Electrodes of modified inorganic materials for hybrid solar cells

Orientador: Ana Flávia NogueiraTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de QuímicaResumo: Este trabalho apresenta a síntese de moléculas carboxiladas e sua utilização como agentes compatibilizantes em sistemas híbridos inorgânico/orgânico. A caracterização e aplicação das interfaces destes sistemas híbridos de dióxido de titânio com poli(3-hexiltiofeno) (TiO2/P3HT) e silício monocristalino com poli(3-hexiltiofeno) (Si/P3HT) também foram estudadas. No primeiro sistema, TiO2/P3HT, a modificação superficial do TiO2 foi efetuada com três moléculas carboxiladas: ácido 2-tiofenocarboxílico (TCA), ácido 2-tiofenoacético (TAA) e ácido 2,4-tiofenodicarboxílico (TDA). Essas modificações demostraram que a molécula TAA apresenta melhor compatibilidade na interface, evidenciada por estudos fotofísicos de Espectroscopia de Absorção Transiente (TAS) e medidas de ângulo de contato. A célula solar com TAA (configuração invertida) apresentou eficiência de 0,03%, três vezes maior que a obtida no dispositivo padrão. Com a inserção do corante N719 na superfície do TiO2, a eficiência alcançou valores superiores a 1%. A eficiência dos dispositivos chegou a 1,35% com a inserção na camada de P3HT de nanopartículas de TiO2 na forma de bastão (TiO2 NB/TAA). Essa modificação da camada polimérica mostrou que o TiO2 NB/TAA apresentou propriedades ligeiramente superiores nos experimentos de fotoeletroquímica quando comparado com nanopartículas sintetizadas no formato esférico (TiO2 NE). Além disso, a técnica de Espalhamento de Raios-X a Baixo Ângulo (SAXS) mostrou que as nanopartículas TiO2 NB/TAA e TiO2 NE encontram-se distribuídas de forma homogênea pela matriz de P3HT. No segundo sistema, as células solares de Si/P3HT foram obtidas a partir de reações que modificaram a interface dos materiais. A adsorção química da molécula TAA sobre o óxido nativo (Si/SiOx/TAA) e a reação do grupo superficial Si-Cl com o reagente de Grignard brometo de tiofeno-magnésio (Si/Tiofeno) foram respectivamente caracterizadas por Espectroscopia de Infravermelho (FTIR) e Espectroscopia de Fotoelétrons por Raios-X (XPS). A contribuição do P3HT para o dispositivo foi avaliada a partir da comparação com uma junção Schottky (Al/Si/Au). Os valores de VOC obtidos nas células solares na presença de P3HT foram similares (~0,4 V) e superiores ao obtido no dispositivo sem o polímero (~0,2 V), evidenciando o domínio da junção Si/P3HT para as propriedades fotovoltaicas. O dispositivo Si/SiOx/TAA apresentou grande resistência em série, com eficiência de conversão de energia inferior a 0,5%. Porém, com a configuração Al/Si/Tiofeno/P3HT/Au, as células solares alcançaram valores de eficiência de 5,76%. A eficiência superior foi relacionada com a melhor adesão e compatibilidade entre o Si e o P3HT a partir de imagens de SEMAbstract: This work presents the synthesis of carboxylated molecules and their use as compatibilizer agents in hybrid inorganic/organic systems. Characterization and application of the interfaces of those hybrid systems comprising titanium dioxide with poly(3-hexylthiophene) (TiO2/P3HT) and monocrystalline silicon with poly(3-hexylthiophene) (Si/P3HT) will also be described. In the former system, TiO2/P3HT, the TiO2 surface was modified with three molecules: 2-thiophenecarboxylic acid (TCA), 2-thiopheneacetic acid (TAA) and 2,4- thiophenedicarboxylic acid (TDA). Transient Absorption Spectroscopy (TAS) photophysical studies and contact angle measurements demonstrated that TAA presents the best compatibility in the interface. Solar cells modified with TAA, set up in inverted configuration, showed 0.03% of overall energy conversion efficiency, which is three times larger than the one obtained from a standard device. Replacing TAA by N719 dye on TiO2 surface increased the efficiency, achieving values higher than 1%. Inserting TiO2 rod-shaped nanoparticles (TiO2 NB/TAA) on P3HT layer of the latter system resulted in 1.35% overall efficiency. Photoelectrochemical experiments demonstrated that this modification using TiO2 NB/TAA increases exciton separation rate and conductivity properties slightly enhanced compared to spherical nanoparticles (TiO2 NE/TAA). Small-Angle X-ray Scattering (SAXS) showed that TiO2 NB/TAA and TiO2 NE nanoparticles are homogeneously distributed in the P3HT matrix. In the Si/P3HT hybrid system, the inorganic/organic interface was modified through chemical adsorption of TAA molecules on the native oxide (Si/SiOx/TAA) and a reaction of the surface Si-Cl groups with Grignard reagent 2-thiophene-magnesium bromide (Si/Tiofeno). Both reactions were characterized using Infrared Spectroscopy (FTIR) and X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). The contribution of P3HT to the p-n junction formation in the photovoltaic device was evaluated from a comparison with a Schottky junction (Al/Si/Au). The VOC values obtained with P3HT were similar among the experiments (around 0.4 V) and higher than without the polymer (around 0.2 V). This observation highlights the dominance of Si/P3HT for photovoltaic properties. The Si/SiOx/TAA device exhibited a high series resistance, with energy conversion efficiency lower than 0.5%. However, using Al/Si/Tiofeno/P3HT/Au configuration, the solar cells reached 5.76% efficiency. The higher values might be related to a better adhesion and compatibility between Si and P3HT, which was observed from SEM imagesDoutoradoQuimica InorganicaDoutor em Ciência