Dissertations / Theses on the topic 'Celdas Solares'

Tesis entregada a la Universidad de Chile en cumplimiento parcial de los requisitos para optar al grado de Doctor en Química.
Las celdas fotoelectroquímicas transforman la luz en electricidad, debido a un proceso redox, el cual determina el potencial eléctrico de la celda. Dentro de las posibles celdas de este tipo es encuentran las celdas solares sensibilizadas por colorantes (CSSC), las cuales son una alternativa tecnológica por su bajo costo, flexibilidad, disponibilidad de color y su potencial de utilizarlas en espacios de interior. Las CSSC están constituidas en sus extremos por vidrios conductores (ITO o FTO), sinterizado al vidrio se encuentra un oxido semiconductor (TiO2), y anclada al oxido una molécula coloreada (colorante orgánico u organometálico) responsable de la fotoexcitación. En el centro del dispositivo se encuentra la fase líquida, compuesta por electrolitos que generan una reacción redox (I-/I3-) capaz de regenerar el colorante oxidado producto de la fotoexcitación. Un problema para las CSSC, es que el tinte y el electrolito en esta celda se ven afectados negativamente a períodos largos de exposición a la luz solar, ya que, la radiación ultravioleta (UV) incidente, degrada el electrolito disminuyedo la vida útil de la celda. En este trabajo se propuso mejorar los parámetros fotovoltaicos de eficiencia de una CSSC, acoplando fósforos inorgánicos de fórmula general Ln2-xRExWO6 (Ln = Y3+, RE = Eu3+, Sm3+ y Yb3+) co-dopados con el ion Bi3+, para transformar la radiación UV en radiación en el rango del visible, y así inyectar un número mayor de fotones al tinte e impedir la degradación del electrolito. La síntesis de los fósforos inorgánicos de formula general Ln2-xRExWO6 (Ln = Y3+, RE = Eu3+, Sm3+ y Yb3+) co-dopados con el ion Bi3+, se realizó mediante reacción en estado sólido a altas temperaturas (700C a 1100C). Las fases obtenidas se caracterizaron mediante difracción de rayos-x de polvo, con el fin de verificar la formación de éstas. Se registraron los espectros de emisión y excitación de las fases obtenidas, de las cuales se analizaron los máximos de emisión y se estudió la transferencia de energía matriz-ion activador. De igual forma se caracterizó el color de la emisión en función de las coordenadas CIE1931. Se registraron las curvas de decaimiento de emisión en función del tiempo, para así estudiar los procesos de transferencia de energía presentes, con base al modelo de Inokuti-Hirayama. Con los datos obtenidos se simuló la emisión de la matriz y del ion activador y se comparó con el comportamiento experimental, además de dilucidar el tipo de desactivación radiativa que presentaba el material, resultando ser un proceso de desplazamiento descendente, el cual es un proceso de óptica lineal. Se construyeron las celdas solares sensibilizadas por colorantes con y sin fósforo inorgánico. Se estudió la eficiencia global de conversión solar a eléctrica y el índice de conversión de fotón incidente a corriente, también se estudió la relación óptima de fósforo en el fotoánodo de la celda solar y del colorante presente. En relación a la aplicación en fotoelectrodos para celdas solares sensibilizadas por colorantes se logró: - Aumentar en un 25,8% la eficiencia global de conversión solar a eléctrica. - Aumentar en un 43% la corriente producida por centímetro cuadrado. - Aumentar en todo el espectro analizado la eficiencia de conversión de fotón incidente a corriente (IPCE) Con todos los resultados obtenidos se puede asegurar que la incorporación de fósforos inorgánicos mejora el funcionamiento de la celda solar sensibilizada por colorante.
Photoelectrochemical cells transform light into electricity, owing to a redox process, which determines the electrical potential of the cell. Among the possible cells of this type, dye-sensitized solar cells (DSSC) are a technological alternative due to their low cost, flexibility, color availability and their potential use in indoor environments. The DSSC are constituted at their ends by conductive glass (ITO or FTO), and sintered on this glass is a semiconductor oxide (TiO2), and anchored to the oxide a colored molecule (organic or organometallic dye) responsible for photoexcitation. In the center of the device is located the liquid phase, which is composed of electrolytes that generate a redox reaction (I-/I3-) capable of regenerating the oxidized dye after the photoexcitation process. The main problem for the DSSC is connected to the dye and electrolyte, since they are affected negatively by long periods of exposure to the sunlight. Basically, the ultraviolet radiation (UV) degrades the electrolyte, and consequently the lifetime of the cell decreases. In this work we propose to improve the photovoltaic parameters of a DSSC, by coupling inorganic phosphors of general formula Ln2-xRExWO6 (Ln = Y3+, RE = Eu3+, Sm3+ and Yb3+) co-doped with Bi3+ ion, in order to transform UV radiation into the visible range, thus injecting a large number of photons to the dye and preventing the degradation of the electrolyte. The whole synthesis reaction to obtain the inorganic phosphors Ln2-xRExWO6 (Ln = Y3+, RE = Eu3+, Sm3+ and Yb3+) co-doped with the Bi3+ ion was carried out in solid state at high temperatures (700C to 1100C). The samples were characterized by the powder X-rays diffraction (PXRD) in order to verify the formation of our phases. The emission and excitation spectra of the phases were recorded, of which the emission maxima were analyzed and then the matrix-ion activator energy transfer was studied. The color of the emission was also characterized according to the CIE1931 coordinates. The emission decay curves were recorded so as to get insights into the energy transfer processes, based on the Inokuti-Hirayama model. The data collected was used to simulate the emission of the matrix and the activating ion. Elucidating the type of radiative deactivation that is present in the material, when compared with experiment. Our results suggest a down shifting process, which is a process of linear optics. We built dye sensitized solar cells with and without inorganic phosphors, and we studied power conversion efficiency and the incident photon-to-current efficiency (IPCE), the optimum phosphors ratio in the photoanode and dye of the solar cell. With respect to the application of photoelectrodes for DSSC, the results obtained were: - An increase of the global efficiency in 25.8%. - An increase of the current produced per square centimeter in 43%. - An increase IPCE throughout the spectrum analyzed Our results show undoubtedly that the incorporation of inorganic phosphors improves the efficiency of the dye-sensitized solar cells.
CONICYT, Beca Doctorado Nacional año académico 2013, número 21130796, beneficio de pasantía en el extranjero, número 21130796, beneficio de gastos operacionales, número 21130796. FONDECYT Proyecto 1130248. “Synthesis, characterization, and optical properties of Ln2-xRExWO6 (Ln=Y3+, La3+; RE= Dy3+, Er3+, Eu3+, Sm3+ and Yb3+) down-conversion luminescent materials and their application in dye sensitized solar cells". FONDEQUIP Proyecto 130135. “Fortalecimiento de las capacidades de Investigación en Química de Estado Sólido mediante la adquisición de DSC‐TG”. FONDAP Proyecto 15110019. “Solar Energy Research Center”, SERC-Chile.

El objetivo general del presente trabajo de título es estudiar la viabilidad de obtener celdas solares de bajo costo, con la finalidad de fabricar una celda solar con los equipos y tecnología disponibles en la actualidad en la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile. Para esto se estudiaron las etapas de obtención de una celda solar, tal como el proceso de formación de textura en el sustrato, deposición y difusión de distintas capas dopantes y formación de contactos metálicos. En la actualidad, nuestra facultad ha considerado la importancia que existe en la investigación de este tipo de energía. Es por esto que la Dra. Denise Criado, del Departamento de Ciencias de los Materiales de la Universidad de Chile, ha iniciado esta línea de investigación, comenzando con la fabricación y caracterización de películas delgadas para aplicación en celdas solares de bajo costo en un laboratorio convencional. Sin duda, para desarrollar esta tecnología es necesario disponer de un laboratorio con las características adhoc, el cual no está disponible. Por lo tanto, es necesario reacondicionar equipos e instalaciones para cumplir los requerimientos mínimos de fabricación y limpieza. Los procesos iniciales de fabricación fueron destinados para acondicionar y mejorar las condiciones de construcción y poder definir factores que influían de forma relevante en los flujos de corriente del dispositivo definitivo. Para esto se determinaron volúmenes óptimos de películas a través de los experimentos y literatura, tiempos óptimos de exposición y deposición dentro de los diversos procesos involucrados. Se logró fabricar una juntura de aluminio, silicio y fósforo, para posteriormente depositar contactos metálicos y así lograr medir flujos de corriente. A su vez, se probó una celda solar, donde los contactos eran proporcionados por un polímero conductor. De estas medidas se logró determinar la existencia de aumentos en el flujo de corriente, tanto en junturas con contactos poliméricos como en junturas con contactos metálicos comparadas con medidas realizadas a la juntura sin contacto. El mayor aumento en el flujo de corriente fue obtenido en una celda con contactos metálicos, llegando cerca de 49 mA, por sobre el flujo de 3,3 mA obtenido en celdas con contacto polimérico, sobre probetas de 1 in2 . Se obtuvo una eficiencia de 1,5 % para la celda de contactos metálicos, valor que puede aumentar mejorado procesos que lleven a un mejor contacto metálico, disminuir resistencias en el cuerpo de la celda y en los contactos, disminuir impurezas, mejorar gradiente de difusión y minimizar contacto lateral entre capas.

Actualment, les fonts d'energia renovables estan atraient molta atenció degut a l'impacte negatiu que els combustibles fòssils estan causant al planeta. Les tecnologies basades en les cel·les fotovoltaiques són una alternativa sostenible per cobrir la demanda energètica mundial. El principal objectiu d'aquest treball és el disseny i la síntesis de noves molècules per tal de reemplaçar els polímers habitualment utilitzats com a molècules captadores de llum en cel·les solars orgàniques i el spiro-OMeTAD usat com a transportador de buits (HTM per les sigles en anglès "hole transporting material") en dispositius solars de perovskita. D'una banda, els polímers són coneguts per ser bons transportadors de buits, posseir una elevada solubilitat i una bona habilitat per a la formació de capes, però entre els diferents lots existeix una baixa reproductibilitat degut a la seva síntesi complexa. D'altra banda, el spiro-OMeTAD és la molècula que millor reproductibilitat i eficiència presenta en cel·les solars de perovskita. No obstant això, la seva síntesi complexa i d’alt cost impedeix la possibilitat d'escalat a nivell industrial. Per tal de solucionar aquests problemes, aquesta tesi s'ha enfocat en el disseny, síntesi i caracterització d'un conjunt de molècules petites de baix pes molecular per a la seva aplicació en aquests dispositius.
Actualmente, las fuentes de energía renovables están atrayendo mucha atención debido al impacto negativo que los combustibles fósiles están causando al planeta. Las tecnologías basadas en las celdas fotovoltaicas son una alternativa sostenible para cubrir la demanda energética mundial. El principal objetivo de este trabajo fue el diseño y la síntesis de nuevas moléculas que reemplacen los polímeros comúnmente utilizados como moléculas captadoras de luz en celdas solares orgánicas y el spiro-OMeTAD usado como transportador de huecos (HTM por sus siglas en inglés “hole transporting material”) en dispositivos solares de perovskita. Por una parte, los polímeros son conocidos por ser buenos transportadores de huecos, su alta solubilidad y su favorable habilidad en la formación de capas, pero tienen muy poca reproducibilidad entre distintos lotes. Por otra parte, el spiro-OMeTAD es la molécula que mejor reproducibilidad y eficiencia presenta en celdas solares de perovskita. Sin embargo, su síntesis compleja y de alto coste impide la posibilidad de escalado a nivel industrial. Con el fin de solucionar estos problemas, esta tesis se ha enfocado en el diseño, síntesis y caracterización de un conjunto de moléculas pequeñas de bajo peso molecular para su aplicación en dichos dispositivos
Nowadays, renewable energy sources are attracting a lot of attention due to the undesired environmental impact the fossil fuels are causing to the Earth. Solar cells technologies are a sustainable alternative to the increasing world energy demand. The main aim of this work was to design and synthetize novel molecules that could replace the polymers widely used as absorbers in organic solar cells and spiro-OMeTAD used as a hole transporting material (HTM) in perovskite solar cells. On the one hand, polymers are known for their good hole transporting properties, high solubility and good film forming abilities but they have a poor batch-to-batch reproducibility. Furthermore, spiro-OMeTAD is the best molecule to achieve reproducible and highly efficient perovskite solar cells. However, its complex and expensive synthesis and purification hinder its usage in industrial scale photovoltaics. In order to overcome these problems, the rational design, synthesis and characterization of a variety of small molecules for both applications have been on a focus of this thesis.

This work presents two ways of modifying the surface of TiO2 with Al3+, the first way was made by depositing a TiO2 suspension containing small amounts of aluminum nitrate or aluminum chloride onto conducting glass substrates, followed by drying, compression, and finally heating to 530 °C. Electrodes prepared with TiO2 nanoparticles coated with less than 0.3 wt % aluminum oxide with respect to TiO2 improved the efficiency of the dye sensitized solar cell. This amount corresponds to less than a monolayer of aluminum oxide. Thus, the Al ions terminate the TiO2 surface rather than form a distinct aluminum oxide layer. The aluminum ion surface treatment affects the solar cell in different ways: the potential of the conduction band is shifted, the electron lifetime is increased, and the electron transport is slower when aluminum ions are present between interconnected TiO2 particles.The second way was made by insertion of aluminum ions using an electrochemical process. After heat treatment these films were found suitable as electrodes in dye-sensitized solar cells. By means of a catechol adsorption test, as well as photoelectron spectroscopy (PES), it was demonstrated that the density of Ti atoms at the metal oxide/electrolyte interface is reduced after Al modification. There is, however, not a complete coverage of aluminum oxide onto the TiO2, but the results rather suggest either the formation of a mixed Al-Ti oxide surface layer or formation of a partial aluminum oxide coating. No new phase could, however, be detected. In solar cells incorporating Al-modified TiO2 electrodes, both electron lifetimes and electron transport times were increased. At high concentrations of inserted aluminum ions, the quantum efficiency for electron injection was significantly decreased.Results are discussed at the hand of different models: A multiple trapping model, which can explain slower kinetics by the creation of additional traps during Al insertion, and a surface layer model, which can explain the reduced recombination rate, as well as the reduced injection efficiency, by the formation of a blocking layer.

Electrosíntesis de polímero conductores para la elaboración de celdas solare orgánicas.
Ante la necesidad de contar con fuentes de energías alternativas, que sean renovables, limpias, y económicas, la energía fotovoltaica a partir de celdas fotovoltaicas orgánicas se presenta como una alternativa muy viable. Las actuales investigaciones, están encaminadas en obtener una mejor eficiencia, que permita su uso masivo. Una alternativa para lograr este objetivo, es optimizar la extracción de los huecos o cargas positivas mediante el depósito de un material orgánico (tal como polímeros orgánicos semiconductores conjugados) sobre el ánodo. La utilización como ánodo transparente del óxido de indio-estaño (ITO) depositado en un sustrato de vidrio y recubierto con el poli(3,4-etilendioxitiofeno)-poli(estirensulfonato) (PEDOT:PSS) como capa buffer, mejora la extracción. Aunque este polímero ha demostrado hasta cierto punto su eficacia, tiene una limitante, debido a que el polímero PEDOT:PSS es una solución acuosa de fácil depósito sobre el ITO, con mediana conductividad (~ 100 S/cm) y bastante higroscópica. Ante esta limitante propusimos hacer una comparación del PEDOT:PSS depositado por spin-cast y el depósitado por electroquímica, así como de otro polímero con estructura de 3,4-dialcoxitiofeno como el o-xilendioxitiofeno (XDOT) en celdas solares. Primero su comportamiento se analizó por voltamperometría cíclica, después se realizó la polimerización potencioestática (cronoamperometría) de ellos, para generar la superficie del ITO modificado con el polímero conductor basado en alguno de estos compuestos (EDOT o XDOT) y finalmente fueron obtenidas las condiciones adecuadas de espesor, conductividad, morfología y transparencia (en el Vis-NIR). La eficiencia en una celda fotovoltaica orgánica con estructura de heterounión de bulto se consiguió empleando los materiales estándar poli-(3-hexiltiofeno) (P3HT) y del [6,6] fenil-C61 metil butírato (PCBM, por sus siglas en inglés), obteniendo una mejor eficiencia con la técnica electroquímica, que una celda elaborada mediante PEDOT:PSS. Así mismo, se estudió el comportamiento de politiofenos dopados con un cromóforo y mezclados con una molécula órgano-bórica (M1) para generar la capa activa en celdas orgánicas fotovoltaicas. Los resultados obtenidos mostraron mejores eficiencias en las celdas orgánicas fotovoltaicas cuya capa activa contaba con la molécula M1, comparadas con aquellas que no la contenían.
A los proyectos Ce-MIE-Sol 207450/27 (México) y CONACyT-SENER grant 245754 (México), Fondo Sectorial CONACyT-SENER-Sustentabilidad energética CONACyT

