Modificación y evaluación de polímeros semiconductores para su potencial uso en dispositivos fotovoltaicos

Abstract

"Actualmente las celdas perovskitas de vanguardia presentan una configuración convencional tipo n-i-p que consisten en óxido de titanio (TiO2), semiconductor tipo n, cubierto por la perovskita y una capa transportadora de huecos (HTL). Sin embargo la configuración invertida p-i-n también ha ganado importancia significativa por su compatibilidad en los procesos de fabricación de alto rendimiento. En este tipo de dispositivos las capas transportadoras de carga convencionales son el polímero PEDOT:PSS y el PCBM C60 para extraer huecos y electrones de la capa perovskita, respectivamente. Sin embargo, la naturaleza ácida e higroscópica de PEDOT:PSS se ha comprobado que acelera la degradación de los dispositivos ya que absorbe agua del ambiente lo que deteriora la capa de perovskita. Por lo cual, se están realizando grandes esfuerzos en la búsqueda y desarrollo de nuevos materiales poliméricos que disminuyan los efectos negativos de dicho material en las celdas de perovskita. El objetivo principal de esta tesis es la obtención un material semiconductor sulfonado con características eléctricas adecuadas para utilizarse como capa HTL en dispositivos fotovoltaicos. Diversas investigaciones acerca de las propiedades eléctricas de polímeros semiconductores en forma de películas delgadas, han establecido que el transporte eléctrico y las propiedades ópticas dependen fuertemente de la estructura molecular, y a su vez, éstas dependerán del método de deposición y las condiciones de preparación de las mismas. Tomando en cuenta estas aseveraciones se modificó la estructura de la polisulfona con la inserción del grupo sulfonato, logrando incrementar su conductividad, además se determinó que el tratamiento térmico posterior a la deposición de las películas delgadas tenía un efecto positivo sobre esta propiedad. Como experimento de exploración se formaron compositos de la polisulfona sulfonada (PSF-S) con ZnO funcionalizado con plata u óxido de grafeno. La adición de ZnO funcionalizados redujo la resistividad de la PSF-S, obteniendo las menores resistividades con los compositos de ZnO funcionalizado con óxido de grafeno. Sin embargo no fue posible obtener películas delgadas con estos compositos. Por tal motivo solo se evaluaron los PSF-S en celdas solares tipo perovskita de configuración invertida. Los resultados indican que un mayor porcentaje de sulfonación mejora el rendimiento eléctrico de los dispositivos (Factor de relleno y eficiencia de conversión de potencia). Además, los resultados obtenidos abren la posibilidad de usar un polímero flexible y no convencional, desde el punto de vista eléctrico, como HTL, ya que muestra un nivel de energía comparable al de los polímeros usados convencionalmente como el PEDOT: PSS."

"Currently, cutting-edge perovskite cells have a conventional n-i-p type configuration consisting of titanium oxide (TiO2), a semiconductor n-type, covered by perovskite and hole transport layer (HTL). However, the inverted configuration p-i-n has also gained significant importance due to its compatibility in high-performance manufacturing processes. In these types of devices, the conventional transport charge layers are the polymer PEDOT: PSS and the PCBM C60 for extracting holes and electrons from the perovskite layer, respectively. However, the acidic and hygroscopic nature of PEDOT: PSS accelerates the degradation of the devices because of the absorbed water from the environment which deteriorates the perovskite layer. Therefore, great efforts are being made in the search and development of new polymeric materials that diminish the negative effects of said material on perovskite cells. The main objective of this thesis is to obtain a sulfonated semiconductor material with electrical characteristics suitable for use as an HTL layer in photovoltaic devices. Several investigations about the electrical properties of semiconductor polymers thin films, have established that electrical transport and optical properties strongly depend on the molecular structure, and in turn, these will depend on the deposition method and preparation conditions from the same. Taking into account these assertions, the structure of the Polysulfone was modified with the insertion of sulfonate groups, achieving an increase in its conductivity, and it was determined that the heat treatment after the deposition of thin films had a positive effect on this property. As exploration experiment, sulfonated polysulfone (PSF-S) composites were formed with silver or graphene oxide functionalized ZnO. The addition of functionalized ZnO reduced the resistivity of PSF-S, obtaining the lower resistivities with graphene oxide functionalized ZnO composites. However, it was not possible togenerate thin films with these composites. For this reason, only PSF-S were evaluated in perovskite-type solar cells with an inverted configuration. The results indicate that a higher percentage of sulfonation improves the electrical performance of the devices (Fill factor and power conversion efficiency). Also, the obtain results open the possibility of using a flexible unconventional polymer, from the electrical point of view, such as HTL, since it shows an energy level comparable to that of conventionally used polymers such as PEDOT: PSS."