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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
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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
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Efecto fotovoltaico en celdas solares orgánicas
Semiconductores orgánicos. Existe un band gap, pero no cargas libres
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Efecto fotovoltaico en celdas solares orgánicas
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Efecto fotovoltaico en celdas solares
-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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Efecto fotovoltaico en celdas solares
(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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Arquitectura y funcionamiento de una OPV
η= 1%
H. Spanggaard et al. Sol. Energy Mater. & Sol. Cells 83 (2004) 125-146
η= 5%
η= 5.7 %
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Arquitectura y funcionamiento de una OPV
J.-F. Salinas et al. Sol. Ener. Mater. & Sol. Cells 95 (2011) 595–601
Heterounión de volumen
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Arquitectura y funcionamiento de una OPV
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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Arquitectura y funcionamiento de una OPV
Capa activa: polímero fulereno
H. Hoppe et al. Adv. Func. Mater. 14 (2004)
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Arquitectura y funcionamiento de una OPV
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 y funcionamiento de una OPV
Arquitectura directa
Arquitectura invertida
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Arquitectura y funcionamiento de una OPV
Arquitectura Tandem
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Métodos de fabricación de OPVs
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Métodos de fabricación de OPVs
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
Métodos de fabricación de OPVs
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Doctor blade
Depósito de películas orgánicas: Polímeros
Métodos de fabricación de OPVs
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Depósito de películas orgánicas Roll to Roll
Métodos de fabricación de OPVs
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Proceso de fabricación
- Limpieza de sustratos
- Depósito de películas
- Depósito de electrodo
- Caracterización
Métodos de fabricación de OPVs
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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
Métodos de fabricación de OPVs
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Limpieza de sustratos
Métodos de fabricación de OPVs
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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
Métodos de fabricación de OPVs
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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
Métodos de fabricación de OPVs
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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
Métodos de fabricación de OPVs
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Preparación de una OPV
Métodos de fabricación de OPVs
1 2
4
3
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Caracterización de celdas OPVs
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Caracterización de celdas OPVs
Caracterización eléctrica
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35
Caracterización de celdas OPVs
Caracterización eléctrica
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36
Caracterización de celdas OPVs
Caracterización eléctrica
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Caracterización de celdas OPVs
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
Caracterización eléctrica
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Caracterización de celdas OPVs
Caracterización eléctrica: Espectroscopia de impedancia
G. Garcia-Belmonte et al. J. Phys. Chem. Lett. 4 (2013)
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39
Caracterización de celdas OPVs
Caracterización eléctrica: Laser Beam Induced Current
M. T. Lloyd et al. Sol. Ener. Mater. & Sol. Cells 95 (2011)
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40
Trabajo del GPOM sobre celdas OPVs
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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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42
Trabajo del GPOM en celdas OPVs
J.-F. Salinas et al. Sol. Ener. Mater. & Sol. Cells 95 (2011) 595–601
PCBM C61, C71 MEH-PPV
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43
Trabajo del GPOM en celdas OPVs
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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44
Trabajo del GPOM en celdas OPVs
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)
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45
Trabajo del GPOM en celdas OPVs
D. Romero-Borja et al. Syn. Met. 200 (2015)
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46
Trabajo del GPOM en celdas OPVs
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
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47
Trabajo del GPOM en celdas OPVs
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 %
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48
Trabajo del GPOM en celdas OPVs
Fabricación de prototipos de módulos solares orgánicos
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Trabajo del GPOM en celdas OPVs
Fabricación de prototipos de módulos solares orgánicos
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GRACIAS POR SU ATENCIÓN