En aquest treball es van fabricar cel · les solars orgàniques d'heterounió de volum, el qual van ser utilitzats diferents materials donadors i acceptors, com ara P3HT, PTB1 i PC70BM, PCBM, respectivament. L'anàlisi de procés de degradació va ser portat a terme en dispositius fotovoltaics on van ser presos aspecte com ara la preparacions de la barreja, control de morfologies en les capes actives, procés de tractament tèrmic i condicions d'entorn al qual van ser exposades les cel solars. En cada cas va ser usat la característica de corrent-voltatge per supervisar els paràmetres de rendiment del dispositiu fotovoltaic durant la seva operació en condicions de llum i baix foscor. Un model elèctric es va utilitzar per correlacionar els mecanismes físics amb els paràmetres de rendiment de la cel solar. A més, el protocol ISOS-D1 es va aplicar a les cel · les solars orgàniques sota diferents entorns per quantificar el temps de vida, estabilitat i identificar els mecanismes de degradació predominants en el mateix. Com a segona part d'aquesta tesi, les cèl · lules solars orgàniques interdigitadas d'heterounió van ser dissenyats, fabricats i caracteritzats elèctricament i òpticament. Les cel · les solars interdigitadas van ser comparades respecte les de bicapa i les de heterounió de volum. Tècniques d'extracció de càrrega i transitoris de fotovoltaje van ser aplicats per primera vegada sobre aquest tipus de cel solars. Els resultats van revelar que ambdues tècniques són adequades per a la caracterització de la variació de la densitat de càrrega sobre la polarització aplicada en aquest tipus de cel · les fotovoltaiques.
En este trabajo se fabricaron celdas solares orgánicas de heterounión de volumen, el cual fueron utilizados diferentes materiales donadores y aceptores, tales como P3HT, PTB1 y PC70BM, PCBM, respectivamente. El análisis de proceso de degradación fue llevado a cabo en dispositivos fotovoltaicos donde fueron tomados aspecto tales como la preparaciones de la mezcla, control de morfologías en las capas activas, proceso de tratamiento térmico y condiciones de entorno al cual fueron expuestas las celdas solares. En cada caso fue usado la característica de corriente-voltaje para monitorear los parámetros de rendimiento del dispositivo fotovoltaico durante su operación en condiciones de iluminación y bajo oscuridad. Un modelo eléctrico se utilizó para correlacionar los mecanismos físicos con los parámetros de rendimiento de la celda solar. Además, el protocolo ISOS-D1 se aplicó a las celdas solares orgánicas bajo diferentes entornos para cuantificar el tiempo de vida, estabilidad e identificar los mecanismos de degradación predominantes en el mismo. Como segunda parte de esta tesis, las células solares orgánicas interdigitadas de heterounión fueron diseñados, fabricados y caracterizados eléctricamente y ópticamente. Las celdas solares interdigitadas fueron comparadas con respecto las de bicapa y las de heterounión de volumen. Técnicas de extracción de carga y transitorios de fotovoltaje fueron aplicados por primera vez sobre este tipo de celdas solares. Los resultados revelaron que ambas técnicas son adecuadas para la caracterización de la variación de la densidad de carga sobre la polarización aplicada en este tipo de celdas fotovoltaicas.
In this work were fabricated organic solar cells of bulk heterojunction, which were used different donor and acceptor materials such as P3HT, PTB1 and PC70BM, PCBM, respectively. The analysis of degradation process was carried out on the photovoltaic devices where it were taken aspect as the blend preparations, control of morphologies on the active layers, annealing process and environment conditions that were exposed the solar cells. In each case was used current-voltage characteristic to monitor the performance parameters of the photovoltaic device during its operation in dark and under illumination conditions. An electrical model was used to correlate the physical mechanisms with the performance parameters of the solar cell. Additionally, ISOS-D1 protocol was applied to organic solar cells under different environments to quantify the lifetime, stability and identify the degradation mechanisms predominant in it. As second part of this thesis, interdigitated heterojunction organic solar cells were designed, manufactured and electrically and optically characterized. The interdigitated solar cells were compared regarding bilayer and bulk heterojunction solar cells. Charge extraction and transient photovoltage techniques were applied for the first time in this kind of solar cells. The results revealed that both techniques are suitable for the characterization of the charge density variation over the applied bias on this kind of devices.

L'energia fotovoltaica s'ha convertit en una de les alternatives més populars com a font d'energia renovable. Es basa en la transformació directa de radiació solar en electricitat. Es troba disponible a escala global i a més no necessita de cap transformador per convertir l'energia mecànica en energia elèctrica, el que fa que sigui fàcil d'implementar. Avui en dia, el material més utilitzat per a aplicacions fotovoltaiques segueix sent el silici. En canvi, el desenvolupament de noves tecnologies, més barates, fàcils de processar i que a més poden utilitzar-se en substrats flexibles, ha sorgit com a alternativa al silici. De totes elles, les perovskita basades en halurs de plom s'han convertit en una de les millors opcions per a la comunitat científica a causa de les excel·lents propietats fotovoltaiques que presenta. Tot i que les eficiències dels dispositius preparats amb perovskita han arribat al 25%, un valor que es troba molt proper al seu màxim teòric, els processos que tenen lloc en aquests dispositius encara no són del tot coneguts. En aquesta tesi es tracta d'obtenir informació sobre els processos dels transportadors de càrrega, des de com es generen fins a la recombinació, tant en les interfícies com a l'interior del propi material. Per això, s'han utilitzat diferents tècniques de caracterització avançades com el fotovoltatge transitori (TPV), la fotocorrent transitòria (TPC), l'extracció de càrrega (CE) i l’espectroscòpia d'absorció transitòria en l'escala del femtosegon (FSTA), obtenint importants conclusions sobre pèrdues i processos que afecten la recombinació de transportadors de càrrega que porten a pitjors eficiències
La energía fotovoltaica se ha convertido en una de las alternativas más populares como fuente de energía renovable. Se basa en la transformación directa de radiación solar en electricidad. Se encuentra disponible a escala global y además no precisa de ningún transformador para convertir la energía mecánica en energía eléctrica, lo que hace que sea fácil de implementar. Hoy en día, el material más utilizado para aplicaciones fotovoltaicas sigue siendo el silicio. En cambio, el desarrollo de nuevas tecnologías, más baratas, fáciles de procesar y que además pueden utilizarse en sustratos flexibles, ha surgido como alternativa al silicio. De todas ellas, las perovskitas basadas en haluros de plomo se han convertido en una de las mejores opciones para la comunidad científica debido a las excelentes propiedades fotovoltaicas que presenta. Aunque las eficiencias de los dispositivos preparados con perovskitas han alcanzado el 25%, un valor que se encuentra muy cercano a su máximo teórico, los procesos que tienen lugar en estos dispositivos aún no son del todo conocidos. En esta tesis se trata de obtener información acerca de los procesos de los transportadores de carga, desde cómo se generan hasta la recombinación, tanto en las interfaces como en el interior del propio material. Para ello, se han utilizado distintas técnicas de caracterización avanzadas como el fotovoltaje transitorio (TPV), fotocorriente transitoria (TPC), la extracción de carga (CE) y la espectrocopía de absorción transitoria en la escala del femtosegundo (fsTA), obteniendo importantes conclusiones sobre pérdidas
Photovoltaics have become one of the most popular renewable source of energy. Photovoltaic technologies transform sunlight into electricity, and they are also available worldwide, and they do not depend on the conversion of motive power, making this technology quite easy to implement. Nowadays, silicon is still the most used material for photovoltaics. Anyway, new photovoltaic technologies have emerged as alternatives to silicon, as they are cheaper, easier to process, and, they are possible to use on flexible substrates. Among them, lead halide perovskites have become one of the most popular choice in the scientific community, due to the great properties that this material presents. While efficiencies have risen above 25%, which is close to their maximum theoretical limit, there is still debate about the processes happening in the device. In this thesis, we try to gain insight into charge carrier processes from their generation to their recombination at both perovskite interfaces, and also in the bulk of the material. Using advanced characterization techniques, such as transient photovoltage (TPV), transient photocurrent (TPC), charge extraction (CE), and femtosecond transient absorption spectroscopy (fsTA) we obtained important findings about charge carrier losses, and artifacts affecting charge carrier recombination in functional devices that lead to lower power conversion efficiencies.

El presente trabajo de tesis tiene como objetivo principal proponer un diseño de planta para el ensamblaje de paneles solares fotovoltaicos en el Perú. A través de herramientas de Ingeniería Industrial, se busca analizar las operaciones involucradas para este diseño, con el fin de evaluar su factibilidad económica. En el primer capítulo se comparó y contrastó casos de diseño de plantas de ensamblaje para tomar como referencia la metodología utilizada por dos autores. En el segundo capítulo, se evaluó las características de los paneles solares y las diferentes tecnologías que existen en el mercado, siendo las celdas solares monocristalinas, la tecnología escogida. Posteriormente, en el tercer capítulo, se evaluó los componentes y materiales requeridos para la fabricación y ensamble de un panel solar. En el cuarto capítulo se realizó un análisis de las operaciones y máquinas necesarias para el diseño de planta. De esta forma, en el quinto capítulo, se propuso un diseño de planta, se escogió un tipo de distribución por producto y el área total del diseño resultó igual a 7,425 m2. En el sexto capítulo, a través de métodos de macro y micro localización de planta, se obtuvo como localización ideal la ciudad de Sicuani, Cusco, Perú. Finalmente, en el séptimo capítulo, se evaluó los ingresos y egresos de la operación de la planta en un periodo de 5 años. La viabilidad económica se analizó con indicadores económicos como el VAN y TIR, obteniéndose un VAN igual a S/ 559,237.91 para el escenario probable y un TIR igual a 27%, siendo superior al WACC de 20%. Los resultados obtenidos con la presenta investigación se resumen en la factibilidad económica de la propuesta de diseño de una planta para el ensamblaje de paneles solares fotovoltaicos al cabo de 5 años de operación. Siendo sus indicadores económicos positivos para cualquiera de los 3 escenarios posibles.

Aquesta tesis inclou el treball fet en ICIQ sobre fabricació, caracterització, i modelització de cel·les solars de perovskita híbrida. Agafades des de la recerca en altres tipus de cel·les solars, les eines de anàlisi, les metodologies i, més important, la seva interpretació han sigut analitzades i adaptades a aquest nou tipus de dispositiu. Llavors, aquestes tècniques han sigut utilitzades per analitzar i entendre la influència de quatre diferents i nous transportadors de forats electrònics sobre el voltatge de cel·les de perovskita. Un altre estudi ha investigat la acumulació dels electrons en les cel·les per mig de petits canvis en el gruix de cada capa i analitzant les mostres per mig de les mateixes tècniques. Des de la meva estada internacional en els grups de Dr. Piers Barnes i Prof. Jenny Nelson en Imperial College London un altre estudi ha sigut complert sobre la complexa interpretació dels resultats de espectroscòpia de impedància en presència de ions mobles en les cel·les de perovskita. També està exposat tot el programari lliure que ha sigut desenvolupat per la adquisició i processament de dades i per la modelització deriva-difusió de cel·les solars de perovskita. Una versió actualitzada de aquesta tesis es pot trobar en https://github.com/ilario/documents_in_latex-PhD_thesis/
Esta tesis incluye el trabajo hecho en ICIQ sobre fabricación, caracterización, y modelización de celdas solares de perovskita hibrida. Provenientes desde la investigación en otros tipos de celdas solares, las herramientas de análisis, las metodologías, y, aún más importante, su interpretación han sido analizadas y adaptadas a este nuevo tipo de dispositivo. Entonces, estas técnicas han sido utilizadas para analizar y entender la influencia de cuatros diferentes y novedosos transportadores de huecos electrónicos sobre el voltaje de celdas de perovskita. Otro estudio ha investigado la acumulación de electrones en las celdas utilizando pequeños cambios en el grosor de cada capa y analizando las muestras con las mismas técnicas. Desde mi estancia internacional en los grupos del Dr. Piers Barnes y de la Prof. Jenny Nelson en Imperial College London otro estudio ha sido llevado al cabo sobre la complexa interpretación de los resultados de espectroscopia de impedancia en presencia de iones móviles en las celdas de perovskita. Además, se expone todos los programas libres que han sido desarrollados para la adquisición y procesamiento de datos y para la modelización deriva-difusión de celdas solares de perovskita. Una versión actualizada de esta tesis se puede encontrar en https://github.com/ilario/documents_in_latex-PhD_thesis/
This thesis includes the work done in ICIQ about fabrication, characterization, and modelling of hybrid perovskite solar cells. Coming from other kind of solar cells, the analysis tools, the methods, and, most importantly, their interpretation have been analysed and adapted to this new kind of device. Then, these techniques has been employed for analysing and understanding the influence of four different and novel hole transport materials on perovskite solar cells voltage. Another study focussed on the electrons accumulation in devices employing small variations in each stacked layer thickness and analysing the samples using the same techniques. From by international stay in Dr. Piers Barnes and Prof. Jenny Nelson groups in Imperial College London another study was originated exploring the complex interpretation of impedance spectroscopy results when applied on perovskite solar cells with mobile ions. Finally, all the free software that has been developed for data acquisition and processing and for drift-diffusion modelling of perovskite solar cells have been exposed. An updated version of this thesis can be found on https://github.com/ilario/documents_in_latex-PhD_thesis/

Aquesta thesis està enfocada a la millora de la resposta fotovoltaica de les Perovskites Solar Cells (PSCs) utilitzant òxids semiconductors com a materials de transport de càrrega. Els òxids semiconductors del tipus REOx, es fan servir com a materials de transport, degut a la seva bona transparència i transferència de càrrega. També, s’ha dut a terme la caracterització dels seleccionats transportadors de forats (HTMs) i els transportadors d’electrons (ETMs). Hem utilitzat diverses tècniques experimentals, com X-Ray Diffraction (XRD) i Photoelectron Spectroscopies (XPS-UPS) per entendre el grau de cristal·linitat i les propietats electròniques d’aquests òxids semiconductors. Han estat utilitzades dos tipus de configuracions, per a la millora de la eficiència, estabilitat i reducció de costos, la configuració invertida i la basada en carbó (CPSCs). Les cel.les basades en la configuració de carbó són totalment imprimibles i proporcionen una fàcil fabricació. També, s’ha trobat que l’ús de NiO com a HTMs en la configuració invertida produeix una millora en els paràmetres fotovoltaics i d’estabilitat de les PSCs. Tècniques de microscòpia, com Scanning Electron Microscopy (SEM), Atomic Force Microscopy (AFM), Focused Ion Beam (FIB) s’han utilitzat per determinar la morfologia de les capes i entendre els mecanismes de degradació que tenen lloc a les interfases amb l’objectiu final de millorar la resposta fotovoltaica i l’estabilitat de les cel·les solars. Finalment, s’ha dut a terme la funcionalització de les capes d’òxids (TiO2/ZrO2) en les Cbased PSCs mitjançant molècules orgàniques, com el 5 aminovaleric acid iodide (5- AVAI), que ha fet incrementar el bon funcionament d’aquest tipus de cel·les solars. Experimentalment hem obtingut PSCs una eficiència d’un 11.5 % mitjançant AM 1.5G d’il·luminació desprès d’una optimització del procés d’obtenció. També cal destacar, que les CPSCs han demostrat una bona estabilitat sota radiació continua durant mès de 1000 h. Aquest treball, engloba les solucions a algunes dificultats tecnològiques i científiques per a la millora en termes d’eficiència i estabilitat amb l’ús de òxids semiconductors en PSCs.
This thesis is dedicated to the enhancement of the photovoltaic response of Perovskite Solar Cells (PSCs) with the use of semiconductor oxides as electronic transport materials. Semiconductor oxides of the type REOx, where RE stands for rare earth, can serve as charge transporting materials, due to their good transparency and charge transfer. The selected hole transport materials (HTMs) and electron transport material (ETMs) have been characterized using experimental techniques such as X-Ray Diffraction (XRD) and Photoelectron Spectroscopies (XPS-UPS) in order to better understand the degree of crystallinity and the electronic properties of these semiconductor oxides. Two architectures have been used, in order to improve efficiency, stability and reduce manufacturing costs: inverted and carbon-based architectures. C-based PSCs are fully printable and provide a rather simple fabrication. We have also found that the use of NiOx as a HTM in an inverted architecture can improve the photovoltaic parameters of PSC devices. Microscopy techniques, such as Scanning Electron Microscopy (SEM), Atomic Force Microscopy (AFM), Focused Ion Beam (FIB) were also employed to determine the morphology of the layers and to understand the degradation mechanisms that occur at the interface level with the final aim of enhancing the photovoltaic performance and stability of solar cell devices. Finally, the functionalization of metal-oxide interlayers (TiO2/ZrO2) in C-based PSCs using organic molecules such as 5 aminovaleric acid iodide (5-AVAI) has been increased the performance of these kind of solar cells. We experimentally fabricated a C-based PSC with a PCE as high as 11.5 % under AM 1.5G illumination at 100 mW/cm2 after several optimization of the complete working device. Also, the CPSCs show good long-term stability under irradiation conditions as has been reported for more than 1000 h. This work addresses the technological issues stated above and proposes suitable concepts for the improvement in terms of efficiency and stability employing semiconductor oxides in PSCs.

