Estudios de Efectos Fotoeléctricos en Celdas Solares Orgánicas

DURANTINI J.; FUNES M.D.; FUNGO F.; OTERO L.A.

Tucuman Argentina

Congreso; XXVII Congreso Argentino de Química (AQA); 2008

AQA

<!-- /* Font Definitions */ @font-face {font-family:"Arial,Bold"; panose-1:0 0 0 0 0 0 0 0 0 0; mso-font-charset:0; mso-generic-font-family:swiss; mso-font-format:other; mso-font-pitch:auto; mso-font-signature:3 0 0 0 1 0;} /* Style Definitions */ p.MsoNormal, li.MsoNormal, div.MsoNormal {mso-style-parent:""; margin:0cm; margin-bottom:.0001pt; mso-pagination:widow-orphan; font-size:12.0pt; font-family:"Times New Roman"; mso-fareast-font-family:"Times New Roman";} @page Section1 {size:612.0pt 792.0pt; margin:70.85pt 3.0cm 70.85pt 3.0cm; mso-header-margin:36.0pt; mso-footer-margin:36.0pt; mso-paper-source:0;} div.Section1 {page:Section1;} --> ESTUDIO DE EFECTOS FOTOELÉCTRICOS EN CELDAS SOLARES ORGÁNICAS   Javier Durantini, Matias Funes, Fernando Fungo y Luis Otero. Departamento de Química. Universidad Nacional de Río Cuarto. Agencia Postal 3. 5800 Río Cuarto. Córdoba, Argentina. e-mail: lotero@exa.unrc.edu.ar   Introducción. Se define como optoelectrónica el área de la ciencia que estudia y desarrolla materiales y dispositivos capaces de funcionar como un transductor eléctrico-óptico u óptico-eléctrico. En el presente trabajo se reportan los estudios en el área de la conversión de energía solar en energía eléctrica por medio de sistemas compuestos orgánicos-inorgánicos. La generación de dispositivos de conversión de energía por medio de celdas solares orgánicas basadas en el principio de sensibilización espectral de semiconductores por medio de colorantes orgánicos (Figura 1), son de gran interés científico y tecnológico, debido al potencial uso como fuentes alternativas de energía. En años recientes ha habido un marcado incremento en el desarrollo y estudio de celdas solares orgánicas, debido a la posibilidad de obtener dispositivos fotovoltaicos que compitan en costo y eficiencia, como alternativa a las celdas inorgánicas tradicionales. Comparadas con las celdas de silicio, las celdas orgánicas tienen muchas ventajas, tales como su bajo costo de producción, transparencia, flexibilidad y además, la casi infinita disponibilidad de nuevos materiales orgánicos. Las celdas solares que funcionan bajo el mecanismo de sensibilización espectral de una red nanoestructurada de óxido semiconductor, han alcanzado rendimientos de conversión de energía de alrededor del 10 %.1,2 La inyección de cargas ultra-rápida desde el estado excitado de un colorante hacia la banda de conducción de un óxido semiconductor (Figura 1), y la subsiguiente regeneración del colorante por un reductor de sacrificio da lugar a la generación de fotocorriente.3,4. <!-- /* Style Definitions */ p.MsoNormal, li.MsoNormal, div.MsoNormal {mso-style-parent:""; margin:0cm; margin-bottom:.0001pt; mso-pagination:widow-orphan; font-size:12.0pt; font-family:"Times New Roman"; mso-fareast-font-family:"Times New Roman";} @page Section1 {size:612.0pt 792.0pt; margin:70.85pt 3.0cm 70.85pt 3.0cm; mso-header-margin:36.0pt; mso-footer-margin:36.0pt; mso-paper-source:0;} div.Section1 {page:Section1;} --> <!-- /* Font Definitions */ @font-face {font-family:"Arial,Bold"; panose-1:0 0 0 0 0 0 0 0 0 0; mso-font-charset:0; mso-generic-font-family:swiss; mso-font-format:other; mso-font-pitch:auto; mso-font-signature:3 0 0 0 1 0;} /* Style Definitions */ p.MsoNormal, li.MsoNormal, div.MsoNormal {mso-style-parent:""; margin:0cm; margin-bottom:.0001pt; mso-pagination:widow-orphan; font-size:12.0pt; font-family:"Times New Roman"; mso-fareast-font-family:"Times New Roman";} @page Section1 {size:612.0pt 792.0pt; margin:70.85pt 3.0cm 70.85pt 3.0cm; mso-header-margin:36.0pt; mso-footer-margin:36.0pt; mso-paper-source:0;} div.Section1 {page:Section1;} --> Este tipo de celdas pueden ser mejoradas mediante la utilización de nuevas estructuras moleculares que absorban un mayor porcentaje de luz del espectro solar. Por otra parte, las celdas solares constituidas por la combinación de polímeros conductores y materiales orgánicos6,7 pueden generar dispositivos sólidos, conformados por películas finas de materiales orgánicos fotoactivos. Dentro de este campo, se ha intensificado de forma especial la investigación en polímeros conductores8,9 que pueden ser sintetizados tanto químicamente como electroquímicamente10 ya que a ellos pueden agregarse distintos grupos funcionales que permiten regular fácilmente sus propiedades eléctricas, ópticas y magnéticas.   Metodología Como se mencionó anteriormente las celdas requieren materiales con alta capacidad de absorción de luz en la región visible del espectro de emisión solar, tener gran tendencia a formar estados de separación de cargas fotoinducidos, y además deben tener buena capacidad de transporte de cargas. Teniendo en cuenta todas estas propiedades se trabaja sobre el diseño de nuevas estructuras moleculares que contengan centros tetrapirrólicos, los cuales cumplen el rol de centros de absorción de luz. Con ellos, se realiza la fabricación de fotoelectrodos sobre la base de la formación de polímeros de porfirinas. Para lograr este objetivo se diseñan y sintetizan moléculas especialmente funcionalizadas que permitan su electro-polimerización (Figura 2). En base a la ingeniería molecular se pueden formar polímeros de distintas características estructurales, ópticas y eléctricas. <!