TiOx:PC71BMa 555 7.77 0.47 2.02

TiOx (sol-gel)


66

Valores más altos

obtenidos a base de MEH-PPV o P3HT y PCBM

Voc = 830 mV

Jsc = 10.8 mA/cm2

FF = 0.6

ƞ = 2.66 %


67


68

Agradecimientos

69

Caja de guantes y sistema de evaporación

para metales y material orgánico


70

PTB7

ITO/Glass

PEDOT:PSS (50 nm)

PTB7:PC71BM (80 nm)

PFN o LiF

Field´s metal o Al

PFN

Disolvente: clorobenceno +diiodoctano

Z. He, et al., Nature Photon. 2012, 6, 591–595 Z. He, et al., Adv. Mater. 2011, 23, 4636–4643


71

ITO/PEDOT/PTB7-PC71BM(Clorobenceno)/PFN/Field´s metal

Jonathan Pérez (pregrado CIO)

ITO/PEDOT/PTB7-PC71BM(Clorobenceno+DIO)/PFN/Field´s metal

Álvaro Romero (doctorado CIO)


72

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

-15

-10

-5

0

J (

mA

/cm

2)

ITO/PEDOT/PTB7:PC71BM(CB+DIO)/LiF/Al

Voc=736 mV

Jsc=14.8 mA/cm2

FF=0.46

=5.06

area act. 0.075

V (Volts)

PTB7

ETL: LiF

Cátodo: Al

Depositados por

evaporación al vacio


73

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

-15

-10

-5

0

J (

mA

/cm

2)

ITO/PEDOT/PTB7:C71/LiF/Al

Voc=736 mV

Jsc=14.8 mA/cm2

FF=0.46

=5.06

area act. 0.075

V (Volts)

Hacia una mayor eficiencia (7 %)

Voc =

Jsc = FF = Reto

Reproducibilidad


74


75

Gracias

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