Un prototipo deserrollado como trabajo conjunto entre la FIUAEMéx y el CINVESTAV, unidad Mérida, para proporcionar las condiciones de instrumentación electrónica, bajo las cuales el investigador deba realizar el proceso de Light Soaking para conseguir mejorar la eficiencia máxima posible en la celda solar.
Este proyecto cobra importancia a nivel de investigación, ya que durante el proceso de fabricación de celdas solares en el departamento de Física Aplicada del Cinvestav se investiga la fabricación de celdas solares de alta eficiencia, por lo tanto, se planteó el trabajo conjunto FIUAEM para proporcionar las condiciones de instrumentación electrónica, bajo las cuales el investigador deba realizar el proceso de Light Soaking para conseguir mejorar la eficiencia máxima posible en la celda solar.
Consejo Mexiquense de Ciencia y Tecnología (COMECyT

En els últims anys, la tecnologia fotovoltaica orgànica (OPV, per les seves sigles en anglès) ha despertat l’atenció de tant la comunitat científica com la industrial, a causa de les seves altes eficiències de conversió energètica, que continuen creixent avui dia, superant actualment el 18%. Aquestes eficiències, en part, s’han aconseguit gràcies a el gran desenvolupament de les petites molècules acceptors, també conegudes com acceptors no basats en ful·lerè (NFA, per les seves sigles en anglès). A més de l’eficiència, la OPV basada en NFA ofereix gran flexibilitat per a modificar el color i l’estabilitat a llarg termini. Aquestes propietats úniques fan de la fotovoltaica orgànica una tecnologia molt prometedora per a la seva intensiva comercialització, ja sigui com a tecnologia integrada en edificis (BIPV, per les seves sigles en anglès) o com a font d’alimentació per a sensors en l’anomenat Internet de les Coses. Aquesta tesi aborda algunes de les qüestions crítiques de la fotovoltaica orgànica que han de ser avaluades perquè aquesta es converteixi en una tecnologia comercialment atractiva. En primer lloc, hem estudiat teòricament les estratègies per controlar l’estètica de les capes fines actives, que absorbeixen la llum. Amb l’ajuda d’un model òptic i un algoritme genètic, hem predit les característiques (composició i gruix) que les barreges de materials han de tenir per a que la capa mostri un color prèviament seleccionat. L’ús de capes basades en NFA ha resultat ser l’estratègia més eficaç per a modificar el color de la capa activa. Com a resultat, els dispositius amb NFA han estat estudiats intensament al llarg d’aquesta tesi. A més, com a pas intermedi cap a l’escalat industrial, la tècnica de deposició assistida amb fulla (blade-coating en anglès) s’ha utilitzat en la majoria dels casos per a la fabricació de cel·les solars en aquesta tesi. A causa de la flexibilitat sintètica dels NFA, hi ha una gran varietat de noves molècules que val la pena estudiar. Es mostren dos exemples de cribratge combinatori utilitzant tècniques d’alt rendiment. En primer lloc, s’apliquen gradients 1D a dispositius basats en NFA i politiofè (P3HT), per ser un dels polímers més barats i més estudiats. Els gradients 1D han permès la fabricació de més de 1.000 dispositius amb variacions controlades de gruix o temperatura post-recuit en les capes fotoactives. Per al sistema més eficient, estudiem i classifiquem la sensibilitat als paràmetres de fabricació. En segon lloc, hem estès els gradients 1D a 2D i hem explorat els polímers més eficients amb NFA. S’ha desenvolupat un mètode simple basat en variacions controlades i simultànies dels paràmetres d’interès. Amb l’ajuda de tècniques de caracterització optoelectròniques i co-locals, aquest mètode permet una ràpida identificació dels valors òptims de gruix i composició de la mescla a través de mapes 2D d’optimització. També s’ha estudiat l’estabilitat a llarg termini del sistema més eficient per ser un factor crític per l’escalat industrial. De la mateixa manera, s’han fabricat mòduls amb tècniques d’impressió industrialment rellevants com la impressió rotativa. La potencial semitransparencia de la OPV s’ha demostrat fabricant mòduls amb un NFA que estén la seva absorció òptica fins a la regió de l’infraroig proper. Per tal de desenvolupar un procés de fabricació sostenible i escalable i industrialment rellevant, els mòduls s’han fabricat seguint les directrius de la indústria de la impressió, incloent l’ús de dissolvents no halogenats, la fabricació en atmosfera normal i tècniques de baix consum energètic. En resum, en aquesta tesi, proporcionem nous coneixements sobre l’escalat de la tecnologia fotovoltaica orgànica, basats en NFA i que aplanen el camí cap a una transferència eficient dels dispositius de l’escala del laboratori a una escala industrialment rellevant.
En los últimos años, la tecnología fotovoltaica orgánica (OPV, por sus siglas en inglés) ha despertado la atención de las comunidades científica e industrial debido a sus altas eficiencias de conversión en continuo aumento, superando actualmente el 18%. Éstas, en parte, se han logrado gracias al gran desarrollo de pequeñas moléculas aceptoras, también conocidos como aceptores no basados en fullereno (NFA, por sus siglas en inglés). Además de la eficiencia, la OPV basada en NFAs ofrece gran flexibilidad para modificar el color y presenta buena estabilidad a largo plazo. Estas propiedades hacen de la fotovoltaica orgánica una tecnología muy prometedora para su intensiva comercialización, bien integrada en edificios (BIPV, por sus siglas en inglés) o como fuente de alimentación para sensores en el llamado Internet de las Cosas (IoT, por sus siglas en inglés). Esta tesis aborda algunas de las cuestiones críticas de la fotovoltaica orgánica que deben ser evaluadas para que ésta se convierta en una tecnología comercialmente atractiva. En primer lugar, estudiamos teóricamente las estrategias para controlar la estética de las capas finas absorbentes. Con la ayuda de un modelo óptico y un algoritmo genético, predecimos las características (composición y espesor) que las mezclas de materiales deben tener para que la capa muestre un color previamente elegido. El uso de capas basadas en NFAs resultó ser la estrategia más eficaz para modificar el color de la capa activa. Como resultado, los dispositivos basados en NFAs fueron estudiados en profundidad a lo largo de esta tesis. Además, como paso intermedio hacia el escalado industrial, la técnica de racleta (blade-coating en inglés) se empleó en la mayoría de los casos para la fabricación de celdas solares. Debido a la flexibilidad sintética de los NFAs, hay una gran variedad de nuevas moléculas que merece la pena estudiar. Se muestran dos ejemplos de cribado combinatorio utilizando técnicas de alto rendimiento. En primer lugar, se aplican gradientes 1D a dispositivos basados en NFAs y politiofeno (P3HT, por sus siglas en inglés), por ser uno de los polímeros más baratos y más estudiados. Los gradientes 1D han permitido la fabricación de más de 1.000 dispositivos con variaciones controladas de espesor o temperatura post-recocido en las capas fotoactivas. Para el sistema más eficiente, estudiamos y clasificamos la sensibilidad a los parámetros de fabricación. En segundo lugar, extendimos los gradientes 1D a 2D y exploramos los polímeros más eficientes con NFAs. Se desarrolló un método simple basado en variaciones controladas y simultáneas de los parámetros de interés. Con la ayuda de técnicas de caracterización optoelectrónicas y co-locales, dicho método permite una rápida identificación de los valores óptimos de espesor y composición de la mezcla a través de los mapas 2D de optimización. También se estudió la estabilidad a largo plazo del sistema más eficiente por ser un factor crítico para su escalado industrial. De igual forma, se fabricaron módulos con técnicas de impresión industrialmente relevantes como la impresión rotativa (roll-to-roll, en inglés). La potencial semitransparencia del OPV se demostró fabricando módulos con un NFA que extiende su absorción óptica hasta la región del infrarrojo cercano. Con el fin de desarrollar un proceso de fabricación sostenible y escalable e industrialmente relevante, los módulos se fabricaron siguiendo las directrices de la industria de la impresión, incluyendo el uso de disolventes no halogenados, la fabricación en atmósfera normal y técnicas de bajo consumo energético. En resumen, en esta tesis proporcionamos nuevos conocimientos sobre el escalado de la tecnología fotovoltaica orgánica, basados en NFAs y que allanan el camino hacia una transferencia eficiente de los dispositivos de la escala laboratorio a una escala industrialmente relevante.
Over the last years, organic photovoltaic technology (OPV) has drawn the attention of both the scientific and industrial communities due to their increasing performances, currently over 18%. These high efficiencies have been achieved thanks to the chemical development of the small molecular acceptors, also known as non-fullerene acceptors (NFA). Besides the efficiency, NFA-based OPV offers colour and transparency tuneable properties, low embodied energy, and good long-term stability. These unique properties make OPV a suitable technology for their commercialisation as a part of building-integrated photovoltaic systems (BIPV) or for powering the so-called Internet of Things (IoT). This thesis covers some of the critical issues that need to be addressed for OPV to become a truly competitive technology. Firstly, we studied theoretically the strategies for tuning the colour appearance of OPV films. With the aid of an optical model and a genetic algorithm, we predicted the characteristics that photoactive materials should have in order to exhibit a desired colour. The use of non-fullerene acceptors (NFA) for the photoactive blends turned out to be the most effective colour-tuning strategy. As a result, NFAs-based devices were intensively studied in this thesis. Moreover, as an intermediate step towards a large printing scale, the doctor blade technique was employed for most of this thesis work. Due to their synthetic flexibility, there are many NFAs and their processing conditions that are worth studying. Two examples of combinatorial screening using high throughput techniques are given. First, 1D gradients are applied to devices based on NFAs and polythiophene (P3HT), one of the cheapest and most studied polymers. 1D gradients enabled the fabrication of more than 1000 blade-coated devices with controlled variations in thickness or post-annealing temperature at the photoactive layers. For the most efficient system, we studied and ranked the sensitivity of the different manufacturing parameters. Second, we extended this to 2D gradients and explored both low bandgap polymers and NFAs. A simple method was developed based on controlled and simultaneous variations of the parameters of interest. With the aid of co-local optoelectronic characterisation techniques, 2D optimisation maps enable fast identification of the optimum thickness and blend composition values. Long term stability was also studied on selected devices, as a relevant factor for OPV upscaling, together with manufacturing fully roll-to-roll modules. Transparency is another relevant characteristic feature that could enable OPV integration into the potential photoactive windows of the future. Semitransparent laser-patterned modules were fabricated with a NFA that contributes to extend the blend optical absorption up to the near-infrared region. With the aim of developing a sustainable manufacturing process, modules were manufactured following preferences of large-scale printing industry including non-halogenated solvents, air processing and low energy consumption. In summary, in this thesis we provide new insights into the upscaling of NFAs based OPV that pave the way towards an efficient transfer from record lab-devices to fully solution-processed modules.

Aquesta tesi explora com tant la morfologia de les capes actives com les propietats opto-electròniques canvien en funció de la estructuri molecular en diferents tipus de cel·les orgàniques que contenen ful·lerens. Estudiem les variacions experimentals en dispositius de molècula petita utilitzant diferents donores de la família del diketopirrolopirrol així com dispositius que utilitzen diferents acceptors de la família dels difenilmetanofulerenos. També generem una base de tants de estrucutras moleculars utilitzant dades experimentals per tal de construir models estadístics que ens permetessin predir les propietats elèctriques en aquest tipus de dispositvos usant descriptors 2D o DFT derivats de la estrucuta dels donores. Finalment vam explorar també les propietats opto-electròniques de dispositius de ful·lerè i perovskitas d'halurs de plom, implementant una tècnica nova de fabricació en el nostre laboratori i creant una relació entre el comportament fotofísic d'aquests dispositius i els dispositius de molècula petita. Aquesta tesi dóna una mirada inicial a la complexa relació entre l'estructura molecular i l'acompliment de les cel·les solars orgàniques, prenent una aproximació que en últimes ens porta més a prop al disseny racional de molècules que tinguin les propietats ideals per produir cel·les solars de ful·lerè amb alta eficiència.
Esta tesis explora como tanto la morfología de las capas activas como las propiedades opto-electrónicas cambian en función de la estructure molecular en distintos tipos de celdas orgánicas que contienen fulerenos. Estudiamos las variaciones experimentales en dispositivos de molécula pequeña utilizando distintos donores de la familia del diketopirrolopirrol así como dispositivos que utilizan distintos aceptores de la familia de los difenilmetanofulerenos. También generamos una base de tantos de estrucutras moleculares usando datos experimentales con el fin de construir modelos estadísticos que nos permitieran predecir las propiedades eléctricas en este tipo de dispositvos usando descriptores 2D o DFT derivados de la estrucuta de los donores. Finalmente exploramos también las propiedades opto-electrónicas de dispositivos de fulereno y perovskitas de haluros de plomo, implementando una técnica nueva de fabricación en nuestro laboratorio y creando una relación entre el comportamiento fotofísico de estos dispositivos y los dispositivos de molécula pequeña. Esta tesis da una mirada inicial a la compleja relación entre la estructura molecular y el desempeño de las celdas solares orgánicas, tomando una aproximación que en últimas nos lleva más cerca al diseño racional de moleculas que tengan las propiedades ideales para producir celdas solares de fulereno con alta eficiencia.
This thesis explores how active layer morphology and opto-electronic properties change in different types of fullerene containing solar cells as a function of molecular structure. We studied the experimental variations in small molecule organic devices containing different donors from the diketopyrrolopyrrole family as well as devices containing different acceptors from the diphenylmethanofullerene class. We also generated a large database of molecular structures using experimental values in order to build statistical models for the prediction of electrical properties in this type of devices using 2D or DFT descriptors derived from donor molecule structures. Finally we also explored the opto-electronic properties of fullerene containing lead halide perovskite solar cells, implementing a new fabrication technique within our research group and creating a link between the photophysical behavior of lead halide perovskite and small molecule organic solar cells. This thesis takes an initial look into the very complex relationships between molecular structure and organic solar cell device performance, taking an approach that ultimately attempts to take us closer to the rational design of molecules that have the ideal properties to produce highly performing fullerene containing solar cells.

Tesis de licenciatura en Ingeniería en Electrónica que presenta un prototipo desarrollado en el marco del proyecto del Cuerpo Académico Electrónica y Sistemas (UAEM-CA-245) denominado "Sistema de Instrumentación y Control para la caracterización en función de las radiaciones térmica y luminosa en el Proceso de Fabricación de Celdas Solares CdS/CdTe"
El ahorro energético se presenta actualmente como una de las líneas de investigación más importantes, considerando el incremento poblacional y su inherente demanda energética a nivel mundial. Además, representa un desafío prioritario el desarrollo de fuentes alternativas de energía no contaminantes eficaces y que favorezcan el ahorro energético. México representa el tercer país por su ubicación en el globo terráqueo con la mejor captación de la energía solar, una de las fuentes energéticas alternativas más prometedoras. En consecuencia, el grupo de investigación de “Electrónica y Sistemas” de la FIUAEM en conjunto con el grupo de investigación del CINVESTAV Mérida, plantean el desarrollo de un sistema de instrumentación electrónica mediante el control de la temperatura y luminosidad aplicados en la fase terminal (Light Soaking) de la fabricación de celdas solares de CdS/CdTe con el fin de mejorar su eficiencia. Así, se presenta una propuesta para el diseño y la construcción de un prototipo que permita aplicar una temperatura e intensidad luminosa en el interior de una cámara de pruebas que contiene una celda solar de CdS/CdTe. Además de que permita al usuario programar en una interfaz gráfica valores fijos de la temperatura y de la intensidad luminosa. El sistema propuesto permitirá controlar los valores de ambas variables de acuerdo a curvas arbitrarias en función del tiempo. Esta versatilidad permitirá determinar los parámetros que describen ambas funciones (temperatura e intensidad luminosa) de tal forma que resulte en una mayor eficiencia de conversión fotovoltaica medida en términos de la corriente y el voltaje que puede producir una celda solar de CdS/CdTe durante el proceso de “Light Soaking”, lo que a su vez resultará en una mayor eficiencia de conversión fotovoltaica de dichas celdas instaladas en el campo.
SEP - Apoyo para el fortalecimiento de los Cuerpos Académicos

Ingeniero Civil Industrial
En esta Memoria para optar al título profesional de Ingeniero Civil Industrial de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile, se explica la arquitectura y argumenta el desarrollo de un nuevo y sencillo algoritmo y modelo matemático para calcular el dimensionamiento óptimo de un banco de baterías (BESS), esto para cualquier tipo de cliente regulado del sector eléctrico chileno. Para funcionar, el algoritmo solo necesita tomar el perfil de consumo eléctrico del cliente, su tipo de Tarificación y un posible perfil de generación ERNC-Solar. Con los datos anteriores se llega a un resultado de dimensionamiento óptimo del cual nace un plan de gestión de funcionamiento del BESS en su vida útil. Además de este plan de gestión se entrega vital información de Utilidad económica y Ahorro asociado al BESS. El trabajo desarrollado por el Memorista se analizó con apoyo de profesionales del Centro de Energía, Centro de Investigación del Litio (CIL) y matemáticos de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Chile. El requerimiento de esta necesidad nace desde el mismo CIL, fue dentro del proyecto de baterías de Litio E-LiBatt, requieren el desarrollo de un modelo para dimensionar eficientemente el producto desarrollado y con ello, abrirlo finalmente al mercado. El Modelo diseñado se programó en una planilla de cálculo y los resultados encontrados en los diferentes casos de estudio entregan interesantes conclusiones. La primera, es que la entrada de la tecnología al mercado residencial aun depende del alto costo de la tecnología. Se calculó, que para una exitosa integración económica se necesitan precios un 50% de los actuales. La segunda conclusión muestra que, lo anterior, no es tan determinante en instalaciones comerciales o industriales, donde gestionar potencia logra entregar un beneficio económico suficiente para obtener utilidades positivas. Esto, queda fuertemente demostrado en el caso de estudio industrial en el sur del país, donde el altísimo costo de la potencia, permitiría a esta industria ahorrarse un 13% anual en cargo por potencia. Esto, con la integración inteligente de un BESS de ~ 4,5 [kWh]. Por correlación, el potencial beneficio económico de un BESS también depende, en nuestro país, de la ubicación geográfica del usuario. Una tercera conclusión, muestra que gestionar la demanda mayoritariamente en horas no punta es fundamental. Una cuarta y última conclusión, indica que demandas de potencia con alta varianza y concentradas en horas específicas, permiten mayores beneficios económicos que consumos constantes. Finalmente, la Herramienta desarrollada entrega un alto valor por su aporte al conocimiento tecnológico existente, al directo aporte económico mostrado a los usuarios, al indirecto aporte al sistema eléctrico y al medio ambiente por el uso eficiente de la energía. Es importante además mencionar que la lógica del Modelo puede ser utilizada con cualquier tipo de acumulador de energía electroquímico y entregando también una base para utilizarse con otros sistemas tarifarios. Se pretende que este desarrollo sea visto como una herramienta de eficiencia energética que además apoya la sustentabilidad de los usuarios y la integración de nuevas tecnologías.

