Estudo da morfologia de dispositivos fotovoltaicos orgânicos de heterojunção de volume baseados em P3HT:PCBM

A energia solar fotovoltaica se destaca dentre as energias alternativas por apresentar um grande potencial energético. Comercialmente, os dispositivos fotovoltaicos mais encontrados são aqueles à base de silício. No entanto, as células fotovoltaicas orgânicas aparecem como uma atraente alternativa, pois a seu baixo custo conciliam características como flexibilidade, leveza e demanda de um fácil processo de fabricação, muito embora, por outro lado, apresentem baixa eficiência de conversão energética e curto tempo de vida útil. Sabendo que os fatores morfológicos desempenham um papel importante na eficiência dos dispositivos finais, a proposta deste projeto se baseia na investigação da variação morfológica dos filmes finos de P3HT:PCBM, segundo dois parâmetros de preparação: velocidade de deposição, 2000 rpm e 4000 rpm, e o uso ou não do octanoditiol com solvente aditivo. Analisamos as características ópticas por espectroscopia de UV-Vis e as características morfológicas a partir da microscopia de força atômica (AFM) e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Nos espectros UV-Vis, o pico em 454 nm da transição π-π* do P3HT não sofreu qualquer deslocamento, indicando não ter havido modificação na densidade de defeitos conformacionais ou na interação entre as cadeias do polímero doador. As alterações nesses espectros se devem simplesmente à variação na intensidade de absorção, que se torna maior quando se emprega o solvente aditivo ou velocidades mais baixas. As imagens de MEV mostraram superfícies mais homogêneas na velocidade de 2000 rpm, sendo que o efeito do octanoditiol é mais significativo na velocidade de 4000 rpm. Da microscopia de força atômica, extraímos os valores da rugosidade da camada ativa depositada, sendo possível perceber que baixas velocidades de rotação e o uso do octanoditiol levam a uma maior rugosidade dos filmes de P3HT:PCBM, o que pode ser benéfico para a eficiência dos dispositivos fotovoltaicos, uma vez que aumenta a área de contato na interface com o eletrodo metálico, levando a um incremento na coleta de portadores de carga. Fizemos ainda a caracterização elétrica D.C.; entretanto, as curvas J-V dos dispositivos fotovoltaicos apresentaram um comportamento ôhmico, o qual diferente dos resultados previstos teoricamente ou dos encontrados na literatura. Como perspectivas, ambicionamos investigar as possíveis falhas no processo de confecção do dispositivo e, assim, obter as curvas JxV características das células fotovoltaicas, o que possibilitaria a determinação do coeficiente de conversão energética.Due to its large energetic potential, photovoltaic solar energy stands out among the different alternative energies. Commercially, the most common photovoltaic devices are those based on silicon. However, in recent years organic photovoltaic cells have appeared as an attractive possibility, not only because of its low cost, but also for combining characteristics such as flexibility, light weight and easy manufacturing process; however, on the other hand, they have low energy conversion efficiency and a short lifespan. Since the final efficiency of a device depends on its morphological structure, in this work we investigated the effect of controlled changes in two preparation parameters, the deposition rate (2000 rpm and 4000 rpm) and use or not of octanodithiol with additive solvent, on the structure of thin films of P3HT:PCBM. We analyzed the effect of these changes on the optical characteristics by UV-Vis spectroscopy and on the morphological characteristics by atomic force microscopy (AFM) and scanning electron microscopy (SEM). In the UV-Vis spectra, we found that the 454 nm peak of the π-π transition of P3HT did not undergo any displacement,indicating that there was no change in the density of conformational defects or in the interaction between the donor polymer chains. The changes in the spectra are simply due to the variation in the intensity of absorption, which becomes greater when employing the additive solvent or lower speeds. The SEM images showed more homogeneous surfaces at the speed of 2000 rpm, with the effect of octanodithiol being more significant at the speed of 4000 rpm. From the AFM images, we extracted the roughness values of the deposited layer, when we determined that the adoption of low speeds combined to the use of octanodithiol lead to a higher roughness of P3HT: PCBM films, which can be beneficial to the efficiency of the photovoltaic devices. We also performed the electrical characterization D.C., however the J-V curves of the photovoltaic devices presented a behavior different from those theoretically predicted or other experimental results. As future perspective for continuation of this work, we consider the investigation of possible flaws in the process we adopted, allowing to obtain the characteristic JxV curves of the photovoltaic cells, and hence determining the energy conversion coefficient