Registro fonte: Influência de óxidos metálicos e pequenas moléculas na performance e estabilidade de células solares orgânicas

Influência de óxidos metálicos e pequenas moléculas na performance e estabilidade de células solares orgânicas

Organic solar cells (OSCs) have been produced with organic semiconductors thin films with interesting properties such as low weight and thickness, flexibility, high transparency, easy processability and abundance of materials, when compared with other commercial technologies. However, these devices...

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Autor principal:	Gavim, Anderson Emanuel Ximim
Formato:	Tese
Idioma:	Português
Publicado em:	Universidade Tecnológica Federal do Paraná 2022
Assuntos:	Semicondutores de óxido metálico Células solares - Estabilidade Nanopartículas Sistemas de energia fotovoltaica Filmes finos Metal oxide semiconductors Solar cells - Stability Nanoparticles Photovoltaic power systems Thin films CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA Engenharia Elétrica
Acesso em linha:	http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/30005
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id	riut-1-30005
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spelling	riut-1-300052022-10-25T06:07:01Z Influência de óxidos metálicos e pequenas moléculas na performance e estabilidade de células solares orgânicas Influence of metallic oxides and small molecules on organic solar cell performance and stability Gavim, Anderson Emanuel Ximim Silva, Wilson José da https://orcid.org/0000-0002-6288-3625 http://lattes.cnpq.br/6419561860187332 Macedo, Andreia Gerniski https://orcid.org/0000-0002-3114-9954 http://lattes.cnpq.br/4203846336170641 Macedo, Andreia Gerniski https://orcid.org/0000-0002-3114-9954 http://lattes.cnpq.br/4203846336170641 Cava, Carlos Eduardo https://orcid.org/0000-0002-7315-9966 http://lattes.cnpq.br/2534829129105740 Araújo, Francineide Lopes de https://orcid.org/0000-0001-9253-0401 http://lattes.cnpq.br/0100070163406956 Faria, Gregório Couto https://orcid.org/0000-0001-6138-8473 http://lattes.cnpq.br/8138694168957825 Deus, Jeferson Ferreira de https://orcid.org/0000-0001-5108-3430 http://lattes.cnpq.br/0581593035628580 Semicondutores de óxido metálico Células solares - Estabilidade Nanopartículas Sistemas de energia fotovoltaica Filmes finos Metal oxide semiconductors Solar cells - Stability Nanoparticles Photovoltaic power systems Thin films CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA Engenharia Elétrica Organic solar cells (OSCs) have been produced with organic semiconductors thin films with interesting properties such as low weight and thickness, flexibility, high transparency, easy processability and abundance of materials, when compared with other commercial technologies. However, these devices still require efforts to increase the operation stability in the ambient atmosphere. This thesis focused on materials and processes aiming to increase the stability in air. These procedures were applied at the active layer and intermediary layer, as follows. OSCs were built using perylene diimide derivatives as electron acceptors, specifically N,N′-Bis(3-pentyl)perylene-3,4,9,10-bis(dicarboximide) (PDIC5), a promising material due to its high thermal and chemical stability and low cost. The optimized ITO/PEDOT:PSS/PTB7-Th:PDIC5(CN 0.5 %)/Ca/Al device presented η of 2 %. Therefore, in order to understand the effect of the CN additive in the active layer, these films were probed by AFM, UV-Vis absorbance and changes in optical properties were analyzed using the transfer matrix method (TMM). AFM images pointed out that the PTB7-Th:PDIC5 film surface is composed of nanostructures with length of 500 nm and diameter of 100 nm, resulting in Rrms of 13 nm. Moreover, significant changes in morphology were observed in PTB7-Th:PDIC5(CN 0.5 %), this film surface is more homogeneous, without visible microsized aggregates and presented lower Rrms value of 7 nm. UV-VIS spectra acquired from PTB7-Th:PDIC5(CN 0.5 %) film pointed out increased absorbance when compared with the as cast film (without CN). This result may be related with a reduced reflectance/light scattering arising from reduced surface roughness. Moreover, since the absorbance spectra presented changes in the absorbance bands, inclusive with changes in the film color (from light bordeaux to blue), changes in optical properties were evaluated with theoretical method denoted as transfer matrix method (TMM), this allows to obtain the absorption profile and optical electric field intensity along the device. Moreover, this model takes in count the experimental values of refractive index n and extinction coefficient k to simulate the spatial