Doctora en Química
En la búsqueda de semiconductores poliméricos de fácil procesamiento para su aplicación en celdas solares orgánicas (CSO), esta tesis abordó la electropolimerización de derivados de tienilvinileno en una serie de líquidos iónicos (LIs). Los LIs son sales fundidas a temperatura ambiente y están constituidos enteramente por iones. Entre sus propiedades se destaca la baja presión de vapor y su conductividad iónica inherente, funcionando simultáneamente como solvente y electrolito de soporte; siendo una alternativa limpia en reemplazo a los compuestos orgánicos volátiles (COVs). Se sintetizó las unidades monoméricas derivadas de tienilvinileno con sustituyentes electro-dador del tipo alquilo y alquiloxi, (E)-1,2-di-(3-octil-2-tienil)vinileno (3-OTV) y (E)-1,2-di-(3-octiloxi-2-tienil)vinileno (3-OOTV), respectivamente. La incorporación del enlace vinílico entre anillos de tiofeno disminuye el carácter aromático del anillo, con el consecuente aumento en la deslocalización de los electrones π y el descenso en el desorden rotatorio entre anillos aromáticos. Mediante la incorporación de los grupos electron-dador del tipo alquilo o alquiloxi, en la posición β del anillo de tiofeno se incrementó el grado de solubilidad de los polímeros en solventes orgánicos. A su vez, se sintetizó ocho LIs basados en el catión imidazolio con variaciones en el largo de la cadena alquílica (C4mim+, C6mim+ y C8mim+) y diferentes tamaños de anión (BF4-, PF6-, NTf2- y TfO-), los cuales se caracterizaron fisicoquímicamente a través de su viscosidad, conductividad y ventana electroquímica. Los procesos de electropolimerización se desarrollaron mediante las técnicas galvanostática y potenciodinámica. Con la última técnica, se evaluó la electropolimerización en sistemas diluidos basados en LI/acetonitrilo/monómero con el objetivo de establecer el potencial de oxidación de las unidades monoméricas en los diferentes LIs. Además, se observó la naturaleza electrocrómica del polímero, siendo de color azul en su estado oxidado y de color rojo en su forma reducida. Posteriormente, se realizó el estudio en sistemas concentrados de LI/monómero a modo de obtener un mayor rendimiento polimérico para realizar pruebas en CSO y descartar el uso de COVs, no obstante, un aumento de la concentración monomérica en el LI produce un descenso en su solubilidad, siendo necesaria la adición de diclorometano. Se concluyó que la naturaleza del catión imidazol influyó favorablemente en el proceso de electropolimerización al poseer una similitud estructural aromático coplanar con los monómeros. Se determinó que el tipo de anión del LI genera variaciones en la morfología y electroactividad del polímero, puesto que durante el paso de la corriente anódica se incorporaron aniones al polímero, siendo el polímero POTV-PF6 el más electroactivo. Con ambas técnicas, galvanostática y potenciodinámica, se obtuvieron materiales poliméricos fácilmente solubles en solventes orgánicos. El polímero POTV-PF6, que se obtuvo por la técnica galvanostática, se empleó como dador de electrones en la fabricación de una CSO de heterounión en capas, donde el ánodo y cátodo fueron vidrio ITO y aluminio, respectivamente. En la fabricación de las celdas solares se empleó dos técnicas para el depósito polimérico: la evaporación al vacío y el spin-coating, posteriormente se evaluó la eficiencia de conversión energética de estos dispositivos con ayuda de un simulador solar AM 1.5. Se obtuvieron mejores resultados con el depósito polimérico que se realizó por spin-coating.

SINTESIS DE PELICULAS DE MOFS SOBRE SOPORTES DE VIDIO E ITO, ESUTDIO DE SUS PROPIEDADES OPTICAS Y ELECTRICAS PARA ANLIZAR SU USO EN CELDAS SOLARES
Las redes zeolitas de imidazolatos (ZIFs, por sus siglas en inglés) son una clase de estructuras metal-orgánicas formadas por iones metálicos y ligantes orgánicos. Las propiedades de los ZIFs los convierten en materiales prometedores para aplicaciones químicas y fotovoltaicas. En el presente trabajo se determinaron las propiedades ópticas, eléctricas y morfológicas de películas delgadas de ZIF-8. Se obtuvieron películas de ZIF-8 con el método de síntesis solvotermal en soportes transparentes de vidrio e ITO, en el caso del vidrio se realizó una modificación superficial (grupos OH) para que posteriormente se diera una interacción intermolecular soporte-ZIF-8, en cuestión con el ITO no fue necesario esto debido a su composición química. El método de crecimiento secundario no fue viable para obtener una película de ZIF-8, todo lo contrario a crecimiento In situ con el cual logró obtener películas de ZIF-8 con un espesor mayor a 1µm por lo que, para una aplicación fotoeléctrica de películas delgadas no es viable. Con el método de síntesis capa por capa modificado, en el cual se logra producir películas delgadas (menores a 1µm) ITO/ZIF-8 de 1 a 10 ciclos de crecimiento, así mismo se fabricaron películas agregando la molécula huésped 7,7,8,8- Tetracianoquinodimetano (TCNQ) para mejorar sus propiedades ópticas y se obtienen películas delgadas (menores a 1µm) ITO/ZIF-8/TCNQ de 1 a 10 ciclos de crecimiento. Se determinó la morfología por microscopia electrónica de barrido (SEM, por sus siglas en inglés) y la confirmación de la fase cristalina con difracción de rayos X en polvos (DRX), las propiedades eléctricas se estudiaron con el método de 4 puntas y sus propiedades ópticas con espectrofotometría UV-vi. Se obtuvieron espectros de absorbancia y con el método de Tauc plot se calculó el bandgap de las 20 películas de ZIF-8. El mejor bandgap obtenido fue a 6 ciclos con una película de ITO/ZIF-8/TCNQ con un valor de 3.9769 eV por lo que la película entra en el rango de materiales semiconductores.
El número de registro de tesis de este proyecto es 01MCM2016, con número (CVU) 704238 del CONACYT.

Tesis de licenciatura en Ingeniería en Electrónica que presenta un prototipo desarrollado en el marco del proyecto del Cuerpo Académico Electrónica y Sistemas (UAEM-CA-245) denominado "Sistema de Instrumentación y Control para la caracterización en función de las radiaciones térmica y luminosa en el Proceso de Fabricación de Celdas Solares CdS/CdTe"
El ahorro energético se presenta actualmente como una de las líneas de investigación más importantes, considerando el incremento poblacional y su inherente demanda energética a nivel mundial. Además, representa un desafío prioritario el desarrollo de fuentes alternativas de energía no contaminantes eficaces que favorecen el ahorro energético. Una de éstas es la energía solar, cuya explotación depende en gran medida de la eficiencia de conversión fotovoltaica en las celdas solares. En este sentido, el objetivo de esta tesis es construir un sistema en el que se controle la temperatura y la intensidad luminosa durante la etapa de Light Soaking de forma automática, de tal modo que se pueda monitorear el voltaje y la corriente en la celda solar durante dicha etapa, y así proveer una herramienta para encontrar los rangos de valores en los que la temperatura y la intensidad luminosa resulten en una mayor eficiencia de transformación fotovoltaica en las celdas solares CdS/CdTe. Para alcanzar dicho objetivo se presenta el diseño y la construcción del hardware de dicho sistema. Además de que el sistema permite al usuario programar en una interfaz gráfica valores fijos de la temperatura y de la intensidad luminosa, también es capaz de controlar los valores de ambas variables de acuerdo con curvas arbitrarias en función del tiempo. Esta versatilidad permite determinar los parámetros que describen ambas funciones (temperatura e intensidad luminosa) de tal forma que resulte en una mayor eficiencia de conversión fotovoltaica medida en términos de la corriente y el voltaje que puede producir una celda solar de CdS/CdTe durante el proceso de Light Soaking, lo que a su vez resulta en una mayor eficiencia de conversión fotovoltaica de dichas celdas instaladas en el campo. El objetivo planteado se cumplió satisfactoriamente en virtud de su flexibilidad en la aplicación de la temperatura y la intensidad luminosa durante la etapa de Light Soaking.
SEP-Apoyo para el fortalecimiento de los Cuerpos Académicos

En esta tesis se centra en el estudio de capas delgadas basadas en óxido de zinc (ZnO) para aplicaciones fotovoltaicas, en concreto células solares sensibilizadas con colorante (DSSC). Se optimizaron los parámetros de crecimiento de estas nanoestructuras hibridas depositadas mediante la técnica de electrodeposición catódica para posteriormente desarrollar un dispositivo eficiente para la conversión de la luz. OBJETIVOS Los objetivos principales de la tesis son: - Establecer las condiciones de crecimiento de las películas híbridas de ZnO/colorante mediante su estudio morfológico, estructural, óptico y eléctrico. - Verificar la incorporación de diferentes colorantes como Eosin-Y, Fthalociania de cobre (Ts-CuPc) y N719 en la estructura del ZnO. - Implementación de una celda DSCC basada en estas películas híbridas para la conversión de la energía mediante el cálculo de eficiencia. ELEMENTOS DE LA METODOLOGÍA La técnica de depósito utilizada para la obtención de estos materiales híbridos es la electrodeposición catódica. Para el estudio y la optimización de estas películas se utilizaron diferentes técnicas de caracterización física mediante SEM, AFM, XRD, transmitancia, fotocorriente, etc. Y finalmente, estas películas se integraron en dispositivos DSSC. RESULTADOS LOGRADOS Los resultados obtenidos fueron los siguientes: - Optimización y caracterización del crecimiento de la película delgada de ZnO. Se observo que la estructura hexagonal del ZnO es modificable y altamente dependiente de la concentración tanto de los precursores como del disolvente en la disolución. Las películas con mejores propiedades cristalinas se obtuvieron a una temperatura de depósito de 80°C y a un potencial de -0,9 V. - Optimización y caracterización del crecimiento de películas delgadas de ZnO/híbridas usando distintos colorantes: Eosin-Y, Ts-CuPc y N719. Las propiedades eléctricas y físicas se pueden modificar variando las concentraciones de los colorantes. En el caso del
Moya Forero, MM. (2012). PREPARACIÓN ELECTROQUÍMICA DE CAPAS NANOESTRUCTURADAS DE ZnO PARA APLICACIONES FOTOVOLTAICA [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/17322
Palancia

En aquesta tesi, l'estudi optoelectrònica i fabricació de diferents solució de processament de semiconductors inorgànics com ara PBS Quantum Dots i cèl·lules solars perovskita s'han fabricat. Al llarg d'aquesta tesi mesuraments optoelectrònics com fotoinducidas càrrega Extracció (PICE), fotoinducidas transitòria fotovoltaje (PIT-PV), fotoinducidas transitòria fotocorriente (PIT-PC) Laser transitòria Espectroscòpia d'Absorció (L-TAS) s'han realitzat a les cèl·lules solars eficients per tal de estudiar els diferents processos elèctrics interns presents en el dispositiu sota condicions de treball. Usant aquestes tècniques, el desdoblament dels nivells de Fermi s'han trobat per ser l'origen de la tensió en PBS QD cèl·lules solars (Capítol 2). A més, en el capítol 4.1 d'un estudi optoelectrònic intensiva s'ha realitzat a les cèl·lules solars perovskita mesoporosos, on es van descobrir decaïments biexponenciales de TPV i càrrega diferencial es va proposar manera tan adequada per obtenir la càrrega generada en el dispositiu. D'altra banda, els dispositius van ser fabricats utilitzant diferents polímers com HTM, i els resultats proporcionats van confirmar que la regeneració va ser superior al 90%, i que PIT-PV realitzat en condicions de foscor corresponen a la recombinació entre els orificis de la HTM i els electrons en el TiO2, com presentat en el capítol 4.2. A més, els resultats presentats en el capítol 4.3 mostrar que una capa de Al2O3 monoatòmic alentir el recombinació en el dispositiu d'augment de la tensió del dispositiu.
En esta tesis, el estudio optoelectrónico y la fabricación de diferentes solución de procesado de semiconductores inorgánicos tales como PbS Quantum Dots y células solares de perovskita se han fabricado. A lo largo de esta tesis medidas optoelectrónicos como fotoinducidas carga Extracción (PICE), fotoinducidas transitoria fotovoltaje (PIT-PV), fotoinducidas transitoria fotocorriente (PIT-PC) Laser transitoria Espectroscopia de Absorción (L-TAS) se han realizado a las células solares eficientes con el fin de estudiar los diferentes procesos eléctricos internos presentes en el dispositivo bajo condiciones de trabajo. Usando estas técnicas, el desdoblamiento de los niveles de Fermi ha sido encontrado como el origen de la tensión en PbS QD células solares (Capítulo 2). Además, en el capítulo 4.1 de un estudio optoelectrónico intensiva se ha realizado a las células solares perovskita mesoporosos, donde se descubrieron decaimientos biexponenciales de TPV y carga diferencial se propuso manera tan adecuada para obtener la carga generada en el dispositivo. Por otra parte, los dispositivos fueron fabricados utilizando diferentes polímeros como HTM, y los resultados proporcionados confirmaron que la regeneración fue superior al 90%, y que PIT-PV realizado en condiciones de oscuridad corresponden a la recombinación entre los huecos de la HTM y los electrones en el TiO2, como presentado en el capítulo 4.2. También, los resultados presentados en el capítulo 4.3 mostraron que una capa de Al2O3 monoatómico ralentiza la recombinación en el dispositivo de aumento de la tensión del dispositivo.
In this thesis, the optoelectronic study and fabrication of different solution processed inorganic semiconductor such as PbS Quantum Dots and perovskite solar cells have been fabricated. Along this thesis optoelectronic measurements such as PhotoInduced Charge Extraction (PICE), PhotoInduced Transient PhotoVoltage (PIT-PV), PhotoInduced Transient PhotoCurrent (PIT-PC) Laser Transient Absorption Spectroscopy (L-TAS) have been performed to efficient solar cells in order to study the different inner electrical processes present in the device under working conditions. Using these techniques, the splitting of Fermi levels have found to be the origin of the voltage in PbS QD solar cells (Chapter 2). Besides, in chapter 4.1 an intensive optoelectronic study has been performed to mesoporous perovskite solar cells, where biexponential decays of TPV were discovered and Differential Charging was proposed as suitable way to obtain the charge generated in the device. Moreover, devices were fabricated using different polymers as HTM, and results provided confirmed that the regeneration was over 90%, and that PIT-PV performed in dark conditions correspond to the recombination between the holes in the HTM and the electrons in the TiO2, as presented in chapter 4.2. Also, results presented in chapter 4.3 showed that a monoatomic layer of Al2O3 slow down the recombination in the device increasing the device voltage..

