Optimización de propiedades de las capas que conforman una celda solar híbrida basada en el compuesto (CH3NH3)PbI3 con estructura tipo perovskita, depositado por spin–coating

Resumen: Esta tesis ha sido direccionada hacia el estudio de las propiedades ópticas, eléctricas y morfológicas de películas delgadas de los materiales usados en la fabricación de un prototipo de celda solar híbrida con arquitectura regular planar FTO/ETL/CH3NH3PbI3/P3HT/Au. Como capas transportadoras de electrones (ETL) se estudiaron tres materiales semiconductores del tipo n: dióxido de titanio (TiO2), óxido de zinc dopado con aluminio (AZO) y óxido de zinc intrínseco (ZnO). Los dos primeros son depositados por pulverización catódica de radiofrecuencia (RFSP) asistida por magnetrón y el último, por evaporación reactiva activada (ARE). La capa activa del material orgánico/inorgánico CH3NH3PbI3 con estructura tipo perovskita fue sintetizada en solución y depositada por spin-coating asistido por antisolvente. De igual modo, el polímero semiconductor P3HT, usado como capa transportadora de huecos (HTL), fue depositado por spin–coating. Como ánodo se usó FTO comercial y como cátodo, Au depositado por RFSP. La tesis fue conducida a responder cuáles son los parámetros de fabricación de cada capa cuyas propiedades dan lugar al desempeño fotovoltaico óptimo del dispositivo completo. La evaluación de las propiedades ópticas de las capas ETL reportó en los tres casos un borde de absorción en el ultravioleta (gap ancho), que les permite tener transmitancias superiores al 85% en la región del visible e infrarrojo cercano. Una vez se calibran los espesores, se depositan capas de estos materiales sobre FTO con el fin estudiar sus propiedades eléctricas en dirección perpendicular al sustrato usando la técnica de espectroscopía de impedancia electroquímica. La correlación entre un adecuado alineamiento de las bandas de energía y la respuesta óptica del material, permite evaluar su viabilidad para ser usado como ETL. Por otra parte, a través de medidas de difracción de rayos X, espectrofotometría y microscopía electrónica de barrido, se optimizan, el tiempo de adición de antisolvente y la máxima temperatura de recocido que no da lugar a segregación de fases en la capa activa de perovkita, depositada sobre FTO. Finalmente, a partir del coeficiente de absorción y el espectro de difracción de rayos X de películas delgadas de P3HT, se cuantifica el grado de ordenamiento molecular (regio-regularidad) de las cadenas poliméricas, que a su vez depende de la temperatura de recocido. Este último aspecto fue estudiado a partir de los modos de vibración del espectro Raman. Una vez son encontrados los parámetros óptimos se fabrican los dispositivos con la arquitectura mencionada y se varían los espesores de las capas ETL y HTL, en ese orden. Dado que las celdas fabricadas con ZnO y AZO como capas transportadoras de electrones no mostraron fotocorriente alguna, se fabricaron celdas de doble capa ZnO/TiO2 y AZO/TiO2 que mostraron finalmente respuesta fotovoltaica. Con estos se demostró que el ZnO y el AZO, o bien degradan la perovskita, o conducen a un alineamiento de bandas que promueve la recombinación de portadores en la interfaz ZnO(AZO)/perovskita. Para cualquiera de las dos hipótesis, el TiO2 puede usarse como capa pasivante del óxido de zinc. El mecanismo de degradación es inducido por la inestabilidad de la superficie adsorbente del óxido de zinc que conduce finalmente a la segregación de fases de la perovskita tras el tratamiento térmico. A pesar de esto, el desempeño fotovoltaico de las celdas de doble capa AZO/TiO2 y ZnO/TiO2 es inferior en comparación con los dispositivos fabricados exclusivamente con TiO2 prístino como capa ETL. Al final la celda con el mejor desempeño medido a partir de la curva J-V en iluminación, tiene los siguientes parámetros fotovoltaicos Voc=910 mV, Jsc=18.3 mA/cm2, FF=66.4% y PCE=11.0%, donde Voc es el voltaje de circuito abierto, Jsc es la densidad de corriente de cortocircuito, FF es el factor de llenado y PCE es la eficiencia de conversión de potencia.

• Autores: Peña Camargo, Carlos Francisco
• Fecha de publicación: 2019
• Institución: Universidad Nacional de Colombia
• Repositorio: Universidad Nacional de Colombia
• Idioma: spa
• OAI Identifier: oai:repositorio.unal.edu.co:unal/77211
• Acceso en línea: https://repositorio.unal.edu.co/handle/unal/77211; http://bdigital.unal.edu.co/74757/
• Palabra clave: Celdas solares híbridas; Spin–coating; antisolvente; pulverización catódica de radiofrecuencia; evaporación reactiva activada; propiedades ópticas y eléctricas de semiconductores; óxido de zinc; dióxido de titanio; polímeros semiconductores
• Rights: openAccess
• License: Atribución-NoComercial 4.0 Internacional