Espectroscopia de absorção transiente para investigar a dinâmica de portadores de carga em células solares orgânicas

Resumo

Os dispositivos optoeletrônicos baseados em materiais orgânicos conjugados tornaram-se uma alternativa atraente aos seus homólogos inorgânicos devido ao seu baixo custo e maior versatilidade, uma vez que combinam propriedades semicondutoras com a processabilidade e diversidade química de polímeros e pequenas moléculas. Células solares orgânicas, fotodetetores e diodos emissores de luz são exemplos de tais dispositivos. Em particular, a investigação sobre as células solares baseadas em polímeros teve um enorme impulso na década passada, abrangendo muitos aspectos diferentes, tais como novas arquiteturas de dispositivos, novos materiais, entendimento de mecanismos (foto)físicos e estabilidade a longo prazo dos dispositivos sob condições ambientais. No entanto, as melhorias em seus desempenhos e tempo de vida dos dispositivos dependem de um profundo conhecimento sobre os processos fotofísicos e eletrônicos que ocorrem nos materiais. Embora muitas técnicas diferentes para investigar processos físicos ocorrendo no dispositivo já tenham sido desenvolvidas, várias questões permanecem relativamente inexploradas ou investigadas num número limitado de materiais. Um exemplo é o papel desempenhado pelas barreiras para a extração de carga nos eletrodos, e a recombinação de carga, na determinação da eficiência global do dispositivo.Nessa proposta pretende-se investigar a dinâmica da recombinação e extração de cargas em células solares orgânicas, com uma combinação de espectroscopia de absorção fotoinduzida transiente (TAS) e fotocorrente transiente (TPC). TAS sonda a densidade de carga dentro da camada orgânica ativa da célula solar, enquanto TPC mede a densidade de carga extraída do dispositivo. Comparando ambas as medidas é possível determinar a quantidade de carga fotogerada que é perdida dentro da camada ativa devido à recombinação de carga, um processo que é prejudicial para a eficiência global do dispositivo. O candidato irá inicialmente familiarizar-se com a nossos aparatos para realizar TPC e espectroscopia de absorção fotoinduzida de onda contínua (cw-PA). Em seguida, ajudará na extensão do aparato cw-PA para executar TAS com resolução temporal de ns a ms e, finalmente, usar essas técnicas para investigar a recombinação e dinâmica de extração de carga em células solares orgânicas.O candidato tem experiência anterior com a fabricação e caracterização de células solares baseadas em polímeros e já investigou a geração e acumulação de portadores de carga nas interfaces do dispositivo baseado em PCDTBT: PCBM usando o método de reflectrometria de raios X (XRR). Ele mostrou que, em contraste com a maioria dos estudos na literatura sobre sistemas relacionados, o tratamento térmico não foi capaz de melhorar a eficiência dessa célula solar. Investigações extensas por espectroscopia UV-Vis, Raman e por XRR relacionaram mudanças na densidade de elétrons na interface à redução de desempenho dos dispositivos. Assim, seria também interessante utilizar o mapeamento por TAS num dispositivo de célula solar planar para investigar a possibilidade de acumulação dinâmica de carga próximo aos eletrodos. Portanto, durante este projeto, o candidato irá expandir seus conhecimentos e capacidades usando espectroscopia de absorção transiente em nanossegundos (nsTAS) para investigar a dinâmica de portadores de carga em células solares operacionais.