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:30:19Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2013-02-04Bitstream added on 2014-06-13T19:25:43Z : No. of bitstreams: 1 oliveira_ef_me_bauru.pdf: 5543085 bytes, checksum: 90e82da3ce30b958035782b939b534c5 (MD5)
Hoje existe uma necessidade de novos polímeros com propriedades ajustadas para utilização em camadas ativas de céluas solares, uma vez que os materiais mais utilizados ainda não são eficientes, nem suficientemente estáveis, de modo que possam substituir os dispositivos de silício. O poli(3-hexiltiofeno) (P3HT), é um polímero amplamente utilizado em dispositivos fotovoltaicos, e muito importante em células solares. Tem sido relatado modificações na posição 4 das suas unidades monoméricas que levaram a novos polímeros com propriedades diferentes daquele sem modificações. O trabalho que será apresentado visou estudar as propriedades estruturais e ópticas do P3HT e possíveis alterações ocorridas devido às modificações realizadas na posição 4 de suas unidades monoméricas. Tal estudo utilizou ferramentas de cálculo de estrutura eletrônica de materiais, com os métodos PM6 e DFT. Concluímos que o P3HT em solução e no estado sólido não é plantar. Com o nosso modelo para o P3HT, através da conjunção dos métodos ZINDO-S/CIS, obtivemos um pico de absorção óptica teórico em clorofórmio de aproximadamente 385 nm, sendo este em boa concordância com o valor experimental. Em relação às substituições químicas, estudamos teoricamente 15 derivados de P3HT e os cálculos indicaram que é possível obter compostos com uma diminuiçao significativa do gap com estabilidade e solubilidade similares à do P3HT, principalmente com a ligação do átomos de oxigênio ou grupos orgânicos conjugados ao anel tiofênico
Today there is a need new polymers with properties adjusted for use in active layers of solar cells since the most employed materials still are not efficient nor stable enough so that they can replace the silicon devides. The poly(3-hexylthioplene) (P3HT), is a polymer widely used in photovoltaic devices, and very important in solar cells. It has been reported modifications at position 4 of its monomeric units that led to new polymers with different properties than the pristine one. The work that will be presented aimed to study the structural and optical properties of P3HT and possible changes due to chemical substitutions made in position 4 of the monomer units. This study used tools calculating the electronic structure materials, with PM6 and DFT methods. We conclude that the P3HT, in solution and in the solid state, is not planar. With our model for the P3HT, through the combinations of the ZINDO-S/CIS methods, we obtained a theoretical optical absorption peak in chloroform of about 385 nm, in good agreement with the experimental value. In relation to the chemical substitutions, we studied 15 derivatives of P3HT and the calculations indicated that it is possible to obtain compunds with a significant decrease in the gap with stability and solubility similar to that of P3HT, especially with the binding of oxygen atoms or conjugated organic groups to the thiophenic ring

Made available in DSpace on 2014-12-02T11:16:41Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2014-02-14Bitstream added on 2014-12-02T11:21:00Z : No. of bitstreams: 1 000752686.pdf: 1677927 bytes, checksum: 39259b0bc7b91b06d1866f18b7b5f124 (MD5)
Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)
Atualmente existe uma grande demanda no desenvolvimento de novas fontes de energia. Uma das possíveis alternativas para produção de energia são as células solares e, dentre estas, as células solares orgânicas. Estas ainda apresentam baixa eficiência na conversão de energia, por isso um grande número de pesquisas vem sendo realizadas com o intuito de melhorar suas características. No presente trabalho estudamos os componentes aceitadores de elétrons, utilizados na camada ativa das células solares orgânicas, especificamente aqueles formados por C60 e seu derivados, que têm sido amplamente estudados, devido ao seu bom desempenho. Estes estudos visam principalmente ajustar os níveis eletrônicos, assim possibilitando o aumento da tensão de circuito aberto e, por sua vez, aumentando a eficiência de conversão de energia. Nesse trabalho propõe-se uma metodologia que apresenta bons resultados na representação das propriedades estruturais e eletrônicas dos sistemas aqui estudados. Esta metodologia utiliza níveis de teoria semi-empíricos e ab initio. Também foram investigados métodos para correlacionar as propriedades eletrônicas dos materiais estudados com a tensão de circuito aberto, já que esta tensão está diretamente relacionada à eficiência das células solares orgânicas. Através deste trabalho encontramos um método capaz de simular a tensão de circuito aberto com desvio médio de 13%. Por fim, investigamos possíveis substituições químicas em derivados de C60. A partir desse estudo, notamos padrões de comportamentos nos níveis eletrônicos ocasionados de acordo com o tipo de substituinte
Today, there is a great demand in the development of new energy resources. One of the possible alternatives for energy production are solar cells and, among them, organic solar cells. They still have low efficiency in energy conversion, therefore a lot of research has been conducted in order to improve their characteristics. In this work we studied the electron acceptor components, used in the active layer of organic solar cells, specifically those formed by C60 and its derivatives, which have been widely studied because their good charge transport properties. These studies mainly aim at adjusting the electronic levels, thus enabling the increase of the open circuit voltage and increasing the efficiency of energy conversion. In this work we propose a methodology that provides good results in the representation of the structural and electronic properties of the systems hereby studied. This methodology is a mix of semiempirical and ab initio theory levels. We also investigated methods to correlate the electronic properties of materials studied with the open circuit voltage, as this is directly linked to the efficiency of organic solar cells. Through this work we found a method to simulate the open-circuit voltage with a medium deviation of 13%. And finally, we investigate possible chemical substitutions on the C60 derivatives. From this study, we observed patterns in electron levels behavior caused according to the type of the substituent

[ES] El objetivo principal de esta tesis es contribuir al avance de nuevas técnicas de elaboración con bajo coste, utilizando materiales tipo de cobre, indio, galio y selenio CIGS y Perovskita para aplicaciones en energía solar fotovoltaica. CIGS parecen ser adecuadas ya que son de bajo costo de producción y se han reportado eficiencias de conversión del 23,35%. Por otro lado, las perovskitas híbridas de haluros de plomo orgánicos-inorgánicos han aparecido como nuevos materiales excepcionales para celdas solares, especialmente porque la eficiencia de las celdas solares basadas en perovskita ha aumentado del 3.8% al 22.7% en menos de un lustro. Este trabajo se ha dedicado a experimentar sobre la elaboración y caracterización de CIGS y los perovskitas de metilamonio de yoduro de plomo de (MAPbI3) y formamidinio de yoduro de plomo (FAPbI3), que se utilizo tanto en la aplicación a las células solares de perovskitas y en las células Tándem CIGS-perovskita. Las películas se caracterizaron por difracción de rayos X, espectroscopía Raman, microscopía electrónica de barrido, análisis de espectroscopía de energía dispersiva, microscopía de fuerza atómica, transmisión electrónica microscopía, fotoluminiscencia y espectroscopia UV-Vis. En las capas de CIGS depositadas por electrodeposición se investigó el efecto de diferentes parámetros, También investigamos en detalle el efecto del contacto posterior en las propiedades estructurales y ópticas de CIGS. Constatamos que el tipo de contacto posterior tiene un efecto significativo en el rendimiento posterior de las películas delgadas CIGS. Además, estudiamos la técnica de espray pirólisis para producir películas CIGS. Se estudió el proceso de recocido, que es el factor clave para mejorar el rendimiento de las células solares. Se elaboraron diferentes películas delgadas constituidas de nuestro dispositivo CdZnS/CdS/CIGS/Mo eso utilizó una capa conductora transparente de CdZnS para minimizar la alineación de la interfaz. Por otro lado, se analizó el proceso de cristalización y la estabilidad de las capas MAPbI3. Las capas de MAPbI3 se trataron añadiendo antisolvente a diferentes velocidades. Durante el tratamiento se producen intercambios complejos que influencian muchas propiedades fisicoquímicas. Se investigaron las propiedades ópticas y eléctricas de las películas de MAPbI3. Para mejorar la estabilidad de MAPbI3, se incorporó tetrabutilamonio (TBA), observando una mejora en la formación de la estructura perovskita que crece en la dirección preferente (110). La fase cristalina de MAPbI3 dopada con TBA presenta mejor cristalinidad, gran tamaño de grano, morfología superficial sin poros lo que es adecuado para la fabricación de dispositivos optoelectrónicas con mayor rendimiento. Además, hemos identificado el impacto de TBA en las propiedades foto físicas de MAPbI3. En las muestras de TBA:MAPbI3 aumenta la intensidad de la fotoluminiscencia al reducir la densidad de los estados de trampa y la absorción óptica muestra un cambio significativo hacia longitudes de onda más largas y la banda prohibida óptica varió de 1.8 a 1.52 eV. Finalmente, las muestras dopadas con 5% TBA mejoraron su estabilidad y se encontró que después de 15 días la estabilidad permanecía excelente en una humedad de ~ 60%. Por otra parte, investigamos el efecto de guanidinio (GA) sobre las propiedades estructurales y ópticas de FAPbI3. La relación entre la fase a de perovskita deseable y la fase indeseable y se ha estudiado en función del contenido de GA. Se comprobó que el dopaje con GA es eficaz en el control de la relación de fases a/y y luego en la estabilización de la fase a. Los resultados muestran que añadiendo una cantidad adecuada del 10% GA conduce a una mejora de película de perovskita que se evidencia en la homogeneidad de la fase a estable, granos de mayor tamaño y capas libres de poros. Además, 10% GA:FaPbI3 demostraron una excelente estabilidad después de ser envejecidas durante 15 días en un ambiente con humedad relativa del 60%.
[EN] The thesis work presented is part of the work in the Laboratory of New Materials for Photovoltaic Energy in the main target to use low cost techniques for elaboration of Perovskite and Copper, indium, gallium, and selenium CIGS materials for photovoltaic application. Organic-inorganic lead halides perovskites have currently and exceptionally appeared as new materials for low cost thin film solar cells specially that the efficiency of perovskite based solar cell have jumped from 3.8% to 22.7% in short time.in other hand, CIGS solar cells record 23.35% efficiency and still can be boosted. Here, we report the elaboration and characterization of CIGS as well as methylammonium lead iodide perovskites MAPbI3 and formamidinuim iodide lead iodide perovskites FAPbI3 absorbers for perovskite-based solar cells and Tandem Perovskites/ CIGS. The thin films prepared were characterized by X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy (RS), scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS) analysis, atomic force microscopy (AFM), transmission electron microscopy (TEM), Photoluminescence analysis (PL) and UV-Vis spectroscopy. The first stage was devoted for the effect of different parameters on the growth of CIGS by electrodeposition and we investigate the impact of different back contact in structural and optical proprieties. In a second stage, we report the growth of CIGS films by spray pyrolysis, we studied the effect of experimental parameter also the annealing process which is the key factor for improving the performance of solar cells,subsequently we elaborated different films constituted CdZnS/CdS/CIGS/Mo solar cells, the approach is to change the toxic ZnO by using a transparent, conductive CdZnS layer. In other hand, MAPbI3 film was investigated in order to optimize the chemical composition and to study the crystallization process also to get sight about the stability of perovskite materials to meet the requirement of their application as an active layer in perovskite solar cell. For this purpose. the MAPbI3 film surface was treated by adding diethyl ether antisolvent with different rates. during the treatment complex exchanges are appearing at the same time under the influence of quite a lot of physicochemical properties. A whole understanding of this topic is critically important for improving solar cell performance. MAPbI3 doped by the tetrabutylammonium TBA is boosting the formation of perovskite structure, leading to a higher orientation along the (110) and shows better crystallinity, large grain size, pinhole-free, which is suitable for the manufacturing of the optoelectronic devices with higher performance. Also, we have identified the impact of TBA in the photo-physical properties, we have noticed that the TBA improve the photoluminescence emission by reducing the density of trap states and the optical absorption indicates a significant shift to the lower wavelength and optical bandgap varied from 1.8 to 1.52 eV. Finally, the stability was explored for 5% TBA, it found that after 15 days the stability remained excellent in relative humidity of ~60%. These results would be helpful for realizing stable and high performance MAPbI3-based devices. Furthermore, we inspect the effect of monovalent cation substitution of Guanidinium (GA) on the structural and optical properties of FAPbI3 thin films perovskites. The ratio between the desirable a-phase and the undesirable y yellow phase is studied as a function of GA content. GA doping is shown to be efficient in the control of a/y phases ratio and then in the stabilization of the a-FaPbI3 phase. We qualitatively evaluate the impact of 10% of guanidinium on the phase composition and microstructure of films. The results show that an adequate amount of 10% GA:FaPbI3 leads to a homogeneous perovskite film with stable a phase, large grains, and free pinholes. 10% GA: FaPbI3 films demonstrate excellent stability after aging for 15 days in relative humidity of~60%.
[CA] L'objectiu principal d'aquesta tesi és contribuir a l'avanç de noves tècniques d'elaboració de baix cost, fent servir materials d'aliatges del tipus de coure, indi, gal·li i seleni (CIGS) i perovskites, per a aplicacions en energia solar fotovoltaica. El CIGS sembla ser adequat ja que són de baix cost de producció i s'han reportat eficiències de conversió del 23,35%. D'altra banda, les perovskites híbrides d'halurs de plom orgànics-inorgànics han aparegut com a nous materials excepcionals per cel·les solars, especialment perquè l'eficiència de les cel·les solars basades en perovskites ha augmentat del 3.8% al 22.7% en menys d'un lustre. En el present treball, reportem l'elaboració i caracterització de CIGS y de perovskitas de iodur de plom de metilamoni (MAPbI3) i de iodur de plom de formamidini (FaPbI3) per a les cèl·lules solars de CIGS i tàndem Perovskites/CIGS. En les capes de CIGS dipositades per electrodeposició es va investigar l'efecte dels diferents paràmetres sobre el procés d'electrodeposició, així com l'efecte del contacte posterior sobre les propietats estructurals i òptiques del CIGS. Ens trobem que el tipus de contacte posterior té un efecte significatiu en la posterior interpretació de pel·lícules primes CIGS. A més, vam estudiar la tècnica de polvorització de la piròlisi per produir pel·lícules de CIGS. Es va estudiar el procés de recuit, que és el factor clau per millorar el rendiment de les cèl·lules solars. Es van produir diferents pel·lícules fines formades pel nostre dispositiu CdZnS/CdS/CIGS/Mo que utilitzaven una capa conductiva CdZnS transparent per minimitzar l'alineació de la interfície. D'altra banda, es van investigar perovskites MAPbI3, amb la finalitat d'optimitzar la composició química i estudiar el procés de cristal·lització també per a conèixer l'estabilitat dels materials de perovskita. la cristal·lització s'aconsegueix alentint la solubilitat en una solució saturada mitjançant l'addició d'una quantitat diferent de l'antisolvent d'èter dietílic. Durant el tractament apareixen al mateix temps intercanvis complexos sota la influència de moltes propietats fisicoquímiques. Una comprensió completa d'aquest tema és de vital importància per a millorar el rendiment. Amb l'objectiu principal d'augmentar l'estabilitat de MAPbI3, el tetrabutilamoni (TBA) es pot incorporar a MAPbI3, impulsant la formació de l'estructura de perovskita, la qual cosa porta a una major orientació al llarg de (110). MAPbI3 dopades amb TBA presenten una millora de la cristalinitat, major grandària, la qual cosa és adequada per a la fabricació de dispositius optoelectròniques de major rendiment. A més, hem identificat l'impacte de TBA en les propietats foto físiques de MAPbI3. Hem notat que el dopatge amb TBA millora tant l'emissió de la fotoluminiscència en reduir la densitat dels estats de trampes com l'absorció òptica on apareix un canvi significatiu de la banda òptica prohibida cap a longituds d'ona més llargues que significa disminuir l'energia del gap, que va variar de 1.8 a 1.52 eV. Finalment, es va explorar l'estabilitat per les perovsquites dopades amb 5%TBA. Es va trobar que després de 15 dies l'estabilitat romania excel·lent en un humitat de 60%. A més, hem estudiat FAPbI3 com un dels materials de perovskita més atractius. Hem investigat l'efecte de la substitució de guanidini (GA) sobre les propietats estructurals i òptiques de FAPbI3. La relació entre la fase a de perovskita desitjable i la fase indesitjable y es va estudiar en funció del contingut de GA. Es mostra que el dopatge amb GA és eficaç en el control de la relació de fases a /y i després en l'estabilització de la fase a-FaPbI3. Els resultats mostren que una quantitat adequada de 10% GA condueix a una pel·lícula homogènia amb fase a estable, grans grans lliures de porus i forats. Les pel·lícules de 10% GA:FaPbI3 demostraren una excel·lent estabilitat després de l'envelliment durant 15 dies en un ambient humit (humitat relativa de 60%).
Bouich, A. (2020). Study and Characterization of Hybrid Perovskites and Copper-Indium-Gallium Selenide thin films for Tandem Solar Cells [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/160621
TESIS

