Blenda doadora contendo cristal líquido (P3HT:CoPc) para aplicações em dispositivos fotovoltaicos orgânicos

Abstract

Nas últimas décadas, as células solares orgânicas, ou dispositivos fotovoltaicos orgânicos (OPVs), apresentaram um rápido desenvolvimento devido ao seu baixo custo, à sua fabricação simples, flexibilidade, a facilidade de processamento e o progresso na eficiência de conversão de energia (PCE). Recentemente o PCE das OPVs ultrapassou 18%. Dentre as estratégias utilizadas para o aumento da eficiência se destacam as células solares em heterojunção de volume na estrutura ternária, novos materiais fotoativos e a otimização da morfologia. OPVs baseadas em estrutura ternária são geralmente compostas de um segundo material doador na camada ativa, para aumentar a densidade de corrente através da absorção de fótons, melhorando as propriedades de transporte de cargas dos dispositivos e a inibição dos processos de recombinação de cargas. Estas propriedades complementares são encontradas em cristais líquidos discóticos (CLDs). Neste contexto, esta tese tem como objetivo a caracterização da ftalocianina líquido cristalina de cobalto (CoPc) misturada com o polímero regioregular poli(3- hexiltiofeno) (P3HT), para aplicação como blenda doadora em uma célula ternária. Para isto, foram investigadas as propriedades ópticas, estruturais, morfológicas, e elétricas dos filmes CoPc, P3HT e das blendas P3HT:CoPc, estas últimas nas diferentes proporções e sob a influência do tratamento térmico. Os compostos CoPc e P3HT apresentaram espectro de absorção complementar, característica importante para aplicação como blenda doadora. Além disso, eles apresentaram boas propriedades estruturais, morfológicas e elétricas. As blendas P3HT:CoPc foram investigadas nas proporções de 10%, 15%, 25%, 50% e 75% de CoPc em sua composição. Os resultados mostraram que as blendas mantiveram a complementariedade no espectro de absorção. A caracterização estrutural das blendas sugere que o cristal líquido atuou como um agente de cristalização do P3HT, característica intensificada com o tratamento térmico, contribuindo para o ordenamento do polímero. Com as caracterizações morfológicas, foi estudado o efeito de agregação nas diferentes proporções e influência do tratamento térmico. As medidas elétricas forneceram informações sobre as propriedades de transporte de carga da camada ativa. O dispositivo com 25% de CoPc, com tratamento térmico, obteve o melhor desempenho elétrico, uma mobilidade dos portadores de carga de 8,4×10-4 cm2/V.s, um aumento de aproximadamente duas ordens de grandezas em relação aos compostos individuais. Este resultado foi correlacionado com os parâmetros estruturais e morfológicos, assim como o tratamento térmico.

Abstract: In the last decade, organic solar cells, or organic photovoltaic devices (OPVs), have presented a fast development due to its low cost, simple fabrication, flexibility, processing facility, and progress in conversion efficiency of energy (PCE). Recently the PCE of OPVs has exceeded 18%. Among the strategies used to increase efficiency, solar cells in bulk heterojunction with ternary structure stand out, as well as new photo-active materials and the optimization of morphology. Ternary structure-based active layer for OPVs are generally composed of a second donor material to increase current density through photon absorption, improving charge transport properties and inhibiting charge recombination processes. These complementary properties are found in discotic liquid crystals (DCLs). In this context, the main objective of this thesis is to characterize liquid crystalline cobalt phthalocyanine (CoPc) mixed with the regioregular polymer poly(3-hexylthiophene) (P3HT), for application as a donor blend in a ternary solar cell. For this purpose, the optical, structural, morphological and electrical properties of CoPc, P3HT films and P3HT:CoPc blends were investigated, the latter in different proportions and under the influence of thermal treatment. The CoPc and P3HT compounds presented a complementary absorption spectrum, an important characteristic for application as a donor blend. Furthermore, the compounds presented good structural, morphological and electrical properties. The blends were investigated in the proportions of 10%, 15%, 25%, 50% and 75% of CoPc in their composition. The results showed the blends preserved the complementarity in the absorption spectrum. The structural characterization of the blends suggests that the liquid crystal acted as a crystallization agent for P3HT, a characteristic intensified with the thermal treatment, contributing to the polymer ordering. With the morphological measurements, the effect of aggregation in different proportions and influence of thermal treatment was studied. The electrical measurements provided information about the charge transport properties of the active layer. The device with 25% CoPc, with thermal treatment, obtained the best electrical result, a charge carrier mobility of 8.4×10-4 cm2/V.s, representing an increase of approximately two orders of magnitude over the individual compounds. This result was correlated with structural and morphological parameters, as well as thermal treatment