Diapositiva 1

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
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
3
* 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
4
Semiconductores
Inorgánicos
5
Semiconductores inorgánicos
Dispositivos
Electrónicos
Orgánicos
Enlace
covalente
Diamante
Si, Ge
Zincblenda
compuestos III-V (GaAs)
Semiconductor intrínseco
6
Semiconductores inorgánicos
Dispositivos
Electrónicos
Orgánicos
Banda
de
conducción
Banda de
valencia
Absorción de algunos
semiconductores usados en celdas
solares
7
Semiconductores inorgánicos
Dispositivos
Electrónicos
Orgánicos
Semiconductores dopados
- Tipo n: exceso de electrones, carga negativa
-Tipo p: exceso de huecos carga positiva
8
Semiconductores
Orgánicos
9
Semiconductores orgánicos
Dispositivos
Electrónicos
Orgánicos
Configuración electrónica:
1s2 2s2 2p2
10
Semiconductores orgánicos
Dispositivos
Electrónicos
Orgánicos
Hibridación del carbono
11
Semiconductores orgánicos
Dispositivos
Electrónicos
Orgánicos
Conjugación de orbitales
12
Semiconductores orgánicos
Dispositivos
Electrónicos
Orgánicos
Conjugación de orbitales
Enlace
covalente
intermolecular, fuerzas
tipo Van der Waals
intermoleculares
13
Semiconductores orgánicos
Dispositivos
Electrónicos
Orgánicos
Materiales donadores y aceptores de electrones
Análogo a dopado tipo p y n
14
Semiconductores
inorgánicos vs orgánicos
Dispositivos
Electrónicos
Orgánicos
Semiconductores orgánicos vs inorgánicos
15
Semiconductores
inorgánicos vs orgánicos
Dispositivos
Electrónicos
Orgánicos
Semiconductores orgánicos vs inorgánicos
16
Efecto
Fotovoltaico
17
Efecto fotovoltaico en una celda
de Silicio
Unión P-N DIODO
18
Efecto fotovoltaico en una celda
de Silicio
Efecto fotovoltaico
19
Efecto fotovoltaico en una celda
de orgánica
Efecto fotovoltaico celdas orgánicas
Electrodonador
Ánodo
Electrodo
transparente
Zona Activa
Electroaceptor
Cátodo
metales: Al, Ag
20
Efecto fotovoltaico en una celda
de orgánica
Efecto fotovoltaico celdas orgánicas
21
Efecto fotovoltaico en una celda
de orgánica
22
Efecto fotovoltaico en una celda
de orgánica
23
Efecto fotovoltaico en una celda
de orgánica
- Homounión
- Excitones generan portadores
de carga libres
- La separación de cargas ocurre
en la región de deflexión
- Heterounión
- Excitones generan pares
e-h enlazados
- La separación de cargas ocurre
en la interfaz de los materiales
24
Estructura de una
Celda Orgánica
Estructura de una celda orgánica
26
Estructura bicapa
η= 1%
C. W.Tang et al. Appl. Phys. Lett. 48 (1986) 183-185
27
Estructura bicapa
η= 5%
- Capas buffer ayudan a la
extracción y transporte de
carga
η= 5.7 %
η= 1%
H. Spanggaard et al. Sol. Energy Mater. & Sol. Cells 83 (2004) 125-146
28
Estructura de heterounión
de volumen
J.-F. Salinas et al. Sol. Ener. Mater. & Sol. Cells 95 (2011) 595–601
29
Estructura de heterounión
de volumen
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
30
Estructura de heterounión
de volumen
Capa activa: polímero-fulereno
H. Hoppe et al. Adv. Func. Mater. 14 (2004)
31
Estructura de heterounión
de volumen
Capa activa: polímero-fulereno
Efecto del disolvente
Relación polímero:fulereno
Aditivos (Diiodoctano)
H. Hoppe et al. Adv. Func. Mater. 14 (2004)
32
Estructura de heterounión
de volumen
33
Estructura de heterounión
de volumen
34
Arquitectura directa e invertida
Arquitectura invertida
Arquitectura directa
35
Estructura tandem
Estructura Tandem
36
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
37
Estructura tandem
38
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 %
39
Métodos de
Fabricación
40
Métodos de Fabricación
Depósito de películas orgánicas:
Evaporación para compuestos de bajo peso molecular
Parámetros importantes:
* Velocidad de evaporación
* Control del espesor
* Morfologia
41
Métodos de Fabricación
Polímeros
Parámetros importantes:
* Viscosidad de la disolución,
velocidad de giro, presión de
vapor del disolvente.