distribution of the electrical field and provide information about photovoltaic parameters, for instance the maximum current density (Jsc_max) that can be achieved. For this purpose, n and k spectra were acquired through ellipsometry spectroscopy from PTB7-Th:PDIC5 and PTB7-Th:PDIC5(CN 0.5 %) thin films. The results pointed out that varying the thickness of the PTB7-Th:PDIC5 the Jsc_max is at the order of 16-19 mA/cm2 with thickness at the order of 120-150 nm. The experimental Jsc values were 2.2 mA/cm2 to 8.2 mA/cm2 from devices having PTB7-Th:PDIC5 and PTB7-Th:PDIC5(CN 0.5 %) active layers, respectively. Therefore, compared with the theoretical limit of Jsc, this parameter can be improved by optimizations in morphology and interfaces to improve the charge transport and collection at the electrodes. Concerning the influence of the intermediary layer in the stability, this work replaced the conventional PEDOT:PSS hole transporting layer by MoO3 thin films produced by ultrasonic method from aqueous nanoparticles suspensions produced by Laser Ablasion in Liquids. This method allowed the production of thin films with controlled thickness (~ 2 nm), short deposition times (40 s) and large areas. The resulting MoO3 NPs are water suspended with an average size of 23 nm. Subsequently, to produce hole injection layers (HIL) for solar cells, these nanoparticles were processed as thin films onto indium tin oxide (ITO)/glass substrate using ultrasonic spray deposition, which allows fast and uniform deposition in large areas with controllable thickness and low roughness; the water is removed by heating the substrate during the processing. Moreover, scanning electronic microscopy images pointed out that the bottom of the films is mainly composed of small nanoparticles. Thereafter, the optimized glass/ITO/MoO3NPs/PTB7:PC71BM/Ca/Al solar cells displayed open circuit voltage (Voc) of 0.75 V, short circuit current density (Jsc) of 13 mA/cm2, fill factor (FF) of 58% and power conversion efficiency of 5.7% under AM1.5 illumination, presenting increased stability when compared with devices having polymeric hole transporting layer. Since LASiS method does not require the use of organic precursors/solvents, it is a green route to produce MoO3 NPs. In addition, the ultrasonic spray deposition is a versatile method to achieve homogeneous and transparent thin films from water suspended nanoparticles. The organic solar cell response pointed out the potential use of these procedures to produce hole injection layers for photovoltaic devices.Therefore, both subjects studied in this thesis, PDIC5 as electron acceptor and the use of MoO3 NPs as HIL, are promising approaches with benefits for the operation stability of OSCs. Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Fundação Araucária de Apoio ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do Paraná Células solares orgânicas (OSCs) baseiam-se em filmes finos de semicondutores orgânicos com propriedades interessantes como baixo peso, baixa espessura, flexibilidade, alta transparência, fácil processabilidade e abundância de materiais que podem ser utilizados, quando comparados com outras tecnologias comerciais. No entanto, esses dispositivos ainda requerem esforços para aumentar a estabilidade de operação. Esta tese tem como foco materiais e processos que contribuam para o aumento da estabilidade de funcionamento em atmosfera ambiente. Estas modificações foram aplicadas na camada ativa e camadas intermediárias. As OSCs foram construídas utilizando derivados de perileno diimida como aceitadores de elétrons, especificamente o N,N'-Bis(3-pentil)perileno-3,4,9,10-bis(dicarboximida) (PDIC5), um material promissor devido à estabilidade química e baixo custo. O dispositivo otimizado ITO/PEDOT:PSS/PTB7-Th:PDIC5(CN 0,5%)/Ca/Al apresentou η de 2%. Portanto, para entender o efeito do aditivo CN na camada ativa, os filmes da camada ativa foram analisados por AFM, absorbância UV-Vis e as alterações nas propriedades ópticas foram analisadas pelo método de matriz de transferência (TMM). As imagens de AFM apontaram que a superfície do filme de PTB7-Th:PDIC5 é composta por nanoestruturas com comprimento de 500 nm e diâmetro de 100 nm, resultando em Rrms de 13 nm. Mudanças significativas na morfologia foram observadas no filme de PTB7-Th:PDIC5(CN 0,5%), a superfície do filme é mais homogênea, sem agregados microdimensionados visíveis e apresentou menor valor Rrms de 7 nm. Os espectros UV-VIS adquiridos do filme de PTB7-Th:PDIC5(CN 0,5%) apontaram maior absorbância quando comparados com o filme sem aditivo (sem CN). Este resultado pode estar relacionado com a redução da refletância/espalhamento da luz decorrente da redução da rugosidade da superfície. Além disso, como