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.
concentrazione di portatori liberi
bande di energia per un dispositivo
sufficiente a compensare il campo di
double layer con bassa
built in dovuto alla differenza tra le
concentrazione di portatori di carica
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
Caratteristiche IV di un dispositivo con PTV nel
PTV spesso 90nm è molto bassa nella
buio (linea tratteggiata) e sotto illuminazione a
principale regione di assorbimento ma
420nm (linea continua).
raggiunge valori elevati nel range del blu.
• Double layer
Assorbimento ottico lineare e EQE di un
Caratteristiche IV al buio e alla luce a 610nm con intensità di
dispositivo double layer con CuPc/Per
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
EQE e spettro di assorbimento di una
Caratteristiche IV di una struttura laminata
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: 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
V
V  IRs


Rsh
I0
nkT
/
q
I

*e
 1

Rs
Rs 


1
1
Rsh
Rsh
IL 
da cui, posto I=0, si ricava la formula che tiene conto dell’effetto di Rsh

nkT  I L  Voc / Rsh
Voc 
ln 
 1
q
I0


un altro fattore che influenza il valore di VOC è la fotoluminescenza (PL)
nkT  I L  Voc / Rsh 
Voc 
ln 
 1
q
 I 01 /  PL

CORRENTE DI CORTO CIRCUITO
La corrente ISC (RL = 0) si può ottenere dall’equazione
V
IL 
V  IRs


Rsh
I0
nkT
/
q
I

*e
 1

Rs
Rs 


1
1
Rsh
Rsh
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 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
A simple structure for Flexible Photovoltaic Devices
PEDOT-PSS
deposited by spin-coating
thermal evaporated Al
silver paste
thermal evaporated or spin-coated organic polymer
transparent flexible layer
only 900 nm thick !!!
I-V characterization
2
6,00µ
Perylene
Voc= 0,415 V
J(A/cm )
50,0n
4,50µ
2
dark current
-1,0
0,0
-0,5
0,0
V(Volt)
0,5
1,0
Jsc= 1440 nA/cm
FF= 21%
3,00µ
2
J(A/cm )
1,5
light current
1,50µ
-50,0n
light current
-1,0
-100,0n
OC1C10- PPV
Voc= 1,24 V
2
-150,0n
Jsc= 132 nA/cm
FF= 53,7 %
-0,5
0,00
0,0
-1,50µ
-3,00µ
-4,50µ
dark current
V(Volt)
0,5
1,0