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Development of organic solar cells using sulfonated polymer as active layer in bulk heterojunction devices
Negrón-McFarlane, Christian
Negrón-McFarlane, Christian
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Abstract
Third-generation organic solar cells appear to be an alternative energy source for the future, however their main challenge has to do with achieving the optimal properties required for efficient, stable, and reasonably-priced solar cells. This work focuses on the development of novel active layer materials for application in bulk heterojunction (BHJ) devices. Photovoltaic measurements and material characterization studies were performed on a newly developed sulfonated-polymer, sulfonated poly(styrene)-poly(2-ethoxyethylmethacrylate)-poly(styrene) (SBCB). Critical materials properties and processing parameters such as the optical band gap, thin film thickness and uniformity, and film morphology were evaluated using a combination of materials characterization techniques that included atomic force microscopy, profilometry, and UV-Visible spectroscopy, among others. BHJ devices were fabricated using a standard configuration and the newly-developed polymer as the active layer. Polymer blends with [6,6]-Phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) were also evaluated and compared against P3HT:PCBM blends, which are currently considered the state-of-the-art combination for organic solar cells. The electrical performance of the fabricated devices was studied by determining I-V characteristics under solar exposure. These characteristics were evaluated as a function of the blending ratios and also the active layer thickness. The results for the P3HT:PCBM polymer blends validated the fabrication process for developing functional BHJ devices and the most efficient solar cell tested had a short circuit current density of 9.52 x 10-5 A/cm2, an open circuit voltage of 0.35 V, and a fill factor of 0.19. These values correspond to a solar cell with a 2:1 blend ratio and an active layer thickness of approximately 100 nm. In the case of the SBCB solar cells, the results suggest that further optimization of the polymer is needed in order to enhance its light absorption in the required range and therefore, improve its electrical performance.
Las celdas solares orgánicas de tercera generación parecen ser una fuente de energÃa alternativa para el futuro, sin embargo, su principal desafÃo tiene que ver con lograr las propiedades óptimas requeridas para celdas solares eficientes, estables y de precio razonable. Este trabajo se centra en el desarrollo de nuevos materiales de capa activa para su aplicación en dispositivos de heterounión a granel (BHJ). Las mediciones fotovoltaicas y los estudios de caracterización del material se realizaron en un polÃmero de sulfonato recién desarrollado, poli(estireno)-poli(2-etoxietil metacrilato)-poli(estireno) (SBCB) recién desarrollado. Las propiedades crÃticas de los materiales y los parámetros de procesamiento, como el intervalo de banda óptica, el grosor y la uniformidad de la pelÃcula delgada, y la morfologÃa de la pelÃcula se evaluaron utilizando una combinación de técnicas de caracterización de materiales que incluÃan microscopÃa de fuerza atómica, profilometrÃa y espectroscopÃa UV-Visible, entre otras. Los dispositivos BHJ se fabricaron utilizando una configuración estándar y el polÃmero recientemente desarrollado como capa activa. Mezclas de polÃmeros con éster metÃlico de ácido [6,6]-fenil-C61-butÃrico (PCBM) fueron evaluadas y comparadas con mezclas de P3HT:PCBM, que actualmente se consideran la combinación más moderna para celdas solares orgánicas. El rendimiento eléctrico de los dispositivos fabricados se estudió determinando las caracterÃsticas de I-V bajo exposición solar. Estas caracterÃsticas se evaluaron en función de las relaciones de mezcla y también del espesor de la capa activa. Los resultados para las mezclas de polÃmeros P3HT: PCBM validaron el proceso de fabricación para desarrollar dispositivos BHJ funcionales y la celda solar más eficiente probada tenÃa una densidad de corriente de corto circuito de 9.52 x 10-5 A / cm2, un voltaje de circuito abierto de 0.35 V, y un factor de relleno de 0.19. Estos valores corresponden a una celda solar con una relación de mezcla 2: 1 y un espesor de capa activa de aproximadamente 100 nm. En el caso de las celdas solares de SBCB, los resultados sugieren que se necesita una mayor optimización del polÃmero para mejorar su absorción de luz en el rango requerido y, por lo tanto, mejorar su rendimiento eléctrico.
Las celdas solares orgánicas de tercera generación parecen ser una fuente de energÃa alternativa para el futuro, sin embargo, su principal desafÃo tiene que ver con lograr las propiedades óptimas requeridas para celdas solares eficientes, estables y de precio razonable. Este trabajo se centra en el desarrollo de nuevos materiales de capa activa para su aplicación en dispositivos de heterounión a granel (BHJ). Las mediciones fotovoltaicas y los estudios de caracterización del material se realizaron en un polÃmero de sulfonato recién desarrollado, poli(estireno)-poli(2-etoxietil metacrilato)-poli(estireno) (SBCB) recién desarrollado. Las propiedades crÃticas de los materiales y los parámetros de procesamiento, como el intervalo de banda óptica, el grosor y la uniformidad de la pelÃcula delgada, y la morfologÃa de la pelÃcula se evaluaron utilizando una combinación de técnicas de caracterización de materiales que incluÃan microscopÃa de fuerza atómica, profilometrÃa y espectroscopÃa UV-Visible, entre otras. Los dispositivos BHJ se fabricaron utilizando una configuración estándar y el polÃmero recientemente desarrollado como capa activa. Mezclas de polÃmeros con éster metÃlico de ácido [6,6]-fenil-C61-butÃrico (PCBM) fueron evaluadas y comparadas con mezclas de P3HT:PCBM, que actualmente se consideran la combinación más moderna para celdas solares orgánicas. El rendimiento eléctrico de los dispositivos fabricados se estudió determinando las caracterÃsticas de I-V bajo exposición solar. Estas caracterÃsticas se evaluaron en función de las relaciones de mezcla y también del espesor de la capa activa. Los resultados para las mezclas de polÃmeros P3HT: PCBM validaron el proceso de fabricación para desarrollar dispositivos BHJ funcionales y la celda solar más eficiente probada tenÃa una densidad de corriente de corto circuito de 9.52 x 10-5 A / cm2, un voltaje de circuito abierto de 0.35 V, y un factor de relleno de 0.19. Estos valores corresponden a una celda solar con una relación de mezcla 2: 1 y un espesor de capa activa de aproximadamente 100 nm. En el caso de las celdas solares de SBCB, los resultados sugieren que se necesita una mayor optimización del polÃmero para mejorar su absorción de luz en el rango requerido y, por lo tanto, mejorar su rendimiento eléctrico.
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Date
2020-05-27
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Organic solar cells, Sulfonated polymer, poly(styrene)-poly(2-ethoxyethylmethacrylate)-poly(styrene), Polymer characterization, Device characterization