DISPOSITIVI ELETTRONICI AVANZATI PLASTIC ELECTRONICS Celle Solari Organiche (II)

1. DISPOSITIVI ELETTRONICI AVANZATI PLASTIC ELECTRONICS Celle Solari Organiche (II) a cura di Ornella Sanna

2. Celle solari organiche, step di conversione e meccanismi di perdita ECCITONE: coppia elettrone-lacuna creata dall’assorbimento dei fotoni le cariche successivamente separate devono viaggiare verso i rispettivi elettrodi

3. PROBLEMI DI CONVERSIONE DELL’ENERGIA • Assorbimento di fotoni • Il bandgap del semiconduttore è troppo alto • Lo strato organico è troppo sottile • Perdite per riflessione • Diffusione degli eccitoni • Separazione di carica • Trasporto di carica • Raccolta delle cariche

4. il trasporto di carica nei materiali organici generalmente avviene tramite hopping tra unamolecola e l’altra • specifiche per una buona cella solare: • forte vicinanza tra le molecole • grande densità di molecole • per soddisfare queste specifiche sono state elaborate diverse architetture di dispositivi fotovoltaici • Single Layer Cell • un solo materiale semiconduttore • la separazione di carica avviene alla giunzione • Schottky

5. Svantaggi: • l’assorbimento non avviene in tutto il visibile • elevate perdite per ricombinazione 2. Double layer cell • due strati attivi separati • minore ricombinazione • uno strato accettore di elettroni tra il materiale attivo e l’elettrodo negativo migliora la regione attiva compenetrazione degli spettri di assorbimento

6. Se l’offset tra i livelli HOMO e LUMO di entrambi i materiali a contatto è sufficiente a separare gli eccitoni, le cariche separate raggiungeranno i rispettivi elettrodi con poche probabilità di ricombinarsi. concentrazione di portatori liberi sufficiente a compensare il campo di built in dovuto alla differenza tra le funzioni lavoro degli elettrodi bande di energia per un dispositivo double layer con bassa concentrazione di portatori di carica

7. Performance di varie celle solari organiche a double layer

8. 3. Blend cell • Blend è una mistura di materiali donore e accettore • Blend e double layer condividono diversi vantaggi: • trasporto di carica separato • strato attivo più spesso Nella blend lo strato attivo può essere molto più spesso della somma delle lunghezze di diffusione degli eccitoni nei due materiali donore e accettore.Ciò implica una maggiore capacità di assorbimento rispetto ad altre strutture.

9. Svantaggi: • elevata solubilità di entrambi i componenti • miscela dei due materiali di elevata qualità • basse tensioni di circuito aperto • forte dipendenza della fotocorrente dal campo applicato 4. Laminated Layer Devices idea di base: depositare gli strati D e A su elettrodi separati e poi laminarli insieme per ottenere una struttura D/A migliorandone l’interfaccia

10. Svantaggi: • compatibilità trai componenti • necessità di materiali “soft” • curvatura del substrato • facile deterioramento dell’interfaccia performance di alcune celle solari a struttura laminata

11. La EQE di un dispositivo con uno strato di PTV spesso 90nm è molto bassa nella principale regione di assorbimento ma raggiunge valori elevati nel range del blu. Caratteristiche IV di un dispositivo con PTV nel buio (linea tratteggiata) e sotto illuminazione a 420nm (linea continua). • PRESTAZIONI • Single layer

12. Caratteristiche IV al buio e alla luce a 610nm con intensità di 0.25mW/cm2. Lo spessore dello strato di CuPc è circa 15nm mentre lo strato di Per è circa 60nm Assorbimento ottico lineare e EQE di un dispositivo double layer con CuPc/Per • Double layer

13. Caratteristiche IV di un blend HPc+Per al buio e sotto illuminazione con luce a 650nm e con intensità 0.25mW/cm2. Lo spessore è circa 70nm. EQE di un blend device HPc+Per • Blend layer

14. Caratteristiche IV di una struttura laminata con contatti di ITO e Al al buio (linea tratteggiata) e sotto illuminazione a 480 nm EQE e spettro di assorbimento di una struttura laminata • Laminated layer

15. La caratterizzazione fotovoltaica Power Conversion Efficiency (PCE)

16. Data una certa IL la VOC è tanto maggiore quanto più piccola è la corrente al buio. Posto dunque I = 0, si ottiene: Voc =(nkT/q)*ln(IL/I0 + 1) TENSIONE DI CIRCUITO APERTO cella solare ideale: Rs = 0 e Rsh =  Id = I0 exp(qV/nkT- 1) al buio Id = I0 exp(qV/nkT- 1) - IL sotto illuminazione

17. cella solare reale: effetti di Rs e Rsh da cui, posto I=0, si ricava la formula che tiene conto dell’effetto di Rsh

18. CORRENTE DI CORTO CIRCUITO La corrente ISC (RL = 0) si può ottenere dall’equazione un altro fattore che influenza il valore di VOC è la fotoluminescenza (PL)

19. ponendo V = 0 cioè questa è la massima corrente che può essere estratta da una cella solare

20. effetto di Rsh Interpretazione delle caratteristiche IV per le celle solari organiche

21. effetto di Rs effetto di Isc

22. Interfaccia elettrodo/semiconduttore e materiali per gli elettrodi Ca e Au, al posto di Al e ITO, migliorano l’efficienza di raccolta delle cariche ai due elettrodi ma sono poco versatili

23. Quindi requisiti importanti per i materiali degli elettrodi sono: • una appropriata funzione lavoro • trasparenza (anche parziale) di uno dei due contatti • Elettrodi comunemente usati nelle celle solari: • per la raccolta di elettroni • Al, Ca, In, Ag • per la raccolta di lacune • ITO, PEDOT

24. thermal evaporated Al PEDOT-PSS deposited by spin-coating silver paste thermal evaporated or spin-coated organic polymer transparent flexible layer only 900 nm thick !!! A simple structure for Flexible Photovoltaic Devices

25. I-V characterization