Estudo teórico da mobilidade de elétrons e buracos em interfaces orgânicas do tipo N2200/PTzBI

Abstract

Este trabalho apresenta a aplicação do método Monte Carlo Cinético (kMC, do inglês kinetic Monte Carlo) para simular o transporte de carga em semicondutores orgânicos (SOs) que são utilizados em dispositivos fotovoltaicos (OPVs, do inglês organic photovoltaics). Os OPVs são recentes, datando de meados do século XX, e surgiram como alternativa para os dispositivos inorgânicos, como os a base de silício. O interesse nos OPVs veio de seu uso na geração de energia solar, dentre outras aplicações, utilizando materiais baratos, acessíveis, de fácil fabricação e com facilidade de se aplicar em grandes áreas, no caso das células solares orgânicas (OSCs, do inglês organic solar cells), além de serem leves, flexíveis e de menor custo ambiental. Neste trabalho alguns parâmetros importantes para os SOs são tratados, como mobilidade dos portadores de carga e eficiência quântica interna. Recentemente, a área de pesquisa de materiais orgânicos condutores e semicondutores tem recebido cada vez mais atenção, com pesquisadores do mundo todo tentando entender melhor as suas características ópticas e eletrônicas. A mobilidade de pólarons, como são chamados os portadores de carga, é um dos pontos em que os materiais orgânicos perdem para os inorgânicos em eficiência, e em nossas simulações apontamos direções que auxiliam o entendimento e melhora desse parâmetro importante. Na área experimental existem diversas técnicas de medição deste parâmetro, destacando-se a Tempo de Vôo (ToF, do inglês time of flight), que pode ser simulado, como é o caso deste trabalho. Para nossas simulações, escolhemos os materiais N2200 (aceitador) e PTzBI (doador). Em nossos testes, encontramos valores de mobilidade de 0.0005cm²/Vs para elétrons e 0.004cm²/Vs para buracos. Nossos testes, em geral, tiveram valores maiores de mobilidade, chegando a 5cm²/Vs para buracos e 1cm²/Vs para elétrons, mostrando que alguns parâmetros, como a voltagem aplicada, têm grande impacto nos valores medidos de mobilidade. Já para as simulações da eficiência quântica interna (IQE, do inglês internal quantum efficiency), nossos valores chegaram a 92% para valores baixos da taxa de recombinação de pólarons, e chegando a 24% de IQE utilizando a mesma taxa de recombinação de pólarons usado por outros autores, para um tamanho dos sítios (moléculas) de 1.5nm. Ambas, mobilidade e eficiência quântica interna, dependem de fatores como temperatura, voltagem aplicada, tamanho dos sítios da camada ativa e densidade de portadores de carga. Inferimos, dos resultados, que tamanho dos sítios da rede, voltagem e localização dos pólarons são os fatores mais influentes na mobilidade de carga, e para os valores de IQE o que mais apresentou influência foi o tamanho dos sítios da rede.