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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.76.2018.tde-11062018-115130
Document
Author
Full name
Daniel Roger Bezerra Amorim
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2018
Supervisor
Committee
Faria, Roberto Mendonça (President)
Fonseca, Fernando Josepetti
Goncalves, Debora
Olivati, Clarissa de Almeida
Scalvi, Luis Vicente de Andrade
Title in Portuguese
Análise teórico-experimental sobre mecanismos de transporte em células solares orgânicas de P3HT e PCBM
Keywords in Portuguese
Células solares orgânicas
Fotocorrente
Recombinação bimolecular
Abstract in Portuguese
As células solares orgânicas, também conhecidas como (OPVs), fazem parte da terceira geração dos dispositivos fotovoltaicos. Entre outras tecnologias emergentes, a dos OPVs tem a vantagem de ser de fácil processamento e de baixo custo. Ou seja, uma tecnologia comercialmente promissora na área de conversão de energia solar em energia elétrica. No entanto, grandes desafios precisam ser superados para colocar estas células no mercado dos fotovoltaicos. Dentre esses desafios, pode estar incluído, inevitavelmente, a compreensão dos processos físicos envolvidos na fotogeração em OPVs, dentre os quais pode-se destacar o da recombinação de cargas fotogeradas. A recombinação é o principal responsável pela perda de eficiência em OPVs, uma vez que ela elimina uma fração relativamente grande de portadores de carga, diminuindo consideravelmente a potência de saída da célula. Para estudar este efeito indesejado em células orgânicas, desenvolvemos um modelo analítico para fotocorrente em OPVs do tipo bulk heterojunction (BHJ), assumindo uma recombinação bimolecular de cinética de segunda ordem. O modelo é representado por uma expressão analítica obtida a partir das equações fundamentais da eletrodinâmica clássica, onde despreza-se a contribuição da corrente de difusão e as mobilidades dos elétrons e dos buracos são consideradas iguais. Essa expressão foi de grande valia na análise dos resultados experimentais, sobretudo os de corrente-tensão (J-V) sob iluminação, e além disso, ela permitiu extrair parâmetros intrínsecos do transporte de carga, como mobilidade e coeficiente de recombinação. Neste sentido, foram fabricados dispositivos cuja estrutura foi ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Ca/Al, e com eles foram realizados inúmeros experimentos. As técnicas usadas na parte experimental foram: medidas J-V, no escuro e sob iluminação, medidas de transiente de fotovoltagem (TPV), de transiente de fotocorrente (TPC), e de Foto-CELIV (Charge Extraction Linear Increasing Voltage). Usamos como parâmetros experimentais a temperatura e intensidade de iluminação. Das medidas J-V sob iluminação, foram extraídos os parâmetros essenciais da célula: corrente de curto (Jsc), potencial de circuito aberto (Voc), fator de preenchimento (FF) e a eficiência (PCE). A partir das abordagens experimental e teórica, exploramos a influência da recombinação bimolecular no comportamento fotovoltaico dos dispositivos. O desenvolvimento do modelo teve contribuição de trabalhos que se basearam em modelagem numérica a partir de condições físicas semelhantes às usadas em nosso tratamento e que foram levadas em consideração no processo de análise dos resultados experimentais.
Title in English
Theoretical-experimental analysis on transport mechanisms in organic solar cells based on P3HT and PCBM
Keywords in English
Bimolecular recombination
Organic solar cells
Photocurrent
Abstract in English
Organic solar cells, also known as (OPVs), are part of the third generation of photovoltaic devices. Among other emerging technologies, OPVs have the advantage of being easy to process and exhibits low cost of production. That is, it is a promising commercial technology in the area of converting solar energy into electricity. However, major challenges need to be overcome to put these cells in the photovoltaic market. Among them, it can be included, inevitably, the comprehension of the physical processes involved in photogeneration in OPVs, of which, the recombination of photogenerated carriers is included. Recombination is primarily factor responsible for the loss of efficiency in OPVs, since recombination eliminates a large fraction of the carriers, considerably reducing the output power of the cell. To study this undesirable effect in organic cells, we developed an analytical model for the photocurrent in bulk heterojunction cells (BHJ), which assumes the bimolecular recombination of second order kinetics. The model is represented by an analytical expression obtained by the equations of the classical electrodynamics, where we neglected the contribution of the diffusion current and assumed that electrons and holes have equal mobilities. The expression was of great value for the analysis of the experimental results, especially the current-voltage (J-V) measurements under illumination, and it allowed to extract intrinsic parameters of charge transport effects, such as mobility and recombination coefficient. For this, it were fabricated devices whose structure was ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Ca-Al, and with them were performed numerous experiments. The techniques used in the experimental part were: J-V measurements, in the dark and under illumination, transient photovoltage (TPV), transient photocurrent (TPC), and of Charge Extraction Linear Increasing Voltage (Photo-CELIV). We used as experimental parameters the temperature and the intensity of. From J-V measurements under illumination we extracted the essential cell parameters: short current (Jsc), open circuit potential (Voc), fill factor (FF) and efficiency (PCE). From the experimental and theoretical approaches, we explored the influence of bimolecular recombination on the photovoltaic behavior of the devices. The development of the model had contributions of works based on numerical modelings from physical conditions similar to those used in our treatment and that were taken into account in the process of analysis of the experimental results.
 
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Publishing Date
2018-07-27
 
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