Orientadores: Vitor Baranauskas, Helder José Ceragioli
Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação
Made available in DSpace on 2018-08-27T01:34:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_ThiagoFranchiPereirada_D.pdf: 9373432 bytes, checksum: 13a36b35d789088396a134f65246b3a9 (MD5) Previous issue date: 2015
Resumo: Células solares orgânicas e inorgânicas representam uma excelente alternativa como fonte de energia renovável. Este trabalho consiste em aplicar nanoestruturas de carbono obtidas pela técnica HFCVD (Hot Filament Chemical Vapour Deposition) como componentes utilizados na construção e melhoria de células solares orgânicas (organic photovoltaics - OPVs) e células sensibilizadas por corante (dye-sensitized cells - DSCs). Foi obtido óxido de grafeno reduzido (rGO), carbono tipo diamante (DLC - diamondlike carbon) e diamante condutor nanoestruturado. Estes materiais foram caracterizados por microscopia eletrônica de varredura (SEM-FEG), microscopia de transmissão de alta resolução (HRTEM), espectroscopia Raman e análise termogravimétrica (TGA). O rGO foi empregado na construção das células DSC misturado na pasta de TiO2 em diferentes concentrações, produzindo o aumento de fotocorrente gerada e, consequentemente, o rendimento. O mesmo material foi empregado nas OPVs, em diferentes concentrações, para a substituição do fulereno PCBM (1-(3-metoxicarbonil)-propil-1-1-fenil- (6,6)metanofulereno) e também em conjunto com o fulereno, sendo observada também a melhoria no desempenho dos dispositivos em função da concentração. Com finalidade de substituir os contraeletrodos das células DSC, carbono tipo diamante foi depositado em substrato de alumínio (Al) e diamante condutor nanoestruturado depositado em substratos de nióbio (Nb). As células com contraeletrodos de Al com filme de DLC apresentaram sensibilidade à luz, com possibilidade de aplicação em sensores ópticos, enquanto as células com contraeletrodos de Nb com filme de diamante condutor apresentaram excelente desempenho, tornando possível a substituição dos contraeletrodos de platina
Abstract: Organic and inorganic solar cells comprise a promising solution as a renewable energy source. This work consists of applying carbon nanostructures obtained by HFCVD technique (Hot Filament Chemical Vapour Deposition) as components used in the construction and improvement of organic solar cells (organic photovoltaics - OPVs) and dye sensitized cells (dye-sensitized cells - DSCs). Reduced graphene oxide (rGO), carbon diamond-like (DLC - diamond- like carbon) and nanostructured conductor diamond was obtained. These materials were characterized by scanning electron microscopy (SEM-FEG), high resolution transmission microscopy (HRTEM), Raman spectroscopy and thermal gravimetric analysis (TGA). Reduced graphene oxide was used for the construction of the DSC cell at the TiO2 layer mixed in different concentrations, producing an increase in photocurrent generated and thus conversion efficiency. The same material was used in the OPVs at different concentrations for the replacement of fullerene PCBM (1- (3-methoxycarbonyl) -propyl-1-1-phenyl- (6,6) metanofulereno) and with the fullerene was also observed improvement in performance of the devices as a function of concentration. With aim of replacing the counterelectrode of DSCs cells, diamond-like carbon was deposited on aluminum substrate (Al) and nanostructured conductive diamond deposited on niobium (Nb) substrates. Cells with Al/DLC counterelectrode showed sensitivity to light, with the possibility of application in optical devices while cells with Nb/nanostructured conductive diamond counterelectrode showed excellent performance, with possibility to replace platinum counterelectrodes
Doutorado
Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica
Doutor em Engenharia Elétrica

Orientador: Carlos Frederico e Oliveira Graeff
Banca: André Sarto Polo
Banca: Fenelon Martinho Lima Pontes
Banca: Francisco das Chagas Marques
Banca: José Humberto Dias da Silva
Resumo: Este projeto consiste na produção e estudo das propriedades de novos materiais para a otimização de células solares sensibilizadas por corante (DSSC) baseadas em filmes de TiO2 nanoestruturado e corantes da família do N3. A pesquisa foi focada no estudo e na otimização de novos contra elétrodos baseados em CuS e CoS nanoestruturados, os quais apresentam grande interesse no setor de pesquisa e desenvolvimento industrial, pelas suas promissoras características eletrocatalíticas e pelos seus baixos custos. Além da obtenção das nanopartículas de CuS e CoS pela técnica hidrotermal assistida por micro-ondas, um grande esforço foi feito a fim de obter tintas precursoras ideais para a deposição dos filmes de CuS e CoS pela técnica de screen-printing, compatível com as modernas linhas de produção industriais. Portanto, foram desenvolvidos e otimizados métodos simples, rápidos e de baixo custo para obter filmes finos dos materiais estudados. Em particular tivemos um grande sucesso utilizando a estratégia do precursor químico dissolvido em solventes. Na primeira aplicação deste método, um precursor químico (Co(II) dietilditiocarbamato) foi utilizado em tintas à base de CH2Cl2. Foram obtidos elétrodos de CoS nanocristalinos e de alta eficiência. Todavia o uso do solvente orgânico clorado não é muito apropriado para grandes superfícies. Portanto, desenvolvemos um método baseado num precursor químico do CoS hidrossolúvel e de baixa toxidade. Com este método aprimorado foram obtidos bons re... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo)
Abstract: This project consists of the production and study of new materials for the optimization of dye-sensitized solar cells (DSSC) based on nanostructured TiO2. The research was focused on the design and optimization of new counter electrodes based on CuS and CoS nanoparticles, which are very interesting in the research and development of DSSC, due to their promising electrochemical characteristics and for their lower costs. Along with the hydrothermal technique assisted by microwave, a great effort was made to obtain optimum precursor inks for deposition of CuS and CoS films by screen-printing technique, compatible with modern industrial production lines. Hereby facile, inexpensive and rapid methods for thin films have been developed and optimized for the deposition of CuS and CoS layers. In particular, we developed a chemical precursor process using solvent-based inks. In the first application of this approach, a chemical precursor CoS (Co (II) diethyldithiocarbamate) was used in CH2Cl2. Nanocrystalline CoS electrodes and high efficiency have been obtained, however the use of chlorinated organic solvent is not very suitable for large surfaces. Therefore, we developed a method based on a water-soluble (WS) chemical precursor. Good results have been obtained, in terms of stability and efficiency, with the WS precursor. The counter electrode developed with our methods were tested with alternative redox pairs such as Co2+/Co3+ and ferrocene. Such an application of CuS and CoS electro... (Complete abstract click electronic access below)
Mestre

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:31:32Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2010-02-26Bitstream added on 2014-06-13T20:02:11Z : No. of bitstreams: 1 goes_ms_dr_araiq.pdf: 3670097 bytes, checksum: d69a455bd6ce2d38167baa998e957859 (MD5)
Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)
Diferentes morfologias nanoestruturadas foram estudadas por Espectroscopia de Impedância visando ampliar as suas funcionalidades em células solares. As análises realizadas em células solares sensibilizadas por corante à base de nanotubos de ZnO são reportadas. Essas células exibiram uma alta eficiência para coleta dos elétrons ao longo dos nanotubos de ~64 μm de comprimento. A Espectroscopia de Impedância Eletroquímica, a análise de potencial de circuito aberto e de conversão dos fótons incidentes em corrente elétrica foram usados para estudar o transporte e o tempo de vida das cargas elétricas durante o processo de conversão de energia. Apesar de o fotoanodo ser relativamente extenso, o tempo de extração da carga foi muito mais rápido do que o observado para nanopartículas de TiO2 tradicionais aplicados a esse tipo de célula. A coleta rápida dos elétrons é de importância prática porque permite uma alternativa ao uso do par redox convencional ( ), uma vez que a dinâmica na intercepção do elétron é mais rápida ocasionando uma significativa redução de perda na fotocorrente. Em outra frente são relatadas as análises efetuadas em células à base de TiO2 recobertas com ZrO2 e que empregam Spiro-OMeTAD como molécula condutora de buracos. Filmes mesoporosos de TiO2 recobertos com ZrO2 foram utilizados como elétrodos ativos para aplicação em células solares do estado sólido, sendo que os dispositivos foram caracterizados por Espectroscopia de Impedância Eletroquímica. A técnica de deposição de camadas atômicas de ZrO2 foi usada com o intuito de passivar os estados de aprisionamento superficiais durante o funcionamento do dispositivo. Isso foi realizado mediante o recobrimento (precisão em Angström) dos filmes mesoporosos de TiO2 com óxido de zircônio. Foi possível verificar que o recobrimento produz um aumento no desempenho geral da...
Different nanostructured anode morphologies - aiming at extending the functionality in solar cells - had been studied by Electrochemical Impedance Spectroscopy. The analyses were carried out in dye-sensitized solar cells based on ordered arrays of polycrystalline ZnO nanotubes. These cells exhibit efficient electron collection over the entire photoanode of ~64 μm length. Electrochemical Impedance Spectroscopy, open circuit photovoltage decay and incident-photon-to-current efficiency spectra are used to quantify conductivity and lifetime. Although the photoanode used is relatively long, the extraction time was faster than in traditional photoanodes based on TiO2 nanoparticles. The fast collection of electrons is of practical importance; it allows an alternative to the use of the conventional redox electrolyte ( ), because electron-interception dynamics is faster, which reduces significantly the photocurrent loss. On the other hand, solid-state dye-sensitized solar cells based on TiO2/ZrO2 core/shell nanoparticles, using a hole transport molecule named Spiro-OMeTAD, were also characterized. The atomic layer deposition technique was used with the intention of passivating the TiO2 surface with ZrO2. It was observed that the coating enhances the general performance of the photoelectrochemical cell after two ZrO2 deposition cycles. The Electrochemical Impedance Spectroscopy measurements provided evidence that the ZrO2 coating reduces recombination losses at the TiO2/Spiro-OMeTAD interface. Besides, the technique showed that the ZrO2 coating reduces the inductive effect at low frequency, this reduction being attributed to the passivation of localized surface states. Finally, results on the study of the effect of the Spiro-OMeTAD concentration (5 to 25 %) in the fabrication of solar cells, are discussed. Variations in recombination and capacitance correlate well with the ... (Complete abstract click electronic access below)

Orientadores: Francisco das Chagas Marques, Ana Flávia Nogueira
Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin
Made available in DSpace on 2018-08-26T08:45:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Coutinho_NataliadeFaria_M.pdf: 12394800 bytes, checksum: 1d28bb92259a5c9eb6848a0fe678b6b3 (MD5) Previous issue date: 2014
Resumo: A demanda mundial de energia elétrica tem crescido muito nas últimas décadas, o que tem levado a uma busca mais expressiva por fontes de energia renováveis e sustentáveis. Deste modo, as células solares, que através do efeito fotovoltaico convertem a energia proveniente do sol em energia elétrica, tem ganhado atenção. Dentre os vários tipos de células solares, se encontram as células solares sensibilizadas por corante, DSSC, que têm ganhado interesse de estudiosos da área por apresentarem uma possibilidade de geração de energia elétrica a baixo custo. Para que essas células ganhem competitividade no mercado, é necessário que suas eficiências aumentem, e é nesse ramo de pesquisa que o presente trabalho se coloca. Este trabalho foi baseado no estudo e otimização da eficiência de células solares sensibilizadas por corante, onde verificamos a influência de vários fatores na eficiência das células. Dentre eles, se encontram o processo de manufatura das células, o pós-tratamento de TiCl4 sobre o filme nanoestruturado de TiO2, a composição da pasta de TiO2 e do eletrólito líquido, o método de deposição da Pt no contra-eletrodo, e a utilização de uma camada espalhadora de luz com nanopartículas de TiO2 da ordem de 200nm. Além disso, um estudo a respeito do efeito de uma blocking layer de TiO2 entre o FTO e o filme nanoestruturado de TiO2, depositada pela técnica conhecida como atomic layer deposition, ALD, também foi realizado, o que levou a um aumento na eficiência das células. Através desses estudos, conseguimos aumentar a eficiência das células em até 90% se comparado às primeiras células que produzimos (de 3,9% a 7,4%), atingindo valores de tensão de circuito aberto Voc, densidade de corrente de curto-circuito Jsc, fator de preenchimento FF e eficiência ? de até 0,71V, 14,38mA/cm2, 0,67 e 7,4%, respectivamente. Deste modo, uma melhora significativa na performance das células foi observada, chegando a resultados comparáveis aos obtidos por diversos grupos de pesquisa em todo o mundo
Abstract: World demand for electricity has grown in the last decades, which has led to a more expressive search for renewable and sustainable energy sources. Consequently, solar cells have been getting attention because of their capacity to convert energy from the sun into electrical energy through the photovoltaic effect. Among the various types of solar cells, there are the dye-sensitized solar cells, DSSC, which have gained interest of the solar cell community for having a possibility of power generation at low cost. In order to these cells get market competitiveness, it is necessary to increase their efficiency, and this is the research field that the present work is placed into. This thesis was based on the study and optimization of dye-sensitized solar cells efficiency, where we could see the influence of various factors in cells efficiency. Among these, there are the cells manufacturing process, the post-treatment on nanostructured TiO2 films using a TiCl4 solution, the composition of the TiO2 paste and the liquid electrolyte, the method of Pt deposition at the counter electrode, and the use of a reflecting layer with 200nm TiO2 nanoparticles. In addition, a study of the effect of a TiO2 blocking layer between the FTO and the nanostructured TiO2 film deposited by the technique known as atomic layer deposition, ALD, was also performed, which led to an increase in cells efficiency. Through these studies, we could increase cells efficiency by up to 90% compared to the first cells we produced (from 3,9% to 7,4%), reaching values of open circuit voltage Voc, short circuit current density Jsc, fill factor FF and efficiency _ of up to 0,71V, 14,38mA/cm2, 0,67 and 7,4%. Thus, a significant improvement in cells performance was observed, reaching results comparable to that obtained by many research groups around the world
Mestrado
Física
Mestra em Física

Orientador: Maria Aparecida Zaghete Bertochi
Banca: Talita Mazon
Banca: Fenelon Martinho Lima Pontes
Banca: Luiz Vicente de Andrade Scalvi
Banca: Claudia longo
O Programa de Pós Graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais, PosMat, tem caráter institucional e integra as atividades de pesquisa em materais de diversos campi
Resumo: O desenvolvimento das células solares de perovskita foi acompanhado por uma revolução no campo dos dispositivos fotovoltaicos. Células solares de perovskita atingiram eficiências de conversão de energia maiores que 21% em apenas 5 anos após sua descoberta, colocando-as em competição com as células solares comerciais de silício. Apesar de promissores, os dispositivos de perovskita enfrentam desafios que impedem sua comercialização, sendo o maior deles o problema de estabilidade. Nesse âmbito, a presente tese teve como principal foco o desenvolvimento de células solares de perovskita baseadas em filmes nanoestruturados de Nb2O5 e TiO2, visando melhor compreensão do funcionamento desses dispositivos afim de se obter a solução dos problemas hoje enfrentados. Os resultados obtidos mostram eficiências maiores que 13% para o sistema: filme compacto de Nb2O5/ filme mesoporoso de TiO2/ CH3NH3PbI3; e eficiências tão elevadas quanto 15% para sistema usando filme compacto e mesoporoso de TiO2/ CH3NH3PbI3. As melhores células solares montadas com filmes compactos de Nb2O5 apresentaram correntes de curto circuito de 19 mA/cm2, tensão de circuito aberto de 960 mV, fator de preenchimento de 75% e eficiências de 13%. Para as células formadas com filmes de compactos de TiO2 foram obtidas correntes de curto circuito de 20 mA/cm2, tensão de circuito aberto de 1V, fator de preenchimento de 70% e eficiências de 15%. A estabilidade dos dispositivos e a presença de histerese nas curvas de tensão-cor... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo)
Abstract: The development of perovskite solar cells was accompanied by a revolution in the photovoltaics field. Perovskite solar cells have reached higher energy conversion efficiencies of 21% in just 5 years after its discovery, putting them in competition with commercial silicon solar cells. Although promising, the perovskite devices face some challenges which delay their commercialization, and one of most important is the stability. In this context, the present thesis intended the development of perovskite solar cells based on nanostructured films of Nb2O5 and TiO2, in order to better understand the functioning of these devices. Efficiencies up to 13% were obtained for the system composed of: compact Nb2O5 / mesoporous TiO2/ CH3NH3PbI3 and efficiencies as high as 15% for compact system using compact TiO2/ mesoporous TiO2/ CH3NH3PbI3. The best solar cells prepared using compact Nb2O5 films showed a short circuit current of 19 mA/cm 2, open circuit voltage of 900 mV, fill factor of 75% and 13% of efficiency. Devices prepared using compact TiO2 films reached short circuit current of 20 mA/cm2, open circuit voltage of 1V, fill factor of 70% and 15% of efficiency. The stability of the devices and the presence of current-voltage hysteresis were studied by changing parameters such as the composition and the thickness of the compact layer (TiO2 vs. Nb2O5), as well as the synthesis method used to prepare the perovskite films (sequential deposition method vs solvent-engineering method). Ove... (Complete abstract click electronic access below)
Doutor

Mestrado em Engenharia Física
Neste trabalho produziu-se e estudou-se um grupo de 4 dye-sensitized solar cells (células solares activadas por corante), também conhecidas por células de Grätzel, durante um período de 9 meses a fim de se observar, caracterizar e compreender a variação do desempenho e do comportamento eléctrico e físico de cada uma delas, não só de um ponto de vista qualitativo, mas também quantitativo. Utilizou-se para tal um conjunto de técnicas de caracterização que abrangeram tanto aspectos ópticos e morfológicos (espectrofotometria e microscopia electrónica de varrimento), quanto aspectos eléctricos e difusivos (curvas -, OCVD e espectroscopia de impedância). A partir dos resultados foi possível conhecer alguns factores responsáveis pela degradação do desempenho das células ao longo do tempo, conhecimento este que será útil no aprimoramento destes dispositivos. ABSTRACT: In this work, a group of 4 dye-sensitized solar cells, also known by Grätzel cells, was produced and studied throughout 9 months, in order for the performance, electrical and physical behaviour to be observed, characterized and understood, not only from a qualitative point of view, but also quantitatively. A set of techniques, comprised of spectrophotometry, scanning electron microscopy, - curves, OCVD and impedance spectroscopy was employed to provide optical, morphological, electrical and diffusive information related to each cell. From the collected data, it was possible to figure out a few factors responsible for the observed decrease in the cells’ performance over time, a knowledge that is going to be useful in the improvement of these devices.

