Estudo e caracterização de células solares de heterojunção livres de fulereno : PBTTPD/N2200

Abstract

Nos últimos tempos pesquisas sobre células solares orgânicas (OSCs) obtidas da heterojunção de volume (BHJ) em misturas entre polímeros doadores e materiais aceitadores derivados de fulereno têm sido intensificadas, pelo fato de apresentarem valores de eficiência de conversão de potência (PCE) satisfatórios. Entretanto, a saturação das pesquisas com esse tipo de material incentivou a busca por outras opções e muitos estudos testam alternativas ao fulereno, uma vez que os resultados de PCE em dispositivos feitos com a mistura de polímeros livres de fulereno são promissores. Neste trabalho foi feita a caracterização dos filmes das misturas dos polímeros PBTTPD e N2200 com o objetivo de observar o comportamento das propriedades ópticas e morfológicas diante da variação de temperatura e da concentração das soluções usadas na deposição dos filmes. Foram realizadas medidas de espectroscopia UV-Vis e fotoluminescência nos filmes, além da caracterização morfológica dos mesmos. Além disso, foi desenvolvida uma célula solar orgânica com a estrutura FTO/PEDOT:PSS/PBTTPD:N2200/ZnO-Al/Ag para observar o efeito fotovoltaico e investigar os impactos na eficiência do dispositivo diante das variações de parâmetros propostas. Uma das premissas foi utilizar uma camada ativa feita apenas com polímeros, sem a presença de compostos com fulerenos. Do mesmo modo, desenvolver todo o filme em atmosfera ambiente foi importante, já que viabilizar a produção de células solares orgânicas em ambientes sem controles rígidos de atmosfera é essencial para popularização das OSCs. Os resultados das análises ópticas mostraram um espectro de absorção que aproveita grande parte a radiação solar visível (entre 350 e 800 nm), e a supressão da fotoluminescência permitiu comprovar a afinidade dos dois materiais para uso como camada ativa de dispositivos fotovoltaicos. Foi observada uma ampla contribuição da absorção para a fotocorrente, que foi comprovada por medidas de eficiência quântica externa (EQE). A morfologia dos filmes apresentou um comportamento regular e com separação de fase não tão visível nas imagens obtidas através de microscopia de força atômica (AFM). A grande miscibilidade entre os dois materiais propostos se mostrou promissora, visto que foi conseguido um razoável efeito fotovoltaico mesmo com dispositivo desenvolvido em condições ambiente. Os resultados da caracterização elétrica do melhor dispositivo apresentaram valores máximos de PCE de 1,4%, com densidade de corrente de curto circuito de 5,10 mA/cm2, tensão de circuito aberto de 0,85 V e fator de preenchimento de 31,1 %. A partir destes resultados é possível concluir que a mistura com polímeros livres de fulereno proposta neste trabalho é uma alternativa viável para a fabricação de OPVs, podendo ser feitos diversos estudos de otimização para melhoria da eficiência de células solares orgânicas com os polímeros PBTTPD e N2200.