Camadas luminescentes orgânicas LDS aplicadas em dispositivos fotovoltaicos para aumento da densidade de corrente

Abstract

No presente trabalho é explorado o uso de materiais luminescentes orgânicos como camadas de deslocamento a baixas energias (LDS) para sua potencial aplicação em células solares de segunda e terceira geração (CIGS e perovskitas, especificamente). Camadas LDS baseadas no corante Coumarina 7 (C7) foram produzidas pela técnica de drop-casting e as propriedades óticas destas camadas foram otimizadas, alimentando as entradas de dados do programa SCAPS-1D e do modelo de Rothemund para a determinação de valores de corrente de curto circuito (Jsc) num dispositivo fotovoltaico de perovskita. No processo de otimização da camada LDS de C7, o material luminescente foi dispersado em 3 diferentes polímeros transparentes: poli-metil metacrilato (PMMA), poliuretano (PU) e policarbonato (PC). O efeito das diferentes matrizes poliméricas nas propriedades óticas e estabilidade das camadas foi avaliado mediante caraterizações óticas e análises térmicas. Embora rendimentos quânticos de fotoluminescência de mais de 90 % foram obtidos para os 3 polímeros, as camadas em PMMA se mostraram mais estáveis em condições de temperatura e umidade ambiente e quando expostas a irradiação solar padrão, indicando assim que este é o polímero a ser empregado na produção das camadas luminescentes. Depois de simular o efeito das camadas otimizadas numa célula solar de perovskita, foram fabricados dispositivos para obter a prova de conceito do funcionamento da camada, resultando num incremento relativo de 20,55 % na Jsc do dispositivo. O aumento na densidade de corrente levou a uma melhora de 0,6 % absoluto na eficiência do dispositivo. Os testes de degradação mostram um aumento de 1,44 vezes no tempo de meia-vida de dispositivos fotovoltaicos de perovskita FTO/TiO2/MAPI/P3HT/Au com o uso da blenda LDS de C7:PMMA otimizada, indicando a possibilidade de usar a camada como um filtro de luz. Ao mesmo tempo, foram produzidas camadas LDS baseadas no corante Alq3, dispersado em PMMA. Depois de testar diferentes concentrações de PMMA e do corante, o incremento na PLQY do material não foi tão significativo, razão pela qual o material foi misturado com C7. Observou-se um aumento significativo (quase 2 vezes, 33 %) no valor de PLQY da blenda Alq3:C7 em comparação com o material Alq3 puro, sugerindo uma interação entre os dois corantes. Esta interação foi estudada com espectroscopia UV-vis, PL e TRPL e verificou-se a existência de um processo de transferência de energia Föster entre o Alq3 (doador) e C7 (aceitador). O efeito das misturas Alq3:C7 num dispositivo fotovoltaico de perovskita foi avaliado com cálculos usando o modelo de Rothemund, observando-se que há um aumento de Jsc quando a blenda otimizada é usada. No entanto, os testes de estabilidade mostraram uma rápida degradação das camadas LDS de Alq3:C7 quando expostas a condições ambientais de temperatura e umidade e quando expostas a irradiação solar, isto devido à rápida oxidação do Alq3. Por último, visando obter uma alternativa mais estável que o Alq3, camadas LDS do corante Kremer Blue (Kb) foram produzidas por spin-coating e testadas em dispositivos fotovoltaicos de perovskita e CIGS. O efeito da espessura das camadas e as concentrações das soluções poliméricas na performance dos dispositivos foi sistematicamente estudado mediante medidas de curvas características I vs V e EQE. Embora o uso de algumas camadas LDS de Kb resultam em ganhos na densidade de corrente de curto-circuito dos dispositivos de perovskita, a baixa reprodutibilidade das células produzidas e mudanças associadas à mobilidade iônica dificultam estimar o verdadeiro ganho induzido pelas camadas LDS. No caso das células CIGS, os ganhos obtidos na densidade de corrente são acompanhados por perdas no potencial de circuito aberto e o fator de preenchimento, resultando assim numa pequena diminuição da eficiência dos dispositivos. Simulações com o modelo de Rotheumund revelam que a possível causa desta diminuição na performance dos dispositivos seja devida ao baixo rendimento quântico de fotoluminescência (PLQY) das camadas. Para que as camadas de Kremer blue sejam úteis nos dispositivos, é necessário melhorar a emissão destas camadas LDS.

