Estudo e caracterização de dispositivos fotovoltaicos orgânicos (OPV) baseados em heterojunção de volume - Coutinho, Douglas José (2011)
Um dos grandes desafios do século XXI está na produção de energia limpa e renovável, já que a demanda mundial por energia continuará crescendo, assim como a necessidade de despoluir o planeta e de diminuir a emissão dos gases do efeito estufa. Nesse contexto, a conversão de energia solar em elétrica coloca-se como uma excelente alternativa, e com isso a dos dispositivos fotovoltaicos. A tecnologia fotovoltaica baseada no silício e em outros semicondutores orgânicos encontra-se em estágio relativamente avançado, porém o custo de produção e de manutenção a proíbe em uso de grande escala. Mais recentemente, iniciaram-se pesquisas com filmes de semicondutores orgânicos, e a rápida melhora na performance dessas células solares a coloca como promissora ao mercado fotovoltaico. Em nosso trabalho, realizamos estudos sobre a performance de dispositivos fotovoltaicos orgânicos baseados na estrutura de heterojunção, estudando a influência de vários parâmetros na performance dos dispositivos. Usamos como camada ativa para nossos dispositivos o poli(3-hexiltiofeno) (P3HT) regiorregular, que é um polímero condutor de gap eletrônico em torno de 1,8 eV misturado ao [6,6]-fenil-C61-ácido butírico-metil ester (PCBM). Essa mistura é apropriada à dissociação dos éxcitons gerados nas cadeias poliméricas pelos fótons absorvidos porque, sendo o PCBM muito eletronegativo, ele captura o elétron do éxciton antes do processo natural de recombinação. Como esse fenômeno ocorre em todo o volume da camada ativa, o dispositivo leva o nome de heterojunção de volume. A estrutura básica que usamos foi de ITO/P3HT-PCBM/Al, isto é, o ITO como eletrodo transparente e bom injetor de buracos e o alumínio como eletrodo injetor de elétrons. Outros dispositivos foram feitos adicionando uma camada transportadora de buracos entre o ITO e o polímero ativo, o Poli(3,4-etileno dióxido-tiofeno):poliestireno-sulfonado (PEDOT:PSS) e/ou cálcio (Ca) entre a camada de alumínio e o polímero. Verificamos que a performance do dispositivo fotovoltaico é bastante alterada quando mediante o contato utilizado, a espessura da camada ativa e a temperatura em que o tratamento térmico é realizado. Investigou-se também, os mecanismos de injeção, transporte e geração de portadores sob variação de temperatura, no intervalo de 90 à 330K. Foi mostrado que, mediante a variação da temperatura, a corrente de curto circuito (JSC), é governada principalmente pela mobilidade dos portadores. A eficiência dos dispositivos desenvolvidos neste trabalho é comparável aos principais valores obtidos na atualidade. Para obtenção destes resultados, foi necessária intensa pesquisa em processamento, principalmente mantendo todas as etapas de fabricação em atmosfera controlada.