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DISPOSITIVI ELETTRONICI AVANZATI PLASTIC ELECTRONICS Celle Solari Organiche (II)
a cura di Ornella Sanna
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
PROBLEMI DI CONVERSIONE DELL’ENERGIA
•
Assorbimento di fotoni
1.
2.
Il bandgap del semiconduttore è troppo alto Lo strato organico è troppo sottile 3. Perdite per riflessione •
Diffusione degli eccitoni
•
Separazione di carica
•
Trasporto di carica
•
Raccolta delle cariche
il trasporto di carica nei materiali organici generalmente avviene tramite
hopping
tra una molecola 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
1. Single Layer Cell
un solo materiale semiconduttore la separazione di carica avviene alla giunzione Schottky
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
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 .
bande di energia per un dispositivo double layer con bassa concentrazione di portatori di carica concentrazione di portatori liberi sufficiente a compensare il campo di built in dovuto alla differenza tra le funzioni lavoro degli elettrodi
Performance di varie celle solari organiche a double layer
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.
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
Svantaggi:
• compatibilità trai componenti • necessità di materiali “soft” • curvatura del substrato • facile deterioramento dell’interfaccia performance di alcune celle solari a struttura laminata
PRESTAZIONI
•
Single layer
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).
•
Double layer
Assorbimento ottico lineare e EQE di un dispositivo double layer con CuPc/Per Caratteristiche IV al buio e alla luce a 610nm con intensità di 0.25mW/cm 2 . Lo spessore dello strato di CuPc è circa 15nm mentre lo strato di Per è circa 60nm
•
Blend layer
EQE di un blend device HPc+Per Caratteristiche IV di un blend HPc+Per al buio e sotto illuminazione con luce a 650nm e con intensità 0.25mW/cm 2 . Lo spessore è circa 70nm.
•
Laminated layer
EQE e spettro di assorbimento di una struttura laminata Caratteristiche IV di una struttura laminata con contatti di ITO e Al al buio (linea tratteggiata) e sotto illuminazione a 480 nm
La caratterizzazione fotovoltaica
Power Conversion Efficiency (PCE)
TENSIONE DI CIRCUITO APERTO
cella solare ideale: R s = 0 e R sh =
I d
=
I 0 exp(qV/nkT-
1) al buio
I d
=
I 0 exp(qV/nkT-
1
) - I L
sotto illuminazione Data una certa I L la V OC è tanto maggiore quanto più piccola è la corrente al buio. Posto dunque I = 0, si ottiene:
Voc
=(
nkT/q)*ln
(
IL/I
0 + 1)
cella solare reale: effetti di R s e R sh
I
I L
1
V R sh R s R sh
1
I
0
R s R sh
*
V
IR s e nkT
/
q
1 da cui, posto I=0, si ricava la formula che tiene conto dell’effetto di R sh
V oc
nkT q
ln
I L
V oc
/
R sh I
0 1
un altro fattore che influenza il valore di V OC è la fotoluminescenza (PL)
V oc
nkT q
ln
I L I
01
V oc
/ /
PL R sh
1
CORRENTE DI CORTO CIRCUITO
La corrente I SC (R L = 0) si può ottenere dall’equazione
I
I L
1
V R sh R s R sh
1
I
0
R s R sh
*
V
IR s e nkT
/
q
1
ponendo V = 0 cioè
I sc
I L
I sh
I d
questa è la massima corrente che può essere estratta da una cella solare
Interpretazione delle caratteristiche IV per le celle solari organiche
effetto di R sh
effetto di R s effetto di I sc
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
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
A simple structure for Flexible Photovoltaic Devices
PEDOT-PSS deposited by spin-coating thermal evaporated Al silver paste
transparent flexible layer only 900 nm thick !!!
thermal evaporated or spin-coated organic polymer
I-V characterization
-1,0
J(A/cm 2 )
50,0n
dark current
-0,5 0,0 0,0 -50,0n -100,0n -150,0n 0,5 1,0
light current OC 1 C 10 - PPV V oc = 1,24 V J sc = 132 nA/cm 2 FF= 53,7 %
1,5
V(Volt) Perylene
6,00µ
V oc = 0,415 V J sc = 1440 nA/cm 2 FF= 21%
4,50µ
J(A/cm 2 )
3,00µ 1,50µ
light current
-1,0 -0,5 0,00 0,0 -1,50µ -3,00µ 0,5 -4,50µ
dark current
1,0
V(Volt)