Design e caracterização de interfaces inorgânica-organicas para dispositivos fotovoltaicos

• Processo: 24/13458-0
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado
• Data de Início da vigência: 01 de junho de 2025
• Data de Término da vigência: 30 de setembro de 2028
• Área de conhecimento: Ciências Exatas e da Terra - Física - Física Geral
• Pesquisador responsável: Thiago Branquinho de Queiroz
• Beneficiário: Leonardo Rodrigues Moreira
• Instituição Sede: Centro de Ciências Naturais e Humanas (CCNH). Universidade Federal do ABC (UFABC). Ministério da Educação (Brasil). Santo André , SP, Brasil
• Vinculado ao auxílio: 20/13466-1 - Design, síntese e caracterização de sistemas moleculares para colheita de luz e separação de cargas, AP.JP
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Donor-Acceptor Molecular Systems | Electro-Optical Spectroscopy | Nuclear magnetic resonance spectroscopy | Organic-Inorganic Interfaces | Photo-electron Spectroscopy | Self Assembly Monolayer | Organic photovoltaics

Resumo

Dispositivos fotovoltaicos orgânicos (OPVs) de heteroconjunções (BHJs) com oligômeros e polímeros de baixo gap óptico como doadores (D) e aceitadores não-fullereno (NFAs) alcançaram impressionantes eficiências de conversão de potência (PCE) em torno de 15-20% - especialmente com NFAs da família Y6, compostas por sistemas moleculares conjugados D-A-D com espinha dorsal de S,N-heteroaceno. No entanto, limitações permanecem devido a perdas térmicas e de recombinação de excitons, transporte deficiente de elétrons e buracos, e barreiras de interface. Além disso, a oxidação do eletrodo e a fotodegradação das moléculas ativas reduzem a durabilidade do dispositivo. Para enfrentar esses desafios, propomos estratégias para ajustar a função de trabalho dos eletrodos transparentes e melhorar o acoplamento químico e eletrônico nas interfaces. Óxido de estanho e índio (ITO) e óxido de estanho dopado com flúor (FTO) serão funcionalizados com monocamadas auto-montadas (SAMs) compostas por ácidos fosfônicos projetados por métodos quânticos computacionais precisos para atuar como camadas polarizadas coletivas e facilitar a injeção de carga no BHJ. Em seguida, filmes BHJ e dispositivos OPVs otimizados serão obtidos. As propriedades estruturais serão caracterizadas por espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS), ressonância magnética nuclear no estado sólido (NMR) - realizada em nanopartículas funcionalizadas como sistema modelo -, microscopia de força atômica (AFM) e espectroscopia infravermelha de força fotoinduzida (PiF-IR), microscopia eletrônica de varredura (SEM) com espectroscopia por dispersão de energia (EDS), e difração de raios-X (XRD). As propriedades eletrônicas como energias de ionização e gap óptico serão caracterizadas por espectroscopia óptica, espectroscopia de fotoelétrons ultravioleta (UPS), XPS e microscopia de força de sonda Kelvin (KPFM). Finalmente, medidas foto-elétricas e espectroscopia de impedância em função da temperatura e tempo de funcionamento serão utilizadas para caracterizar as propriedades de transporte de carga e durabilidade. Através dessa abordagem abrangente, pretendemos obter uma compreensão mais profunda da separação de cargas fotoinduzida nesses dispositivos em camadas e abrir caminho para sistemas OPV mais duráveis e eficientes.