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. Il bandgap del semiconduttore è troppo alto

2. 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/cm2. 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/cm2. Lo spessore è circa 70nm.

• Laminated layer

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

La caratterizzazione fotovoltaica

Power Conversion Efficiency (PCE)

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

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)

cella solare reale: effetti di Rs e Rsh

1*11

/0 qnkT

IRV

sh

s

sh

s

shL s

e

RRI

RRRV

I

I

1

/ln

0I

RVI

q

nkTV shocLoc

da cui, posto I=0, si ricava la formula che tiene conto dell’effetto di Rsh

un altro fattore che influenza il valore di VOC è la fotoluminescenza (PL)

1

/

/ln

01 PL

shocLoc I

RVI

q

nkTV

CORRENTE DI CORTO CIRCUITO

La corrente ISC (RL = 0) si può ottenere dall’equazione

1*11

/0 qnkT

IRV

sh

s

sh

s

shL s

e

R

RI

R

RRV

I

I

ponendo V = 0

cioè

dshLsc IIII

questa è la massima corrente che può essere estratta da una cella solare

Interpretazione delle caratteristiche IV per le celle solari organiche

effetto di Rsh

effetto di Rs effetto di Isc

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

thermal evaporated or spin-coated organic polymer

transparent flexible layeronly 900 nm thick !!!

PEDOT-PSSdeposited by spin-coating

thermal evaporated Alsilver paste

A simple structure for Flexible Photovoltaic Devices

-1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5

-150,0n

-100,0n

-50,0n

0,0

50,0n

OC1C

10- PPV

Voc

= 1,24 V

Jsc

= 132 nA/cm2

FF= 53,7 %

dark current

light current

J(A/cm2)

V(Volt)

-1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0

-4,50µ

-3,00µ

-1,50µ

0,00

1,50µ

3,00µ

4,50µ

6,00µPeryleneV

oc= 0,415 V

Jsc

= 1440 nA/cm2

FF= 21%

dark currentlight current

J(A/cm2)

V(Volt)

I-V characterization