Células Fotovoltaicas Híbridas: Arquiteturas baseadas em efeitos fotônicos e plasmônicos

• Processo: 11/17143-3
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado
• Data de Início da vigência: 01 de fevereiro de 2012
• Data de Término da vigência: 22 de junho de 2015
• Área de conhecimento: Ciências Exatas e da Terra - Física - Física da Matéria Condensada
• Pesquisador responsável: Roberto Mendonça Faria
• Beneficiário: Douglas José Coutinho
• Instituição Sede: Instituto de Física de São Carlos (IFSC). Universidade de São Paulo (USP). São Carlos , SP, Brasil
• Vinculado ao auxílio: 07/08688-0 - Dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos poliméricos, AP.TEM
• Bolsa(s) vinculada(s): 14/02575-3 - Estudo do transporte de carga em células solares orgânicas, BE.EP.DR
• Assunto(s): Materiais nanoestruturados Dióxido de titânio
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Dispositivos fotovoltaicos orgânicos | Materiais nanoestruturados | TiO2 | Dispositivos fotovoltaicos orgânicos

Resumo

Esse projeto tem por objetivo a fabricação de células fotovoltaicas de terceira geração, isto é, tendo como camada ativa filmes finos de polímeros eletrônicos combinados com materiais inorgânicos eletronegativos. Para isso, usaremos estruturas envolvendo um eletrodo transparente (ITO, por exemplo), uma camada transportadora de buracos (PEDOT-PSS), e como camada ativa, polímeros eletrônicos (da família dos politiofenos ou dos polifenileno-vinilenos) combinados com nanopartículas de TiO2 ou de fulerenos, e finalmente um contato elétrico de alumínio e cálcio. Essas estruturas de dispositivos têm sido denominadas de híbridas. Efeitos plasmônicos e fotônicos de superfície serão produzidos para aumentar a eficiência dos dispositivos. Nessas células, a separação de carga fotoinduzida é facilitada pela grande área interfacial entre doador e receptor, e filmes híbridos vêm mostrando ótimas eficiências de fotoconversão. A diminuição da recombinação de carga devido às nanopartículas é o fator mais importante para aumentar a eficiência dessas células. A absorção de luz por um semicondutor gera um elétron em um estado excitado e um buraco na banda de valência, formando um éxciton, que tem energia de ligação de vários eV e podem migrar por cerca de 10 nm antes de se recombinar. Contudo se os elétrons excitados são transferidos para uma espécie receptora, a absorção da luz pode resultar em geração de fotocorrente. O subsequente processo de condução se dá por diferentes processos: condução de buracos através da cadeia polimérica, via hopping, e dos elétrons através de nanopartículas, também por hopping. Essa separação espacial de cargas é crucial para a eficiência de fotoconversão. As nanopartículas - no caso, TiO2 - apresentam alta afinidade eletrônica, atuando como receptores de elétrons quando combinadas a polímeros condutores, evitando a recombinação de cargas. É importante destacar que a transferência de carga se dá entre um éxciton previamente fotogerado e a nanopartícula. A transferência de elétrons fotogerados do segmento polimérico para a nanopartícula diminui a taxa de recombinação em processos radiativos. A recombinação molecular também diminui devido à diferença de mobilidade entre os portadores. Essa trabalho de tese dará continuidade aos trabalhos pioneiros no Grupo de Polímeros Bernhard Gross, que foram resultados da dissertação de mestrado do candidato, em que foram desenvolvidas as técnicas de fabricação e caracterização de células fotovoltaicas orgânicas, que atingiram rendimentos próximos a 4 %. Esses resultados estão sendo redigidos para uma publicação em revista especializada da área.

Publicações acadêmicas

(Referências obtidas automaticamente das Instituições de Ensino e Pesquisa do Estado de São Paulo)

COUTINHO, Douglas José. Estudos sobre fotogeração, efeitos de interfaces e de transporte de portadores em células solares orgânicas. 2015. Tese de Doutorado - Universidade de São Paulo (USP). Instituto de Física de São Carlos (IFSC/BT) São Carlos.