Células solares de terceira geração: estudo do efeito da degradação nos parâmetros fotovoltaicos

• Ano de defesa: 2023
• Autor(a) principal: Florez, Yosthyn Manuel Ariza
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: Células solares orgânicas; Degradação; Degradation; Estabilidade; Humidity; ISOS protocols; Organic solar cells; Protocolos ISOS; Stability; Umidade
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/76/76134/tde-02012024-110204/

As células solares orgânicas (OSC) são dispositivos baseados em pequenas moléculas ou polímeros conjugados, capazes de transformar energia luminosa em corrente elétrica. Esses dispositivos têm atraído a atenção da comunidade científica devido ao baixo custo de fabricação. Apesar das altas eficiências das OSCs, há falta de estudos científicos que investiguem os processos de degradação em uso contínuo e em condições ambientes. O primeiro passo rumo à padronização nos testes de confiabilidade/estabilidade das OSCs foi dado em 2011 durante o Intentional Summer on Organic Photovoltaic Stability (ISOS), onde diretrizes e protocolos de teste foram estabelecidos. No entanto, os protocolos do ISOS ainda não são completamente seguidos pela comunidade de OSCs, tornando os dados de degradação em fotovoltaicos difíceis de serem comparados e replicados. Portanto, este trabalho teve como foco desenvolver uma instrumentação a fim de estudar o efeito da degradação nos parâmetros fotovoltaicos em ambientes internos e externos, seguindo os protocolos do ISOS. Para avaliar os sistemas, foram utilizadas camadas ativas produzidas a partir de uma mistura de polímero de P3HT - poli(3-hexiltiofeno) - com PC61BM - ácido [6,6]-fenil-C61-butírico, ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Ca/Al; esta configuração é amplamente usadas nas células solares orgânicas do tipo de heterojunção em volumen (BHJ - bulk-heterojunction). Foram realizadas medições de corrente-tensão (J-V) sob iluminação de 100 mW/cm2, possibilitando a extração das características e parâmetros da célula solar orgânica. Os dispositivos recém-fabricados apresentaram uma média de densidade de corrente de curto-circuito (Jsc) de 10.21±0.05 mA/cm2, tensão de circuito aberto (Voc) de 0.62±0.01 V, fator de preenchimento (FF) de 53.5±0.1 %, e eficiência de conversão de energia (PCE) de 3.44 ± 0.02 %. Quatro tipos de protocolos diferentes foram utilizados para medir a degradação em operação contínua: ISOS-O-2, ISOS-L-1, ISOS-D- 1 e ISOS-T-2. Além disso, todos os dispositivos foram expostos ao ar atmosférico, sem encapsulamento adicional. Os testes externos e internos revelam correlações importantes: i) a umidade é o principal fator de degradação nos testes externos, afetando eficiência e densidade de corrente de curto-circuito devido à filtragem de moléculas de H2O e O2. ii) Nos testes internos (iluminação AM1.5G), o teste sob iluminação mostra um T80 (tempo necessário para que o dispositivo atinja 80% de sua eficiência em relação ao valor inicial) de aproximadamente 32 horas. Em contraste, os testes com ciclos térmicos resultam em perda significativa de eficiência, sendo de 20% no primeiro ciclo. O teste no escuro, exibe um T80 mais rápido (2 horas) indicando uma degradação 16 vezes mais rápida do que o teste sob iluminação. A análise das resistências Rs e Rsh durante os testes revelou que a umidade, tanto em ambientes internos quanto externos, exerce uma influência substancial no desempenho da célula solar orgânica. Essa análise é muito comentada, mas pouco estudada pela comunidade científica. Além disso, a análise morfológica por AFM destacou alterações notáveis na estrutura da blenda polimérica durante a degradação, especialmente em condições de estresse de tensão, ciclos térmicos e umidade. Mesmo em testes no escuro, foram observados impactos na morfologia, enfatizando a importância crítica da umidade no desempenho das células solares orgânicas. A pesquisa concedeu ao Grupo de Polímeros Bernard Gross um conjunto robusto de sistemas para testes de degradação em ambientes internos e externos, abrindo caminho para investigações mais detalhadas e aprimorando o entendimento dos dispositivos fotovoltaicos orgânicos.