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Tese

Optoelectronic characterization of organic photovoltaic devices with emerging achitectures (2020)

  • Authors:
  • Autor USP: LIMA FILHO, JOAQUIM BRASIL DE - IFSC
  • Unidade: IFSC
  • Sigla do Departamento: FCM
  • DOI: 10.11606/T.76.2020.tde-28092020-142014
  • Subjects: CAPACITORES; ÓPTICA ELETRÔNICA; ELETRÔNICA; ESPECTROSCOPIA
  • Keywords: Capacitor coletor de luz; Continuous-wave photoinduced absorption spectroscopy; Eletrônica orgânica; Espectroscopia de absorção fotoinduzida por onda contínua; Espectroscopia de impedância; Impedance spectroscopy; Light harvesting capacitor; Organic electronics; Redes metálicas montadas em superfície; Surface metal-organic frame-works
  • Agências de fomento:
  • Language: Inglês
  • Abstract: Seguindo o interesse mundial em eletrônica orgânica, a primeira parte deste trabalho teve como objetivo a montagem do aparato experimental para espectroscopia de fotoabsorção induzida de onda contínua ( cw-PA , do inglês continuous-wave photoinduced absorption) com potencial aplicação à caracterização de dispositivos fotovoltaicos orgânicos ( OPV , do inglês organic photovoltaic). Esta técnica é parte de um grupo denominado espectroscopia de bombeio-e-prova que requer duas fontes de luz: uma para o bombeio e a outra para a prova de amostras em investigação. A espectroscopia cw-PA permite a caracterização de espécies fotogeradas de longa duração em OPV s. O espectro ótico dessas espécies geram mudanças relativas à transmissão do feixe de prova que são tipicamente da ordem de 10-4. Para obter estes espectros, o aparato foi montado com técnicas de detecção avançadas em um amplificador lock-in ( LIA , do inglês lock-in amplifier), com modulação da luz de bombeio a frequências que vão desde o Hz ao MHz. Esta característica faz do cw-PA uma ferramenta importante para a investigação tanto da dinâmica quanto da cinética das espécies fotogeradas. O aparato foi automatizado utilizando-se LabView® e submetido a vários testes para estabelecer confiabilidade. Depois de passado nos testes, o aparato foi utilizado para caracterizar dispositivos com arquiteturas emergentes. Uma delas foi a arquitetura chamada de SURMOFs (do inglês surface metal-organic frameworks), que pode formar estrutura cristalina organizada obtida com o emprego de materiais orgânicos. Após obter resultados preliminares de fotocondutividade com SURMOFs baseados em fulereno ( C60 ) e ( ZnTPP , do inglês 5,15-bis-(3,4,5-trimethoxyphenyl)-10,20-bis(4-carboxyphenyl) porphyrinato zinc-II) fabricados no Institute of Functional Interfaces ( IFG ), Karlsruhe Institute of Technology ( KIT ), na Alemanha, professor Wöllenviou algumas amostras ao nosso laboratório para caracterizações adicionais. Medidas com cw-PA e Corrente-Voltagem ( JV ) mostram que esses dispositivos apresentam fraca fotogeração de cargas, com corrente de curto circuito, voltagem de circuito aberto e fator de preenchimento muito baixos. A fraca fotogeração de cargas pode ser causada pela baixa razão aceitador/doador, enquanto que os baixos valores de curto circuito, voltagem de circuito aberto e fator de preenchimento podem ser causados pela montagem de C60 em uma gaiola de ZnTPP , em que as moléculas de C60 não têm conexão eletrônica entre si e podem estar agindo como sumidouras de elétrons. Outra arquitetura emergente denominada LHC (do inglês light harvesting capacitor), difere dos OPV s usuais porque gera corrente elétrica sem coleção de cargas. As cargas fotogeradas são armazenadas em nanodipolos limitados pelas camadas dielétricas quando o dispositivo é iluminado e o LHC gera uma corrente em forma de picos devida à iluminação por luz modulada, diferentemetne dos fotovoltaicos usuais. A segunda parte deste trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de um modelo matemático para os LHC s, bem como a fabricação e a caracterização de um LHC . Para a fabricação, o polímero P3KHT (do inglês poly(3-potassium-6-hexanoate thiophene)) foi usado para automontar as camadas doadoras de elétrons e duas moléculas orgânicas, a saber P6N (do inglês N,N´-bis(6-aminohexil)-3,4,9,10-perilenediimide) e PDI-PEI (do inglês perylenediimide-polyethileneimine) foram utilizadas para automontar camadas aceitadoras de elétrons. A técninca LbL proporcionou automontagem de filmes muito finos com espessura média de ~ 1,5 nm. São apresentados resultados obtidos para LHCs com até 30 camadas ativas, cada uma sanduichada a bicamadas isolantes. Resultados obtidos por espectroscopia de absorção UV-Vis (do inglês ultraviolet and visible) mostraque a técnica LbL proporciona crecimento linear das camadas automontadas. Caracterizações com cw-PA revelam que há photogeração de cargas com boa eficiência para ambos os tipos de LHC s. As cargas fotogeradas apresentam tempo médio de vida entre 100 e 200 µ s com recombinação predominantemente bimolecular. Em relação à fotogeração de cargas, verificou-se que LHC s baseados em PDI-PEI : P3KHT são menos eficientes quando comparados àqueles baseados em P6N : P3KHT . No entanto, resultados das medidas de fotocorrente ( PC , do inglês photocurrent) revelam que as cargas fotogeradas nos LHCs baseados em PDI-PEI : P3KHT são mais eficientemente organizadas em configuração de dipolos alinhados do que naqueles baseados em P6N : P3KHT , indicando que PDI-PEI se difunde menos entre as macromoléculas de P3KHT do que o P6N . Estes resultados para os LHC s e SURMOFs mostram que a cw-PA é uma técnica poderosa para caracterização de dispovitivos eletrônicos orgânicos, em combinação com outras ferramentas de caracterização elétrica
  • Imprenta:
  • Data da defesa: 06.04.2020
    • Acesso à fonteAcesso à fonteDOI

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    Status:
    Artigo publicado em periódico de acesso aberto (Gold Open Access)
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    Versão publicada (Published version)
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    • ABNT

      LIMA FILHO, Joaquim Brasil de. Optoelectronic characterization of organic photovoltaic devices with emerging achitectures. 2020. Tese (Doutorado) – Universidade de São Paulo, São Carlos, 2020. Disponível em: https://teses.usp.br/teses/disponiveis/76/76132/tde-28092020-142014/. Acesso em: 06 maio 2026.

    • APA

      Lima Filho, J. B. de. (2020). Optoelectronic characterization of organic photovoltaic devices with emerging achitectures (Tese (Doutorado). Universidade de São Paulo, São Carlos. Recuperado de https://teses.usp.br/teses/disponiveis/76/76132/tde-28092020-142014/

    • NLM

      Lima Filho JB de. Optoelectronic characterization of organic photovoltaic devices with emerging achitectures [Internet]. 2020 ;[citado 2026 maio 06 ] Available from: https://teses.usp.br/teses/disponiveis/76/76132/tde-28092020-142014/

    • Vancouver

      Lima Filho JB de. Optoelectronic characterization of organic photovoltaic devices with emerging achitectures [Internet]. 2020 ;[citado 2026 maio 06 ] Available from: https://teses.usp.br/teses/disponiveis/76/76132/tde-28092020-142014/

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