Estudo do transporte de carga em células solares orgânicas

• Processo: 14/02575-3
• Modalidade de apoio: Bolsas no Exterior - Estágio de Pesquisa - Doutorado
• Data de Início da vigência: 01 de abril de 2014
• Data de Término da vigência: 22 de agosto de 2014
• Área de conhecimento: Ciências Exatas e da Terra - Física - Física da Matéria Condensada
• Pesquisador responsável: Roberto Mendonça Faria
• Beneficiário: Douglas José Coutinho
• Supervisor: Heinz von Seggern
• Instituição Sede: Instituto de Física de São Carlos (IFSC). Universidade de São Paulo (USP). São Carlos , SP, Brasil
• Instituição Anfitriã: Technische Universität Darmstadt (TU Darmstadt), Alemanha
• Vinculado à bolsa: 11/17143-3 - Células Fotovoltaicas Híbridas: Arquiteturas baseadas em efeitos fotônicos e plasmônicos, BP.DR
• Assunto(s): Propriedades elétricas
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: células solares orgânicas | Dispositivos eletrônicos orgânicos | Heterojunção de volume | propriedades elétricas | Células solares orgânicas

Resumo

Um dos materiais ativos mais utilizado em células solares orgânicas é o poly(3-alkylthiophene) (rr-P3HT), que também têm sido usado como camada ativa em dispositivos eletrônicos e opto-eletrônicos de filmes finos. Apesar do progresso científico e tecnológico alcançado nas últimas duas décadas, os dispositivos que utilizam politiofeno ainda tem que superar alguns obstáculos, a fim de chegar ao mercado. Um desses obstáculos é o controle sobre a interação entre as moléculas de oxigênio e polímero, bem como suas implicações nas características elétricas. Em particular, a ação de oxigénio sobre as propriedades de transporte de carga de diodos orgânicos emissores de luz e transistores de efeito de campo, foi objeto de intensa investigação no começo da última década. Recentemente, este tópico recuperou relevância devido à forte influência do ambiente de oxigênio sobre o desempenho de células solares orgânicas, não só pela degradação causada pela foto-oxidação, mas também devido a alterações reversíveis nas propriedades elétricas do dispositivo. É bem documentado que a ação de moléculas de oxigênio na célula solar orgânica de heterojunção de volume P3HT:PCBM (BHJ) (PCBM - phenyl-C61-butyric acid methil ester), que é uma das estruturas de célula solar orgânica mais estudada, resulta em efeitos de dopagem, geração de níveis de armadilha e mudanças consideráveis nas propriedades elétricas. As moléculas de oxigênio, portanto, forma um complexo de transferência de carga reversível no P3HT, esta tem sido considerada a razão do aumento de concentração de carga e da mobilidade nos filmes de P3HT:PCBM. Neste entendimento, os elétrons são transferidos do HOMO do P3HT para as moléculas de oxigênio, os quais formam os complexos de transferência de carga com os anéis do tiofeno, agindo assim como armadilhas de elétrons. Os buracos restantes no HOMO são a razão da dopagem "tipo p" do P3HT e são responsáveis por um aumento na condutividade e uma mudança no transporte de carga. Assim, o transporte de carga em filmes de polímeros conjugados é fortemente afetado por armadilhas, que podem ser tanto intrinsecamente gerados por efeitos de polarização, defeitos ao longo da cadeia principal, ou nas interfaces amorfo-cristalinas, ou de impurezas. Utilizando a técnica de corrente termicamente estimulada - fracionada, Nikitenko et al. mostrou que o filmes finos de rr-P3HT exibiu uma densidade de estados centrados em 0,5 eV acima do HOMO que atuam como armadilhas profundas de buracos. Com a mesma técnica, Schafferhans et al. mostrou que, quando em contato com filmes P3HT, o oxigênio também apresenta uma distribuição de estados de armadilha do tipo gaussiana, centrada em 0,05 eV, que são armadilhas muito rasas. Neste projeto propõe-se uma investigação detalhada do efeito de moléculas de oxigênio no transporte de carga em células solares, baseadas em um filme fino contendo um sistema bifásico nano-estruturado de rr-P3HT e PCBM. Serão utilizadas duas principais técnicas experimentais: a corrente termicamente estimulada - fracionada (F-TSC), e a técnica de extração de corrente por um aumento linear de tensão (CELIV). Da F-TSC espera-se identificar os níveis de armadilha de buracos e elétrons e obter a distribuição de energia da densidade de estados ocupados. O CELIV será utilizado para extrair parâmetros de transporte de carga, como a mobilidade de portadores de carga, relacionado com a dinâmica do transporte de carga sob um aumento crescente do campo elétrico. Ambas as técnicas serão realizadas comparando o dispositivo livre de oxigênio com o exposto ao oxigênio. (AU)