os espectros de absorbância apresentaram mudanças nas bandas de absorbância, inclusive com mudanças na cor do filme (de bordo claro para azul), as mudanças nas propriedades ópticas foram avaliadas com o método teórico denominado método de matriz de transferência (TMM), este método permite obter o perfil de absorção e a intensidade do campo elétrico óptico ao longo do dispositivo. Além disso, este modelo leva em conta os valores experimentais do índice de refração (n) e coeficiente de extinção (k) para simular a distribuição espacial do campo elétrico e fornecer informações sobre os parâmetros fotovoltaicos, por exemplo, a densidade de corrente máxima (Jsc_max) que pode ser alcançada. Para tanto, espectros n e k foram adquiridos por espectroscopia de elipsometria de filmes finos PTB7-Th:PDIC5 e PTB7-Th:PDIC5(CN 0,5%). Os resultados apontaram que variando a espessura do PTB7-Th:PDIC5 o Jsc_max é da ordem de 16-19 mA/cm2 com espessura da ordem de 120-150 nm. Os valores experimentais de Jsc foram de 2,2 mA/cm2 a 8,2 mA/cm2 de dispositivos com camadas ativas PTB7-Th:PDIC5 e PTB7-Th:PDIC5(CN 0,5%), respectivamente. Portanto, comparando com o limite teórico de Jsc, este parâmetro pode ser melhorado por otimizações na morfologia e interfaces para melhorar o transporte e coleta de cargas nos eletrodos. Com relação à influência da camada intermediária na estabilidade, este trabalho substituiu a camada convencional de transporte de buracos de PEDOT:PSS foi substituída por filmes finos de MoO3 NPs produzidos pelo método de spray ultrassônico a partir de suspensões aquosas de nanopartículas produzidas por Ablação a Laser em Líquidos (LASiS). Este método permitiu a produção de filmes finos com espessura controlada (~ 2 nm), tempos de deposição curtos (40 s) e grandes áreas. As MoO3 NPs resultantes são suspensas em água com tamanho médio de 23 nm. Posteriormente, para produzir camadas de injeção de buracos (HIL) para células solares, essas nanopartículas foram processadas como filmes finos em substrato de óxido de índio e estanho (ITO)/vidro usando deposição por spray ultrassônico, que permite deposição rápida e uniforme em grandes áreas com espessura controlável e baixa rugosidade; a água é removida aquecendo o substrato durante o processamento. Além disso, imagens de microscopia eletrônica de varredura apontaram que o fundo dos filmes é composto principalmente por pequenas nanopartículas. Posteriormente, as células solares otimizadas de ITO/MoO3 NPs/PTB7:PC71BM/Ca/Al exibiram tensão de circuito aberto (Voc) de 0,75V, densidade de corrente de curto-circuito (Jsc) de 13mA/cm2, fator de preenchimento (FF) de 58 % e eficiência de conversão de energia (ɳ) de 5,7% sob iluminação AM1.5, apresentando maior estabilidade quando comparado com dispositivos com camada transportadora de buracos de PEDOT:PSS. Como o método LASiS não requer o uso de precursores/solventes orgânicos, é uma rota verde para produzir NPs de MoO3. Além disso, a deposição por spray ultrassônico é um método versátil para obter filmes finos homogêneos e transparentes a partir de nanopartículas suspensas em água. A resposta das células solares orgânicas apontou o potencial uso desses procedimentos para produzir camadas de injeção de buracos para dispositivos fotovoltaicos. Portanto, ambos os assuntos estudados nesta tese, PDIC5 como aceitador de elétrons e o uso de MoO3 NPs como HIL, são abordagens promissoras com benefícios para a estabilidade de operação de OSCs. 2022-10-24T18:59:16Z 2022-10-24T18:59:16Z 2022-08-17 doctoralThesis GAVIM, Anderson Emanuel Ximim. Influência de óxidos metálicos e pequenas moléculas na performance e estabilidade de células solares orgânicas. 2022. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2022. http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/30005 por openAccess http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ application/pdf Universidade Tecnológica Federal do Paraná Curitiba Brasil Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial UTFPR
institution	Universidade Tecnológica Federal do Paraná
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language	Português
topic	Semicondutores de óxido metálico Células solares - Estabilidade Nanopartículas Sistemas de energia fotovoltaica Filmes finos Metal oxide semiconductors Solar cells - Stability Nanoparticles Photovoltaic power systems Thin films CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA Engenharia Elétrica