Els avenços en les tecnologies d'energia renovable encara permeten obtenir bons rendiments amb un cost menor que els preus dels combustibles fòssils. L'energia fotovoltaica (cèl·lules solars) és la tecnologia d'energia solar més desenvolupada pel fet que converteix directament l'energia de la llum solar en electricitat. Les cèl·lules solars orgàniques basades en polímers: materials de fullerne (PSC) es consideren una font d'energia prometedora de baix cost. Avui dia, els PSC han d'exhibir alta eficiència, llarga vida útil, fabricació de baix cost i qualitats amigables amb el medi ambient per a la seva comercialització a gran escala. Aquí es va descriure la fabricació, el modelatge i la caracterització de cèl·lules solars orgàniques basades en polímers amb arquitectura invertida (iPSCs). La tesi se centra en l'estudi de la millora simultània de l'eficiència i l'estabilitat a llarg termini dels iPSCs basats en polímers: fullerens. Els polímers PTB7 i PTB7-Th es van usar com materials donants d'electrons, mentre que el fullereno PC70BM es va usar com a acceptor d'electrons. Es van usar òxid de zinc (ZnO) i òxid de titani (TiOx) com capes de transport d'electrons (ETL), a més es va usar PFN per a propòsits de comparació. Tots els dispositius iPSC es van caracteritzar per mètodes òptics, elèctrics i fotofísics per tal de comprendre els mecanismes de pèrdua involucrats en el procés de degradació. Es van usar models de circuits equivalents per analitzar les característiques de J-V en la foscor i es van usar dades d'impedància espectroscòpica per identificar l'origen dels mecanismes de pèrdua. En aquesta tesi es van demostrar cèl·lules solars orgàniques d'alta eficiència i estables basades en PTB7: PC70BM i PTB7-Th: PC70BM amb arquitectura invertida. A més, el TiOx utilitzat com a capa de transport d'electrons és crucial per millorar l'eficiència i l'estabilitat dels iPSCs. Finalment, també es va demostrar que les capes de ZnO dipositades mitjançant impressió per raig de tinta es poden aplicar amb èxit a la fabricació de iPSCs d'alta eficiència a escala de laboratori.
Los avances en tecnologías de energía renovable permiten obtener buenos rendimientos con un costo menor que los precios de los combustibles fósiles. La fotovoltaica es la tecnología de energía solar más desarrollada debido a que convierte directamente la energía de la luz solar en electricidad. Las células solares orgánicas basadas en polímeros: materiales de fullereno (PSC) se consideran una fuente de energía prometedora de bajo costo. Hoy en día, PSC deben exhibir alta eficiencia, larga vida útil, fabricación de bajo costo y cualidades amigables con el medio ambiente para su comercialización a gran escala. Aquí se describió la fabricación,modelado y caracterización de células solares orgánicas basadas en polímeros con arquitectura invertida (iPSCs). La tesis se centra en el estudio de mejoras simultáneas de la eficiencia y estabilidad a largo plazo de iPSCs basados en polímeros: fullerenos. Los polímeros PTB7 y PTB7-Th se usaron como materiales donantes de electrones, mientras que el PC70BM se usó como aceptor de electrones. Se usaron óxido de zinc (ZnO) y titanio (TiOx) como capas de transporte de electrones (ETL), además se usó PFN para propósitos de comparación. Todos los dispositivos iPSC se caracterizaron por métodos ópticos, eléctricos y fotofísicos con el fin de comprender mecanismos de pérdida involucrados en el proceso de degradación. Se usaron modelos de circuitos equivalentes para analizar las características de J-V en oscuridad y se usaron datos de impedancia espectroscópica para identificar el origen de los mecanismos de pérdida. En esta tesis se demostraron células solares orgánicas de alta eficiencia estables basadas en PTB7: PC70BM y PTB7-Th: PC70BM con arquitectura invertida. Además, TiOx utilizado como capa transportadora de electrones crucial para mejorar la eficiencia y la estabilidad de los iPSCs. Finalmente, también se demostró que las capas de ZnO depositadas mediante impresión por chorro de tinta se pueden aplicar con éxito para fabricación de iPSCs de alta eficiencia a escala de laboratorio.
The advances on the renewable energy technologies still allow obtaining good performances with lower cost than fossil fuel prices. Photovoltaics (solar cells) is the most developed solar energy technology due to converts directly the sunlight energy into electricity. The organic solar cells based on polymer:fullerne materials (PSCs) are considered as a promising low-cost energy source. Nowadays, the PSCs must exhibit high efficiency, long lifetime, low-cost fabrication, and environmentally friendly qualities for their large-scale commercialization. Herein the fabrication, modelling and characterization of polymer-based organic solar cells with inverted architecture (iPSCs) were described. The thesis focuses on the study of the simultaneous improvement of efficiency and long-term stability of iPSCs based on polymer:fullerenes. The polymers PTB7 and PTB7-Th were used as electron donor materials, whereas the fullerene PC70BM was used as the electron acceptor. Zinc oxide (ZnO) and titanium oxide (TiOx) were used as electron transport layers (ETL), moreover PFN was used for comparison purposes. All iPSC devices were characterized by optical, electrical and photophysical methods in order to understand the loss mechanisms involved in the degradation process. Equivalent circuit models were used to analyze the J-V characteristics in the dark and impedance spectroscopy data was used to identify the origin of the loss mechanisms. High efficient and stable organic solar cells based on PTB7:PC70BM and PTB7-Th:PC70BM with inverted architecture were demonstrated in this thesis. Moreover, TiOx used as an electron transport layer is crucial for improving the efficiency and the stability of iPSCs. Finally, it was also demonstrated that ZnO layers deposited by inkjet printing can be successfully applied to the fabrication of high efficiency iPSCs at laboratory scale.

Orientador: Francisco Carlos Lavarda
Banca: Julio Ricardo Sambrano
Banca: Fernando Sato
O Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais, PosMat, tem caráter institucional e integra as atividades de pesquisa em materiais de diversos campi da Unesp
Resumo: Hoje existe uma necessidade de novos polímeros com propriedades ajustadas para utilização em camadas ativas de céluas solares, uma vez que os materiais mais utilizados ainda não são eficientes, nem suficientemente estáveis, de modo que possam substituir os dispositivos de silício. O poli(3-hexiltiofeno) (P3HT), é um polímero amplamente utilizado em dispositivos fotovoltaicos, e muito importante em células solares. Tem sido relatado modificações na posição 4 das suas unidades monoméricas que levaram a novos polímeros com propriedades diferentes daquele sem modificações. O trabalho que será apresentado visou estudar as propriedades estruturais e ópticas do P3HT e possíveis alterações ocorridas devido às modificações realizadas na posição 4 de suas unidades monoméricas. Tal estudo utilizou ferramentas de cálculo de estrutura eletrônica de materiais, com os métodos PM6 e DFT. Concluímos que o P3HT em solução e no estado sólido não é plantar. Com o nosso modelo para o P3HT, através da conjunção dos métodos ZINDO-S/CIS, obtivemos um pico de absorção óptica teórico em clorofórmio de aproximadamente 385 nm, sendo este em boa concordância com o valor experimental. Em relação às substituições químicas, estudamos teoricamente 15 derivados de P3HT e os cálculos indicaram que é possível obter compostos com uma diminuiçao significativa do gap com estabilidade e solubilidade similares à do P3HT, principalmente com a ligação do átomos de oxigênio ou grupos orgânicos conjugados ao anel tiofênico
Abstract: Today there is a need new polymers with properties adjusted for use in active layers of solar cells since the most employed materials still are not efficient nor stable enough so that they can replace the silicon devides. The poly(3-hexylthioplene) (P3HT), is a polymer widely used in photovoltaic devices, and very important in solar cells. It has been reported modifications at position 4 of its monomeric units that led to new polymers with different properties than the pristine one. The work that will be presented aimed to study the structural and optical properties of P3HT and possible changes due to chemical substitutions made in position 4 of the monomer units. This study used tools calculating the electronic structure materials, with PM6 and DFT methods. We conclude that the P3HT, in solution and in the solid state, is not planar. With our model for the P3HT, through the combinations of the ZINDO-S/CIS methods, we obtained a theoretical optical absorption peak in chloroform of about 385 nm, in good agreement with the experimental value. In relation to the chemical substitutions, we studied 15 derivatives of P3HT and the calculations indicated that it is possible to obtain compunds with a significant decrease in the gap with stability and solubility similar to that of P3HT, especially with the binding of oxygen atoms or conjugated organic groups to the thiophenic ring
Mestre

Orientador: Francisco Carlos Lavarda
Banca: Luiz Carlos da Silva Filho
Banca: Welber Gianni Quirino
Resumo: Atualmente existe uma grande demanda no desenvolvimento de novas fontes de energia. Uma das possíveis alternativas para produção de energia são as células solares e, dentre estas, as células solares orgânicas. Estas ainda apresentam baixa eficiência na conversão de energia, por isso um grande número de pesquisas vem sendo realizadas com o intuito de melhorar suas características. No presente trabalho estudamos os componentes aceitadores de elétrons, utilizados na camada ativa das células solares orgânicas, especificamente aqueles formados por C60 e seu derivados, que têm sido amplamente estudados, devido ao seu bom desempenho. Estes estudos visam principalmente ajustar os níveis eletrônicos, assim possibilitando o aumento da tensão de circuito aberto e, por sua vez, aumentando a eficiência de conversão de energia. Nesse trabalho propõe-se uma metodologia que apresenta bons resultados na representação das propriedades estruturais e eletrônicas dos sistemas aqui estudados. Esta metodologia utiliza níveis de teoria semi-empíricos e ab initio. Também foram investigados métodos para correlacionar as propriedades eletrônicas dos materiais estudados com a tensão de circuito aberto, já que esta tensão está diretamente relacionada à eficiência das células solares orgânicas. Através deste trabalho encontramos um método capaz de simular a tensão de circuito aberto com desvio médio de 13%. Por fim, investigamos possíveis substituições químicas em derivados de C60. A partir desse estudo, notamos padrões de comportamentos nos níveis eletrônicos ocasionados de acordo com o tipo de substituinte
Abstract: Today, there is a great demand in the development of new energy resources. One of the possible alternatives for energy production are solar cells and, among them, organic solar cells. They still have low efficiency in energy conversion, therefore a lot of research has been conducted in order to improve their characteristics. In this work we studied the electron acceptor components, used in the active layer of organic solar cells, specifically those formed by C60 and its derivatives, which have been widely studied because their good charge transport properties. These studies mainly aim at adjusting the electronic levels, thus enabling the increase of the open circuit voltage and increasing the efficiency of energy conversion. In this work we propose a methodology that provides good results in the representation of the structural and electronic properties of the systems hereby studied. This methodology is a mix of semiempirical and ab initio theory levels. We also investigated methods to correlate the electronic properties of materials studied with the open circuit voltage, as this is directly linked to the efficiency of organic solar cells. Through this work we found a method to simulate the open-circuit voltage with a medium deviation of 13%. And finally, we investigate possible chemical substitutions on the C60 derivatives. From this study, we observed patterns in electron levels behavior caused according to the type of the substituent
Mestre

Orientadores: Paulo Roberto Mei, Francisco das Chagas Marques
Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica
Made available in DSpace on 2018-11-07T13:41:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Cortes_AndresaDeoclidiaSoares_D.pdf: 28493660 bytes, checksum: 9830a2bc4fe51f04b181cb72224978a8 (MD5) Previous issue date: 2011
Resumo: A principal barreira para a expansão do setor fotovoltaico corresponde ao elevado custo da produção do silício grau eletrônico (Si-GE) obtido pelo processo Siemens, matéria-prima para fabricação de mais de 85 % de todas as células fotovoltaicas. Em todo o mundo grupos de pesquisa trabalham em rotas metalúrgicas alternativas para purificação do silício grau metalúrgicas (Si-GM), a fim de produzir um material de menor pureza e de menor custo que o Si-GE, mas que ainda seja adequado para a produção de células fotovoltaicas. Esse material é chamado de silício grau metalúrgico melhorado (Si-GMM). Esta tese apresenta os resultados obtidos na produção do Si-GMM e na fabricação de células fotovoltaicas com o mesmo, testando também processos de gettering com fósforo para a captura de impurezas metálicas. Foram utilizadas, para comparação, lâminas comerciais de Si-GE importadas de diferentes empresas e lâminas de Si-GMM da empresa Rima Industrial S/A. Observou-se que a diferença de composição química entre as lâminas comerciais de Si-GE e as lâminas de Si-GMM da Rima Industrial S/A é devido à concentração de boro e de fósforo. Enquanto que no Si-GE a concentração de boro é menor que 0,1 ppm, no Si- GMM situa-se em torno de 3 ppm, ou seja, um valor 30 vezes maior. Soma-se a isto o fato destes dois elementos serem dopantes, os quais influenciam enormemente o desempenho das células fotovoltaicas. Com a associação de desgaseificação a vácuo em forno de feixe de elétrons e crescimento Czochralski foi possível obter um lingote de silício monocristalino com concentração total de impurezas metálicas igual a 6 ppm, sendo 5,5 ppm de boro, partindo de um silício grau metalúrgico com 219 ppm de impurezas metálicas e 5,5 ppm de boro, o que significa que nenhum dos processos reduziu o teor de boro do silício. A resistividade do silício desgaseificado a vácuo passou de 0,06 para 0,30 ohm.cm após crescimento Czochralski, indicando que o mesmo, além de reduzir a quantidade de impurezas metálicas, que passou de 13 para 6 ppm, também contribuiu para a melhoria da qualidade estrutural do silício ao produzir um lingote monocristalino. O uso de gettering de fósforo na fabricação de células de Si-GMM proporcionou um aumento no comprimento de difusão dos portadores de carga com consequente aumento da eficiência de conversão das mesmas. Dentre os processos de gettering aplicados, os que incluíram etapas de recozimento foram mais eficazes na captura de impurezas metálicas. O resultado obtido com o emprego do gettering na fabricação das células de Si-GMM purificado nesta tese atingiu o valor de 9,7 % de eficiência de conversão fotovoltaica. Com uma otimização no processo de produção de células chegou-se a 13 % de eficiência usando lâminas de Si-GMM com 3 ppm de boro e 3 ppm de fósforo, um valor recorde obtido com este tipo de silício na literatura
Abstract: The main barrier for expanding the photovoltaic industry corresponds to the high production costs of the Electronic grade silicon (EG-Si) obtained through the Siemens process, the raw-material for the production of more than 85% of all photovoltaic cells. Throughout the world, research groups work in alternative metallurgical routes to purify the Metallurgical grade silicon (MG-Si), in order to produce a material with lower purity and lower costs than EG-Si, but which is still adequate for the production of photovoltaic cells. Such material is called Upgraded Metallurgical grade silicon (UMG-Si). This thesis presents the results obtained during the production of UMG-Si and the manufacturing of photovoltaic cells with UMG-Si, also testing gettering processes with phosphorus in order to capture metallic impurities. For comparison, we used commercial EG-Si wafers imported from different companies, and UMG-Si wafers from the company Rima Industrial S/A. We observed that the difference in the chemical composition between the commercial EG-Si wafers and the UMG-Si wafers from Rima Industrial S/A is due to the boron and phosphorus concentration. While in EG-Si the boron concentration is lower than 0.1 ppm, in UMG-Si it corresponds to approximately 3 ppm, that is, a 30 times higher value. In addition to that, both elements are dopants, which markedly affect the development of the photovoltaic cells. With the association of vacuum degassing in an electron beam furnace and Czochralski growth, we were able to obtain a monocrystalline silicon ingot with a total metallic impurity concentration of 6 ppm, considering that 5.5 ppm is boron, from a Metallurgical grade silicon with 219 ppm of metallic impurities and 5.5 ppm of boron, which means that none of the processes reduced the silicon's boron amount. The resistance to the vacuum degassing silicon went from 0.06 to 0.30 ohm.cm after Czochralski growth, which indicates that, in addition to reducing the amount of metallic impurities, which went from 13 to 6 ppm, it also contributes to improve the silicon's structural quality by producing a monocrystalline ingot. The use of phosphorus gettering in the fabrication of UMG-Si cells provided an enhancement in the diffusion length of the charge carriers with a resulting increase in the conversion efficiency of the cells. Among the gettering processes applied, those that included annealing steps were more efficient in capturing metallic impurities. The result obtained by using gettering for the fabrication of purified UMG-Si cells in this thesis reached a 9.7 % efficiency rate for photovoltaic conversion. With an optimization of the cell production process, we reached a 13 % efficiency rate using UMG-Si wafers with 3 ppm of boron and 3 ppm of phosphorus, a record value obtained with this type of silicon in literature
Doutorado
Materiais e Processos de Fabricação
Doutora em Engenharia Mecânica