Efecto del disolvente
* Espesor
* Morfología
* Miscibilidad
Del polímero y el
C71
42
Métodos de Fabricación
Celdas de área grande
Roll to roll
Doctor blade
43
Métodos de Fabricación
44
Métodos de Fabricación
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)
45
Métodos de Fabricación
Limpieza
Activación
46
Métodos de Fabricación
Morfología superficial del ITO
ITO electropulido
Rugosidad promedio: 4.99 nm
Rugosidad promedio : 2.88 nm
47
Métodos de Fabricación
ITO
HTL: polímero (PEDOT:PSS)
Inorgánico: MoO3
4.8 eV
PEDOT:PSS
PEDOT:PSS (50 nm)
ITO/Glass
5.0 eV
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
48
Métodos de Fabricación
Active layer (80 nm)
PEDOT:PSS (50 nm)
ITO/Glass
* 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
P3HT
PTB7
49
Métodos de Fabricación
ETL: polímero (PFN), ZnO, TiOx, LiF
TiOx
ETL
Active layer (80 nm)
PEDOT:PSS (50 nm)
ITO/Glass
4.4 eV
8.1 eV
Al
4.2 eV
* 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
50
Caracterización
optoelectrónica
51
Caracterización optoelectrónica
CURVA J-V
52
Caracterización optoelectrónica
CURVA J-V
53
Caracterización optoelectrónica
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
54
Caracterización optoelectrónica
Incident Photon-to-Current Efficiency (IPCE)
55
Perspectivas de las celdas OPVs
56
Perspectivas de las celdas OPVs
http://www.heliatek.com/
57
Perspectivas de las celdas OPVs
Tiempos de vida
Tiempos de vida de algunas
horas en el ambiente y sin
encapsulado.
Procesos que afectan a las OPVs
58
Trabajo del GPOM sobre celdas
OPVs
Trabajo del GPOM en celdas OPVs
PCBM C61, C71
MEH-PPV
Cátodo: Wood´s metal
Field´s metal
60
Trabajo del GPOM en celdas OPVs
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
61
Trabajo del GPOM en celdas OPVs
MEH-PPV
PCBM C61, C71
J.-F. Salinas et al. Sol. Ener. Mater. & Sol. Cells 95 (2011) 595–601
62
Trabajo del GPOM en celdas OPVs
PCBM C61, C71
P3HT
C. Salto et al. Synthetic Metals 161 (2011) 2412– 2416
63
Trabajo del GPOM en celdas OPVs
Metales empleados como
cátodo en celdas OPVs:
Wood´s metal
Field´s metal
Indio-Galio
Aluminio
J.C. Nolasco et al. Appl. Phys. Lett. 104 (2014) 043308
64
Trabajo del GPOM en celdas OPVs
TiOx (sol-gel)
Components (weight ratio)
ETL
Voc
Jsc
(mV)
(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
E. Pérez et al. Optical Mat. Aceptado
65
Trabajo del GPOM en celdas OPVs
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 %
66
Trabajo del GPOM en celdas OPVs
67
Agradecimientos
68
Trabajo del GPOM en celdas OPVs
Caja de guantes y sistema de evaporación
para metales y material orgánico
69
Trabajo del GPOM en celdas OPVs
PTB7
Field´s metal o Al
PFN
Disolvente: clorobenceno +diiodoctano
PFN o LiF
PTB7:PC71BM (80 nm)
PEDOT:PSS (50 nm)
ITO/Glass
Z. He, et al., Nature Photon. 2012, 6, 591–595
Z. He, et al., Adv. Mater. 2011, 23, 4636–4643
70
Trabajo del GPOM en celdas OPVs
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)
71
Trabajo del GPOM en celdas OPVs
ITO/PEDOT/PTB7:PC71BM(CB+DIO)/LiF/Al
2
J (mA/cm )
0
-5
Voc=736 mV
2
Jsc=14.8 mA/cm
FF=0.46
=5.06
area act. 0.075
PTB7
-10
ETL: LiF
Cátodo: Al
Depositados por
evaporación al vacio
-15
0.0
0.2
0.4
V (Volts)
0.6
0.8
72
Trabajo del GPOM en celdas OPVs
ITO/PEDOT/PTB7:C71/LiF/Al
2
J (mA/cm )
0
-5
Hacia una mayor
eficiencia (7 %)
Voc=736 mV
2
Jsc=14.8 mA/cm
FF=0.46
=5.06
area act. 0.075

Jsc = 
Voc =
-10
-15
0.0
Reproducibilidad
FF = Reto
0.2
0.4
0.6
0.8
V (Volts)
73
Trabajo del GPOM en celdas OPVs
74
Gracias
75