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description	Organic solar cells (OSCs) have been produced with organic semiconductors thin films with interesting properties such as low weight and thickness, flexibility, high transparency, easy processability and abundance of materials, when compared with other commercial technologies. However, these devices still require efforts to increase the operation stability in the ambient atmosphere. This thesis focused on materials and processes aiming to increase the stability in air. These procedures were applied at the active layer and intermediary layer, as follows. OSCs were built using perylene diimide derivatives as electron acceptors, specifically N,N′-Bis(3-pentyl)perylene-3,4,9,10-bis(dicarboximide) (PDIC5), a promising material due to its high thermal and chemical stability and low cost. The optimized ITO/PEDOT:PSS/PTB7-Th:PDIC5(CN 0.5 %)/Ca/Al device presented η of 2 %. Therefore, in order to understand the effect of the CN additive in the active layer, these films were probed by AFM, UV-Vis absorbance and changes in optical properties were analyzed using the transfer matrix method (TMM). AFM images pointed out that the PTB7-Th:PDIC5 film surface is composed of nanostructures with length of 500 nm and diameter of 100 nm, resulting in Rrms of 13 nm. Moreover, significant changes in morphology were observed in PTB7-Th:PDIC5(CN 0.5 %), this film surface is more homogeneous, without visible microsized aggregates and presented lower Rrms value of 7 nm. UV-VIS spectra acquired from PTB7-Th:PDIC5(CN 0.5 %) film pointed out increased absorbance when compared with the as cast film (without CN). This result may be related with a reduced reflectance/light scattering arising from reduced surface roughness. Moreover, since the absorbance spectra presented changes in the absorbance bands, inclusive with changes in the film color (from light bordeaux to blue), changes in optical properties were evaluated with theoretical method denoted as transfer matrix method (TMM), this allows to obtain the absorption profile and optical electric field intensity along the device. Moreover, this model takes in count the experimental values of refractive index n and extinction coefficient k to simulate the spatial distribution of the electrical field and provide information about photovoltaic parameters, for instance the maximum current density (Jsc_max) that can be achieved. For this purpose, n and k spectra were acquired through ellipsometry spectroscopy from PTB7-Th:PDIC5 and PTB7-Th:PDIC5(CN 0.5 %) thin films. The results pointed out that varying the thickness of the PTB7-Th:PDIC5 the Jsc_max is at the order of 16-19 mA/cm2 with thickness at the order of 120-150 nm. The experimental Jsc values were 2.2 mA/cm2 to 8.2 mA/cm2 from devices having PTB7-Th:PDIC5 and PTB7-Th:PDIC5(CN 0.5 %) active layers, respectively. Therefore, compared with the theoretical limit of Jsc, this parameter can be improved by optimizations in morphology and interfaces to improve the charge transport and collection at the electrodes. Concerning the influence of the intermediary layer in the stability, this work replaced the conventional PEDOT:PSS hole transporting layer by MoO3 thin films produced by ultrasonic method from aqueous nanoparticles suspensions produced by Laser Ablasion in Liquids. This method allowed the production of thin films with controlled thickness (~ 2 nm), short deposition times (40 s) and large areas. The resulting MoO3 NPs are water suspended with an average size of 23 nm. Subsequently, to produce hole injection layers (HIL) for solar cells, these nanoparticles were processed as thin films onto indium tin oxide (ITO)/glass substrate using ultrasonic spray deposition, which allows fast and uniform deposition in large areas with controllable thickness and low roughness; the water is removed by heating the substrate during the processing. Moreover, scanning electronic microscopy images pointed out that the bottom of the films is mainly composed of small nanoparticles. Thereafter, the optimized glass/ITO/MoO3NPs/PTB7:PC71BM/Ca/Al solar cells displayed open circuit voltage (Voc) of 0.75 V, short circuit current density (Jsc) of 13 mA/cm2, fill factor (FF) of 58% and power conversion efficiency of 5.7% under AM1.5 illumination, presenting increased stability when compared with devices having polymeric hole transporting layer. Since LASiS method does not require the use of organic precursors/solvents, it is a green route to produce MoO3 NPs. In addition, the ultrasonic spray deposition is a versatile method to achieve homogeneous and transparent thin films from water suspended nanoparticles. The organic solar cell response pointed out the potential use of these procedures to produce hole injection layers for photovoltaic devices.Therefore, both subjects studied in this thesis, PDIC5 as electron acceptor and the use of MoO3 NPs as HIL, are promising approaches with benefits for the operation stability of OSCs.
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