Characterization of small molecule organic solar cells by variable light intensity measurements

A medida que las energías renovables tienen un mayor peso en el mercado energético, y el sector fotovoltaico tiende hacia menores costos de fabricación y reducido impacto ambiental, las Celdas Solares Orgánicas (CSO) ofrecen una excelente alternativa a las tecnologías tradicionales de silicio (tanto plafones como capa delgada). Las CSO, basadas en la generación de un excitón y su posterior separación en pares electrón-hueco en una interface activa donadora-aceptora (tipo n-p), han mostrado hasta ahora eficiencias de conversión de hasta 12%, pero aún carecen de estabilidad operativa a largo plazo y de procesos de manufactura comerciales. En particular, los semiconductores de pequeña molécula (en comparación con compuestos poliméricos) destacan por la especificidad de sus propiedades fotoeléctricas y el nivel de control y repetitividad durante su fabricación.Con el objetivo de comprender los procesos de conversión de fotones en electrones que determinan la Eficiencia de Conversión de Potencia (ECP) de una celda, se realizaron Mediciones de Iluminación Variable (MIV) como suplemento a las técnicas de caracterización estándares (curvas Corriente-Voltaje J(V), Eficiencia Cuántica Externa). Al analizar la celda solar como un circuito eléctrico simplificado, distintos parámetros de rendimiento (resistencias RSerie y RParalelo, voltaje de colectación VC) fueron extraídos de los datos MIV en función de la corriente de corto circuito JSC. De especial interés es el producto movilidad-tiempo de vida efectivo (μτeff) de los electrones-huecos, que bajo ciertas suposiciones (arrastre de cargas predominante, campo eléctrico constante, material intrínseco) se puede relacionar experimentalmente al VC, obteniendo una medida directa de la calidad del proceso de recolección de cargas.La fabricación de las celdas solares orgánicas se llevó a cabo por evaporación térmica al vacío (10-7 mbar) de las diferentes capas sobre un sustrato de vidrio, siguiendo la estructura ITO (50 nm)/MoO3 (3 nm)/ donador:aceptor (X nm)/BCP (8 nm)/Al (150 nm), utilizando materiales de última generación para la capa intrínseca (DBP:FulerenoC70, 1:1) con dos grosores distintos de heterounión (30 y 40 nm).El análisis de los datos MIV mostró que RS tiene poca influencia en la ECP, con valores por debajo de 15 Ωcm2, mientras que valores bajos de RP (< 50 k Ωcm2) indican altas fugas de corriente que disminuyen el desempeño. La corriente de saturación de diodo (J0 = 10-5 - 10-9 mA/cm2) no mostró una indicación clara de estar afectando el comportamiento J(V) debido a que ambos métodos utilizados (bajo oscuridad y bajo iluminación) ofrecieron datos contradictorios. A mayores coeficientes μτeff se obtiene una mayor corriente de corto circuito JSC, y por consiguiente, una mayor eficiencia de recolección de carga. En general, considerando que la selección de los materiales activos fue apropiada (alta absorción y moderada longitud de difusión del excitón), una pobre ECP puede ser atribuida a altas fugas de corriente y bajos valores de μτeff, resultando en factores de llenado muy bajos (FF