Development of organic solar cells by combinatorial methods

Resum

Les cel·les solars orgàniques són dispositius estratificats complexos que converteixen llum en electricitat. En ells, l'efecte fotovoltaic té lloc a la capa activa, la qual es troba formada per al menys dos materials semiconductors orgànics amb caràcter electrònic diferenciat: el donador o material transportador de buits, i l'acceptor o material transportador d'electrons, els quals apareixen barrejats formant una heterounió distribuïda en volum. Certs paràmetres d'aquests dispositius com la raó de la barreja donador-acceptor i el gruix de la capa activa s'han d'ajustar per maximitzar l'eficiència fotovoltaica. Aquest procés consumeix grans quantitats de temps i recursos atès que normalment es du a terme mitjançant la fabricació sistemàtica de desenes de dispositius individuals._x000D_ _x000D_ En aquesta tesi desenvolupem mètodes experimentals d'alt rendiment que acceleren el cribratge de materials i l'optimització de cel·les solars orgàniques. La metodologia es basa en la realització de gradients laterals d'estat sòlid en els paràmetres d'interès, els quals estan dissenyats per a sobrepassar les limitacions dels mètodes tradicionals d'exploració a través de la combinació en una única mostra de les variacions paramètriques explorades per centenars de mostres obtingudes seguint els mètodes clàssics d'experimentació. El rendiment fotovoltaic es visualitza al llarg dels gradients i es correlaciona espacialment amb les variacions paramètriques, de manera que el cribratge es trasllada d'un escenari de fabricació intensiva, a un escenari de mesura intensiva, la qual cosa ofereix ritmes de cribratge de materials i optimització de dispositius significativament més elevats._x000D_ _x000D_ En primer lloc, hem demostrat que l'ús de l'espectroscòpia Raman ens permet mapejar quantitativament el gruix i la raó donador-acceptor (composició) en els gradients, mentre que paral·lelament es fa servir la tècnica de mapeig de corrent induït per feix de llum per mesurar el fotocorrent de els dispositius funcionals que contenen aquests gradients. L'ús conjunt d'aquestes dues tècniques demostra ser un mètode de cribratge d'alta eficiència per optimitzar cel·les solars orgàniques de diferents tipus._x000D_ _x000D_ D'una banda, estudiem heteroestructures en forma de bicapa formades per gradients de gruix disposats ortogonalment, en les quals fem servir espectroscòpia Raman i mesures de fotocorrent per identificar els gruixos de cada capa que resulten en una major eficiència fotovoltaica. Després, hem investigat dispositius d'heterounió en volum compostos de polímers donadors de baix salt de banda i acceptors derivats de l'ful·lerè. En ells, identifiquem el gruix de capa activa i la composició òptimes per a diverses mescles binàries d'acord amb l'estat de l'art actual de la tecnologia. Després, estenem el treball a acceptors nous no derivats de l'ful·lerè, incloent petites molècules i polímers de tipus n. En aquest últim cas i amb l'objectiu d'acomodar les característiques reològiques particulars de les tintes polimèriques, hem desenvolupat una tècnica de deposició innovadora basada en dispensadors microfluídics i recobriment per fulla. A continuació, estenem de manera efectiva el mètode de cribratge combinatorial d'alt rendiment a mescles orgàniques fotovoltaiques ternàries disposades com heterounions en volum. Finalment, hem realitzat un estudi sistemàtic de cribratge combinatorial de mescles binàries de polímer-petita molècula, del qual hem utilitzat els resultats per a l'entrenament d'algoritmes d'intel·ligència artificial. Aquests són capaços de confeccionar models predictius per a l'espai de fotocorrent que poden accelerar més la optimització de dispositius i l'alt ritme de cribratge de materials ja de per si habilitat pel desenvolupament de mètodes combinatorials aplicats a la fotovoltaica orgànica.

Data del Ajut	19 d’oct. 2020
Idioma original	Anglès
Supervisor	Mariano Campoy-Quiles (Director/a) & Aitor Lopeandia Fernandez (Tutor/a)