Abstract: In this work is explored the use of organic luminescent materials as luminescent down-shifting layers (LDS) for their potential application in second and third generation solar cells. LDS layers based on the dye Coumarin 7 (C7) were produced using the drop-casting technique and the optical properties of these layers were optimized, serving as input data for the SCAPS-1D program and the Rothemund model for determining short-circuit current density (Jsc) values of a perovskite photovoltaic device. In the process of optimizing the C7 LDS layer, the luminescent material was dispersed in 3 different transparent polymers: poly-methyl methacrylate (PMMA), polyurethane (PU) and polycarbonate (PC). The effect of the different polymer matrices on the optical properties and stability of the layers was evaluated through optical characterization and thermal analysis. Although photoluminescence quantum yields of more than 90 % were obtained for the 3 polymers, the PMMA layers proved to be more stable under ambient temperature and humidity conditions and when exposed to standard solar radiation, thus indicating that this is the polymer to be used in the production of the luminescent layers. After simulating the effect of the optimized layers in a perovskite solar cell, devices were fabricated to obtain the experimental proof of concept of the layer?s operation, resulting in a relative increase of 20.55 % in the Jsc. The increase in the current density led to an improvement of 0.6 % in the device efficiency. The degradation tests reveal an increase of 1,44 times in the half-life time of Perovskite photovoltaic devices with the FTO/TiO2/MAPI/P3HT/Au structure using the otimized C7:PMMA LDS blend, thus indicating the possibility of using this layer as light filter. At the same time, layers were produced based on the dye Alq3, which was dispersed in PMMA. After testing different PMMA and dye concentrations, the increase in the PLQY of the material was not so significant, which is why the material was mixed with C7. A significant increase (almost 2 times) in the PLQY of the Alq3:C7 blend was observed compared to the pure Alq3 material, suggesting an interaction between the two dyes. This interaction was studied with UV-vis, PL and TRPL spectroscopy and the existence of a Föster energy transfer process between Alq3 (donor) and C7 (acceptor) was realized. The effect of the Alq3:C7 mixtures on a perovskite photovoltaic device was evaluated with calculations using the Rothemund´s model, observing that there is an increase in Jsc when the optimized blend is used. However, stability tests showed a rapid degradation of the Alq3 :C7 LDS layers when exposed to ambient humidity and temperature conditions and when exposed to solar radiation, due to the rapid oxidation of Alq3. Finally, aiming to obtain a more stable alternative than Alq3, LDS layers of the Kremer Blue (Kb) dye were produced by spin-coating and tested in perovskite and CIGS (Copper, Indium, Gallium, Selenide) photovoltaic devices. The effect of layer thickness and polymer solution concentrations on device performance was systematically studied by measuring current-voltage characteristic curves (I vs V) and external quantum efficiency (EQE). Although the use of some Kb LDS layers results in gains in the short-circuit current density of perovskite devices, the low reproducibility of the solar cells and some changes associated to ion mobility make it difficult to estimate the true gain induced by the LDS layers. In the case of CIGS solar cells, the gains in current density obtained are accompanied by losses in open circuit voltage and fill factor, thus resulting in a small decrease in the efficiency of the devices. Simulations with the Rotheumund´s model reveal that the possible cause of this decrease in device performance is due to the low photoluminescence quantum yield (PLQY) of the layers. For Kremer blue layers to be useful in photovoltaic devices, it is necessary to improve the emission of these LDS layers.