Morfologia em dispositivos fotovoltáicos em estrutura de heterojunção de PFO-DBT e fulerenos

Orientadora: Profª. Drª. Lucimara Stolz RomanDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Exatas, Programa de Pós-Graduação em Física. Defesa: Curitiba, 28/06/2016Inclui referências : f. 75-81Resumo: Neste trabalho são apresentados os estudos de morfologia de filmes em dispositivos fotovoltaicos, em estruturas de heterojunção de bicamada e de volume, utilizando-se o copolímero PFO-DBT e fulerenos. O copolímero é conhecido por sua larga faixa de absorção com máximos em duas regiões do espectro visível e pela estabilidade química de sua estrutura. As estruturas de bicamada são formadas com o fulereno C60 por sua alta eletroafinidade e pela transferência ultrarrápida de elétrons do copolímero. Como variante solúvel do C60 é empregado o TCBA na estrutura de heterojunção de volume, se tratando de uma molécula relativamente nova e promissora. A morfologia da camada ativa tem papel fundamental na eficiência de conversão de potência (PCE). O par elétron/buraco formado pela luz irradiada no copolímero, tem comprimento de difusão da ordem de dezenas de nanômetros. Os parâmetros fotovoltáicos da bicamada indicam limitação da absorção de luz dada pela espessura do filme. A heterojunção de volume permite maiores áreas de interface doador/aceitador no interior da camada, possibilitando maiores espessuras. Contudo a saturação da solução utilizada na formação do filme favorece interações entre os fulerenos, resultando em aglomerados desfavoráveis ao aproveitamento de cargas. Filmes de heterojunção de volume confeccionados com solução de 18 mg/mL apresentam uma espessura de cerca de 100 nm com grandes aglomerados de fulerenos com diâmetro médio de até 670 nm. A morfologia do filme é otimizada submetendo-o à uma temperatura de 100 °C, atingindo PCE de 0,35 %. Reduzindo a concentração para 9 mg/mL, o diâmetro médio dos aglomerados é reduzido para cerca de 170 nm e, mesmo reduzindo a espessura em três vezes, a eficiência dos dispositivos permanece entorno dos 0,35%, mesmo sem utilizar o tratamento térmico. Palavras chave: Fotovoltaicos poliméricos, bicamada, heterojunção de volume, derivado de fulereno, PFO-BDT, morfologia.Abstract: Tn this work are presented the film morphology study of organic photovoltaic devices in bilayer and bulk heterojunction structures by using the PFO-DBT copolymer and fullerenes. The copolymer is known for its wide absorption spectra with two maxima region in the visible spectra and for its chemical stability structure. The bilayer structures are formed with the C60 fullerene due to its high electroaffinity and tdue to the copolymer ultrafast charge transfer. As C60 soluble variant is employed the TCBA in the bulk heterojunction structure, since this is a relatively new and promising molecule. The active layer morphology plays a key role in the power conversion efficiency (PCE). The electron/hole pair formed by the irradiated light has diffusion length around ten nanometers. The bilayer photovoltaic parameters indicate restrictions on the light absorption given by the film thickness. The bulk heterojunction allows larger donor/acceptor interfaces areas in the inner layer, making possible greater thicknesses. However, the solution saturation used in the film formation favor interactions between the buckyballs, resulting in unfavorable agglomerates for the charge collection. Bulk heterojunction films made by an 18 mg/mL solution present around 100 nm thickness with big fullerene agglomerates with average diameter up to 670 nm. The film morphology is optimized by a 100 °C annealing reaching a 0,35 % PCE. By reducing the concentration to 9 mg/mL, the agglomerates average diameter is reduced to around 170 nm and, even with a three times reduced thickness, the PCE still about 0,35 %, even without annealing. Keywords: Polymeric photovoltaic, bulk heterojunction, fullerene derivative, PFO-BDT, morphology