-- /* Font Definitions */ @font-face {font-family:"Arial,Bold"; panose-1:0 0 0 0 0 0 0 0 0 0; mso-font-charset:0; mso-generic-font-family:swiss; mso-font-format:other; mso-font-pitch:auto; mso-font-signature:3 0 0 0 1 0;} @font-face {font-family:"Arial,Italic"; panose-1:0 0 0 0 0 0 0 0 0 0; mso-font-charset:0; mso-generic-font-family:swiss; mso-font-format:other; mso-font-pitch:auto; mso-font-signature:3 0 0 0 1 0;} /* Style Definitions */ p.MsoNormal, li.MsoNormal, div.MsoNormal {mso-style-parent:""; margin:0cm; margin-bottom:.0001pt; mso-pagination:widow-orphan; font-size:12.0pt; font-family:"Times New Roman"; mso-fareast-font-family:"Times New Roman";} @page Section1 {size:595.3pt 841.9pt; margin:70.85pt 3.0cm 70.85pt 3.0cm; mso-header-margin:35.4pt; mso-footer-margin:35.4pt; mso-paper-source:0;} div.Section1 {page:Section1;} --> De esta forma se obtienen oligómeros y polímeros directamente sobre electrodos (FTO, ITO). El centro tetrapirrólico le otorgara a estos polímeros capacidad de absorción de luz, mientras que los sustituyentes ricos en electrones derivados de los grupos aminos aportarán capacidad de transporte de cargas positivas (huecos). Resultados. Mediante voltametria cíclica se logra la formación de electropolimeros de porfirina sobre oxido semiconductor (oxido de indio dopado con estaño, ITO). La corriente de oxidación del polímero aumenta con el aumento en el número de ciclos. Este aumento indica la formación de películas cuyos espectros de absorción presentan las bandas típicas de los anillos de porfirinas (Soret a ~420 nm y Q ~550-650 nm). La absorbancia de los electrodos aumenta progresivamente con el número de ciclos realizados, indicando que la película crece monótonamente, como lo indica la voltametría cíclica. La estructura de los polímeros fue analizada por espectro-electroquímica, tomando espectros de absorción a distintos estados de oxidación. Los resultados permiten confirmar la presencia de tetrafenilbencidina, formada por dimerización de los residuos de trifenilamina en el monómero. Debido al fuerte cambio espectral que se produce por oxidación del polímero, el mismo presenta características electrocromicas muy relevantes. Por ultimo, los electrodos ITO/polímero se les evalúo la generación de fotocorrientes y fotovoltajes. La observación de fotocorrientes anódicas indica que el flujo de electrones es desde el polímero, hacia la película del óxido semiconductor, y de allí al el electrodo base. Los espectros de fotocorriente coinciden con los espectros de absorción del electrodo confirmando que el polímero fotosensibiliza al electrodo y extiende su respuesta a la región visible del espectro.   Conclusiones. Se logró electropolimerizar la porfirina desde soluciones de ACN conteniendo HFPTBA, sobre electrodos de Pt, ITO e ITO/SnO2. Esto se confirmó por medio de VC y estudios de espectroscopía UV-visible. Los electrodos ITO/polímero presentan fotocorrientes anódicas bajo iluminación con luz visible demostrando que el polímero sensibiliza al electrodo y extiende su respuesta a la región visible del espectro. Bibliografía 1- Nazeeruddin, M. K., Kay, A., Rodicio, I., Humphry-Baker, R., Muller, E., Liska, P., Vlachopoulos, N., Gratzel, M. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 6382. 2- Shirota, Y., Kageyama, H., Chem. Rev. 2007, 107, 953. 3- Zubavichus, Y. V.; Slovokhotov, Yu. L.; Nazeeruddin, M. K.; Zakeeruddin, S. M.; Gratzel, M.; Shklover, V., Chem. Mater. 2002; 14; 3556. 4- Memming, R. Comprehensive Treatise of Electrochemistry, Plenum Press, New York, 1983; Capítulo 7, pg. 529. 5- Gervaldo, M., Otero, L., Milanesio, M.E., Durantini, E.N., Silber, J.J, Sereno, L. Chem. Phys. 2005, 312, 97. 6- Rand, B.P., Xue, J., Uchida, S., Forrest, S.R. Journal of Applied Physics 2005, 98, art. no. 124902, pp. 1-7 . 7- Gunes, S., Neugebauer, H., Sariciftci, N. S. Chem. Rev. 2007, 107, 1324. 8- (a) J. Roncali, Chem. Rev. 97 (1997) 173; (b) J. Roncali, Chem. Rev. 92, (1992) 711. 9- J.Jang. Advances in Polymer Science 199 (2006) 189. 10- Handbook of conducting polymers 2nd ed. T.A. Skoteheim, R.L. Elsenbaumer, J.R. Reynolds eds. M. Dekker, New York, (1998). <!-- /* Style Definitions */ p.MsoNormal, li.MsoNormal, div.MsoNormal {mso-style-parent:""; margin:0cm; margin-bottom:.0001pt; mso-pagination:widow-orphan; font-size:12.0pt; font-family:"Times New Roman"; mso-fareast-font-family:"Times New Roman";} @page Section1 {size:595.3pt 841.9pt; margin:70.85pt 3.0cm 70.85pt 3.0cm; mso-header-margin:35.4pt; mso-footer-margin:35.4pt; mso-paper-source:0;} div.Section1 {page:Section1;} -->