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Arquitecturas y Fabricación de Celdas Solares Orgánicas

Dr. Enrique Pérez Gutiérrez Grupo de Propiedades Ópticas de la Materia (GPOM)

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

León, Guanajuato, México

E-mail [email protected]

Mayo 2016

mailto:[email protected]

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TEMARIO:

* Efecto fotovoltaico en celdas solares: inorgánicas y

orgánicas

* Arquitectura y funcionamiento de una celda orgánica

(OPVs)

* Métodos de fabricación de OPVs

* Caracterización de celdas OPVs

* Trabajo del GPOM sobre celdas OPVs

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Efecto fotovoltaico en celdas solares

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Efecto fotovoltaico en celdas solares inorgánicas

Semiconductores inorgánicos

- Tipo n: electrones libres en el material

-Tipo p: huecos libres en el material

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Efecto fotovoltaico en celdas solares inorgánicas

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Efecto fotovoltaico en celdas solares orgánicas

Configuración electrónica: 1s2 2s2 2p2

Semiconductores orgánicos

8


Semiconductores orgánicos. Existe un band gap, pero no cargas libres

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-Homounión

- Excitones generados en la región de deflexión son separados por luz

- Heterounión

- Excitones son generados por luz en el material donador o aceptor y son separados una diferencia de energía LUMO

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(c) Excitón de Transferencia de carga: su radio es de una o dos veces la distancia intermolecular. Típico de sistemas orgánicos. Energía de enlace de 100-300 meV y longitud de difusión de 20 nm aprox. Movilidad 10-6-1 cm2/V s

(a) Excitones Frenkel: pares e-h localizados en un molécula y se mueven como una unidad. Radio de exciton ≤ 5Å

(b) Excitones Wannier-Mott: Típico de materiales inorgánicos. Con un radio de 40-100 Å. Energía de enlace de 1-40 meV. Movilidad 102-104 cm2/V s

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Arquitectura y funcionamiento de una celda solar orgánica (OPV)

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Arquitectura y funcionamiento de una OPV

Estructura bicapa

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η= 1%

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

η= 5%

η= 5.7 %

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

Heterounión de volumen

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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

Heterounión de volumen

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Capa activa: polímero fulereno

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

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Relación polímero:fulereno

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

Efecto del disolvente

Aditivos (Diiodoctano)

Capa activa: polímero fulereno

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Arquitectura directa

Arquitectura invertida

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Arquitectura Tandem

21

Métodos de fabricación de OPVs

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Depósito de películas orgánicas: Compuestos de bajo molecular

Parámetros importantes:

* Velocidad de evaporación

* Control del espesor

* Morfologia

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Depósito de películas orgánicas: Polímeros

Parámetros importantes:

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

* Espesor

* Morfología

* Miscibilidad

Del polímero y el C71


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Doctor blade

Depósito de películas orgánicas: Polímeros


25

Depósito de películas orgánicas Roll to Roll


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Proceso de fabricación

- Limpieza de sustratos

- Depósito de películas

- Depósito de electrodo

- Caracterización


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Limpieza de sustratos

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:

Rugosidad promedio: 4.99 nm


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Limpieza de sustratos


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Deposito de capa transportadora de huecos

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


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* 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)

Deposito de capa activa


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Deposito de capa transportadora de electrones y cátodo

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 evaporación.

ITO/Glass PEDOT:PSS (50 nm)

Active layer (80 -100nm) ETL(10 nm)

8.1 eV

4.4 eV

Al

4.2 eV

TiO

x


32

Preparación de una OPV


1 2

4

3

33

Caracterización de celdas OPVs

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Caracterización eléctrica

35



36



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Rs:

*Se asocia a la resistencia en las diferentes

interfaces orgánicas u orgánico-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


Impact of Both Series and Shunt Resistance PVEducation.htm

38


Caracterización eléctrica: Espectroscopia de impedancia

G. Garcia-Belmonte et al. J. Phys. Chem. Lett. 4 (2013)

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Caracterización eléctrica: Laser Beam Induced Current

M. T. Lloyd et al. Sol. Ener. Mater. & Sol. Cells 95 (2011)

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Trabajo del GPOM sobre celdas OPVs

41

Trabajo del GPOM en celdas OPVs

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

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

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

PCBM C61, C71 MEH-PPV

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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

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E. Pérez et al. Optical Mat. 36 (2014)

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)

45


D. Romero-Borja et al. Syn. Met. 200 (2015)

46


0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-15

-10

-5

0Voc= 811 mV

Jsc= 13.47 mA/cm2

FF= 0.63

= 7

area act. 0.09

AM 1.5, N2 atm

V (Volts)

ITO/PEDOT:PSS/PCE10:PC71

BM(1:1.5)/PFN/Ca/FM

47


0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

-15

-10

-5

0

= 7 %

= 6.6 %

= 6.11 %

= 3.92 %

Voltage (V)

Jun-2015GPOM-CIO: OPVs efficiency improvement

Photo

-curr

ent density J

sc (

mA

/cm

2)

P3HT:PC61BM Inverted

MEH-PPV:PC71BM/TiOx-C71/FM

P3HT:PC71BM/Ca/Al

PTB7:PC71BM/PFN/FM

PTB7:PC71BM/PFN/FM

PTB7:PC71BM/LiF/Al

PTB7:PC71BM/PFN/FM

PTB7:PC71BM/PFN/FM

PTB7:PC71BM/PFN/Ca/FM

= 2.19 %= 2.66 %= 3.01 %

= 4.33 %

= 5.01 %

48


Fabricación de prototipos de módulos solares orgánicos

49


Fabricación de prototipos de módulos solares orgánicos

50

GRACIAS POR SU ATENCIÓN

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