This thesis is devoted to the development of new annealing strategies via Rapid Thermal Processing (RTP) for Earth-abundant Cu2ZnSn(Sx,Se1-x) (CZTSSe) kesterite solar cells, which show a clear consensus amongst the scientific community as one of the most suitable production techniques for a posterior industrial implementation. RTP contains several advantages, mostly summarized in: the employment of fast heating halogen lamps in common with the industry, better suited for obtaining an accurate control of the process and the obtainment of high Se vapour pressures since the very beginning of the annealing, which in this thesis have been proven to have strong impacts on the final device characteristics. This thesis is englobed into the so-called sequential processes where the precursor and the absorber are obtained in different steps. It has been developed and optimized an annealing process for the baseline established at IREC, where the precursor is synthesized via sputtering and later annealed in a furnace. The aim of the developed annealing strategy has consisted on obtaining the fastest annealing possible without compromising the final efficiency and properties of the solar cell. Thanks to the annealing procedure stablished in this thesis, it could be reached up to 8.3% efficiency in an only 12 minutes annealing process. Once an RTP annealing procedure was developed and optimized, it was of key importance to deeply understand and comprehend the insights into the process and the formation pathways to synthesize the kesterite on it. In order to do so, the process was stopped at several intermediate key steps and strongly characterized, depicting the very early formation of the kesterite and that the kesterite synthesis process, for the RTP annealing procedure at IREC, it is driven by a competition between two formation mechanisms (ruled either via ternary or binary compounds). In this thesis is stated and commented why the formation mechanism driven by the ternary compound is preferred over the one ruled via binaries. In this thesis it is also provided a study about the kinetics present on the RTP process, where the kinetic orders for the different formation mechanisms to synthesize the kesterite are analysed, complemented by a deep and extensive analyse of the phases present through the process. By the combination of the kinetic and phase analysis, it is concluded that even the less favourable formation mechanism driven by binaries compounds can be reduced to a marginal extent yet it can never be completely overcome as it is always present. This process might end into detrimental secondary phases for the devices final performing, endorsing the necessity of extra processing steps such as chemical etchings to counteract their effects. Finally, in order to study the robustness of the annealing process stablished through this thesis, the RTP annealing process has been tested onto precursors synthesized by electrodeposition, instead of sputtering as usual in IREC’s standard baseline. Electrodeposited precursors have been obtained by the co-electrodeposition approach and later submitted to the RTP annealing. Efficiencies up to 5.2% have been achieved by this combination, which are the highest reported by this sequence so far, proving the robustness of the RTP annealing procedure developed and optimized in this thesis.
Esta tesis estudia el desarrollo de nuevas estrategias de recocido por Rapid Thermal Procesing (Procesos de Recocido Rápidos) para celdas solares de kesterita, Cu2ZnSn(Sx,Se1-x) (CZTSSe), gracias a que las celdas de kesterita únicamente poseen en su estructura materiales abundantes en la corteza terrestre y además, la producción por RTP es una de las técnicas que posee mayor consenso entre la comunidad científica para una plausible aplicación industrial posterior. Para la síntesis de la kesterita, la línea desarrollada en IREC se basa en los procesos secuenciales. En ellos se obtiene el precursor por sputtering y el absorbedor mediante hornos en etapas claramente diferenciadas. En esta tesis se presenta el estudio del desarrollo y optimización de un proceso de recocido basado en dos etapas por RTP, donde se busca minimizar el tiempo de recocido, sin comprometer las propiedades de la celda solar. Con susodicho proceso, se han llegado a obtener celdas con eficiencias de hasta 8.3% con un tiempo de recocido de solamente 12 minutos. A continuación, se presenta un estudio en profundidad sobre los entresijos del proceso de recocido, ayudando a esclarecer las partes intermedias del proceso, concluyendo que el proceso de síntesis de la kesterita procede por una competición entre mecanismos: el mecanismo dirigido por compuestos ternarios y el segundo por compuestos binarios. En la presente tesis se provee además con un estudio sobre la cinética de reacción para la síntesis de la kesterita por RTP, presentando los órdenes de reacción y concluyendo mediante un exhaustivo análisis de fases que no es posible la completa erradicación de los compuestos binarios para la síntesis de la kesterita. Finalmente, para estudiar la robustez del proceso de recocido desarrollado por RTP, ha sido extendido a precursores obtenidos por otra técnica de síntesis, en este caso la técnica escogida ha sido la del electrodepósito. Mediante el uso de precursores obtenidos por co-electrodepósito y su posterior recocido por RTP, se ha demostrado la robustez del proceso desarrollado en esta tesis al obtener eficiencias de hasta el 5.2%, la más alta reportada con esta secuencia.

La utilització de materials orgànics per a la fabricació de cèl·lules solars és una de les alternatives considerades actualment per a reduir els costos de fabricació de sistemes fotovoltaics. Els materials orgànics tenen coeficients d’absorció elevats que permeten la utilització de capes primes i tècniques de fabricació de baix cost. L’objectiu d’aquesta tesi ha estat contribuir a la millora de les cèl·lules solars orgàniques d’heterounió massiva, mitjançant la incorporació de nous materials acceptors i donadors d’electrons, així com de capes de blocatge de forats depositades a partir de solucions. S’ha dut a terme l’estudi dels efectes de les capes transportadores d’electrons i forats en termes d’eficiència i de degradació dels dispositius fotovoltaics. S’han estudiat i fabricat capes de blocatge de forats amb bathocuproïna (BCP) depositada a través d’una tecnologia de solucions com a substitució del calci.
El empleo de materiales orgánicos en la fabricación de celulas solares es una de las alternativas actualmente consideradas para reducir los costes de fabricación de los sistemas fotovoltaicos. Los materiales organicos tienen coeficientes de absorpción elevados, permitiendo el uso de capas finas y técnicas de fabricación de bajo coste. El objectivo de esta tesis ha sido contribuir en la mejora de las células solares orgánicas de heterounión masiva, mediante la incorporación de nuevos materiales aceptores de la familia de los PDI, y de capas bloqueadoras de huecos depositadas a partir de soluciones. Se han estudiado los efectos de las capas transportadoras de electrones y huecos en términos de eficiencia y degradación de dispositivos fotovoltaicos. Se han fabricado capas bloqueadoras de huecos con bathocuproine (BCP) depositada a través de una tecnología de soluciones como sustituyente del Calcio. Se han estudiato y caracterizado las propriedades morfologicas y optoelectronicas de celulas solares con las estructuras ITO/PEDOT:PSS/PTB7:PDI/Ca/Ag y ITO/PEDOT:PSS/PTB7:PCBM/BCP/Ag. Se ha llevado a cabo una caracterización de las propiedades morfológicas y fotofísicas de los dispositivos fotovoltaicos fabricados a través de varios métodos de investigación, entre los cuales medidas J-V, EQE, Difracción de rayos X, medidas espectroscopia UV-Vis, medidas de movilidad de portadores, medidas de extracción de carga y foto-voltaje transitorio, AFM y medidas de ángulo de contacto.
The search for low cost photovoltaics has led to the use of organic materials as possible candidates to substitute silicon based solar devices. Organic materials have high absorption coefficients, allowing the use of thin layers and low cost solution phase manufacturing techniques. The objective of this thesis has been to contribute to the improvement of bulk-heterojunction organic solar cells through the incorporation of new acceptor materials of the PDI family and of a film layer of Bathocuproine (BCP) as hole blocking layer. The BCP layer was spin coated from a dilute toluene/methanol solution directly on top of the active layer. The morphological, optoelectronic properties of solar cells with the following structures have been studied and characterized: ITO / PEDOT: PSS / PTB7: PDI / Ca / Ag and ITO / PEDOT: PSS / PTB7: PCBM / BCP / Ag. For this purpose various characterization methods has been carried out, including JV measurements, EQE, X-ray diffraction, UV-Vis spectroscopy, carrier mobility measurements , charge extraction and transient photo-voltage measurements and AFM.

Orientador: Carlos Frederico de Oliveira Graeff
Banca: Alejandra Hortencia Miranda Gonzáles
Banca: Francisco Eduardo Gontijo Guimarães
Banca Alexandre Fontes da Fonseca
Resumo: Este trabalho tem como objetivo estudar e desenvolver materiais para aplicações em células solares de terceira geração. Os materiais sintetizados são derivados de fulereno, óxido de titânio e nanopartículas híbrido (óxido@polímero). Os polímeros derivados de fulereno, de tipo n, foram planejados para conter C60 na cadeia principal. Três produtos diferentes foram obtidos, variando o comprimento da cadeia alquílica do co-monômero utilizando uma nova rota de polimerização. Os dispositivos fotovoltaicos foram preparados utilizando a configuração de heterojunção no volume e a maior eficiência alcançada foi de 1,84 %, o que representa um desempenho promissor para um novo material. As nanopartículas de dióxido de titânio foram sintetizadas usando a técnica hidrotermal assistida por micro-ondas em diferentes condições reacionais, tais como pH, temperatura e tempo, de modo a obter a morfologia nano dimensionada bem definida, rendimentos elevados e alta área superficial. Além disso, estudou-se a influência dos íons Na+ no crescimento cristalino dos óxidos e em sua morfologia, onde foram obtidas nanopartículas, estruturas tipo agulas e estruturas tipo nanotubos. As nanopartículas híbridas foram sintetizadas utilizando os óxidos sintetizados e um polímero, P3HT, funcionalizado de modo a ligar-se covalentemente aos óxidos. As nanopartículas foram opticamente caracterizadas e concluímos que estas podem ser utilizadas para estudar a transferência de carga em sistemas híbridos.
Abstract: This work aims to study and develop materials for applications in third generation solar cells. The synthesized materials are fullerene derivatives, titanium oxide, and hybrid (polymer@oxide) nanoparticles. The fullerene derivatives, n-types polymers, were designed to contain C60 in the main chain. Different products were obtained, varying the comonomer alkyl length using a new polymerization route discovery in this work. The photovoltaic devices were prepared using the bulk heterojunction configuration and the highest efficiency reached was 1,84%, representating a very promising performance for a novel materials. The titanium dioxide nanoparticles were synthesized using microwave assisted hydrothermal technique in different reaction condition, such as pH, temperature and time, in order to obtain well defined nano-sized morphologies, high yields and high surface areas. Also, it was investigated the influence of the Na+ions on the crystalline growth and morphologies of the oxides, where nanoparticles, needles and nanotube-like structures were obtained. The hybrid nanoparticles were synthesized using the prepared oxides and a P3HT functionalized in order to bond covalently with the the oxides. The nanoparticles were optically characterized and concluded to be possible to use for studies of charge transfer in hybrid systems
Doutor

The development of sustainable energy sources with a high energy return on energy investment (EROI) that can substitute fossil fuels is a must in order to avoid the collapse of our current civilization. In this context, this work explores the feasibility of fabricating efficient Cu2ZnSn(Sx,Se1-x)4 (kesterite) solar cells on three strategic substrates: polyimide, ceramic and SnO2:F-coated soda-lime glass (SLG/FTO). These substrates present several advantages with respect to the standard SLG/Mo. Polyimide is compatible with roll-to-toll production processes and easily integrable in many applications thanks to its light weight and flexibility, ceramics have a direct application in building-integrated photovoltaics as solar tiles and the transparency of SLG/FTO enables advanced photovoltaic concepts like bifacial and tandem solar cells as well as the fabrication of semi-transparent devices. Their combination with a sustainable thin film photovoltaic technology based on Earth-abundant materials like kesterites has the potential of decreasing the energy fabrication cost and, thus, of increasing the EROI of photovoltaics through: 1) high throughput production, 2) integration and 3) advanced applications and functionality. However, these substrates also present several drawbacks. Alkalis, especially Na, are fundamental to achieve high efficiency devices but polyimide and ceramics are alkali-free materials. Likewise, FTO acts as a barrier for alkalis. In addition, polyimide presents a low thermal robustness that limits process temperatures below 500ᵒC, ceramics are very rough and possess detrimental impurities and the use of FTO as back contact leads to a non-optimum p-kesterite/n-FTO interface. This work focuses on the implementation of specific strategies to adapt the kesterite solar cell fabrication process to the characteristics of the different substrates. A combination of alkaline doping and low-temperature annealings is studied for the fabrication of Cu2ZnSnSe4 solar cells on polyimide. While doping with NaF and KF is found to lead to critical improvements, working at low temperature is linked to the formation of SnSe2. This phase decreases the open-circuit voltage of the devices and is the main factor controlling their performance. Further experimentation leads to a 4.9% efficiency record device by combining NaF and Ge doping and a 480ᵒC annealing. In the case of ceramic, vitreous enamels with controlled amounts of Na2O in their composition are used as surface smoothers, Na sources and impurity barriers, simultaneously. However, large amounts of Na2O in the enamel composition result in high densities of surface defects: undulations, pinholes and cracks. While undulations and pinholes are rather benign, cracks strongly deteriorate the back contact. In addition, the annealing time needs to be controlled to avoid the formation of SnSe2. Besides these issues, enamelled ceramic substrates are observed to behave similarly to SLG yielding a record Cu2ZnSnSe4 device with a 7.5% efficiency. Regarding SLG/FTO, the addition of transition metal oxides (TMOs) and/or Mo:Na nanolayers is studied as an approach to improve the back interface of the devices. Mo:Na is found to alleviate shunting and recombination issues and to protect FTO from degradation during annealing which leads to highly improved devices, especially for Cu2ZnSnS4. On the other hand, TMOs introduce a severe current blockage. However, the combination of the TiO2 and V2O5 with Mo:Na is observed to boost the beneficial effects of the latter in Cu2ZnSnSe4 and Cu2ZnSn(S,Se)4 devices. Although these multi-layered back interfaces exhibit a complex behaviour, this approach results in record efficiencies of 6.2%, 6.1% and 7.9% for Cu2ZnSnSe4, Cu2ZnSnS4 and Cu2ZnSn(S,Se)4 devices, respectively. These results represent the highest efficiencies ever reported for kesterite solar cells fabricated on polyimide, ceramic and transparent substrates and give proof of their large potential for sustainable kesterite-based photovoltaics.
Esta tesis estudia el desarrollo de células solares de Cu2ZnSn(Sx,Se1-x)4 (kesterita) sobre sustratos de poliimida, cerámica y vidrio recubierto con SnO2:F (SLG/ITO). Estos sustratos presentan una serie de ventajas frente al estándar SLG/Mo como su compatibilidad con procesos de fabricación rollo a rollo (poliimida), con fotovoltaica integrada en edificios (todos) y/o la posibilidad de aplicaciones y funcionalidades avanzadas (poliimida y SLG/FTO). Sin embargo, también poseen características que dificultan la fabricación de células solares de kesterita como la falta de elementos alcalinos (todos), su baja resistencia térmica (poliimida), su alta rugosidad (cerámica) o su conductividad tipo n (SLG/FTO). Este trabajo se centra en la implementación de estrategias para la fabricación de células solares de kesterita de alta eficiencia atendiendo a las características de cada sustrato. En el caso de la poliimida, se utiliza una combinación de dopaje alcalino y procesos de recocido a baja temperatura la cual permite obtener un dispositivo Cu2ZnSnSe4 record con una eficiencia del 4.9% combinando dopaje con NaF y Ge y una temperatura de 480ᵒC. Los sustratos cerámicos se recubren con un esmalte vítreo que contiene una cantidad controlada de Na2O en su composición y que actúa como reductor de la rugosidad superficial, fuente de Na y barrera para impurezas. A pesar de que altas concentraciones de Na2O provocan defectos superficiales, los sustratos cerámicos esmaltados presentan un comportamiento muy similar al vidrio con un dispositivo Cu2ZnSnSe4 record de 7.5% de eficiencia. En cuanto a los sustratos SLG/FTO, se estudia el depósito de nanocapas de óxidos de metales de transición (TMOs) y de Mo:Na para mejorar la interficie trasera kesterita-p/FTO-n de los dispositivos. Los TMOs inducen una fuerte barrera eléctrica mientras el Mo:Na se muestra fundamental para la fabricación de dispositivos eficientes. Sin embargo, el uso conjunto de Mo:Na y TiO2 o V2O5 amplifica los efectos beneficiosos del Mo:Na lo que permite obtener un dispositivo Cu2ZnSn(Sx,Se1-x)4 record con una eficiencia de 7.9%. Estas son las eficiencias más altas reportadas para células solares de kesterita sobre poliimida, cerámica y SLG/FTO y demuestran el potencial de estos sustratos para el desarrollo de una fotovoltaica sostenible basada en kesterita.

The main objective of this thesis was to develop high efficiency thin film solar cells based on low-toxic and earth-abundant kesterite Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) absorbers through the implementation of innovative doping strategies. Special focus is put on the optimization of reactive thermal processes, followed by the screening of possible doping elements and further analysis of the most promising ones. Additionally, deeper investigations were carried out in order to improve understanding of main loss mechanisms that can degrade device performance and the use of small amounts of Ge to mitigate some of them, including the possible interactions with alkali elements and the effect of post-deposition annealing treatments on devices properties. Most of the results obtained in this thesis have been published as articles in high impact peer-reviewed journals, included in text. In the first part of the thesis, previous study and optimization of the thermal processes were presented, identifying and varying the most critical parameters in a conventional tubular furnace selenization, in order to establish the best performing treatment for our particular precursors and set-up. Following this, after a preliminary screening of possible doping elements in the CZTSe system (including Ag, In, Si, Ge and Pb), In and Ge were both selected as the most promising/interesting ones to further analyze their doping properties. Although In doping did not show any performance improvement, it was demonstrated that CZTSe absorbers can tolerate rather high quantities of this element without significant modifications of their properties, confirming the possibility of using In-containing layers in kesterite CZTSe-based devices. On the other hand, with regard to Ge, a remarkable improvement of solar cells performance (from about 7% efficiency for Ge-free reference samples to more than 10% efficiency for Ge-doped ones) was presented, based on the introduction of nanometric Ge layers into the metallic stack precursors. Several reasons were proposed to explain the great efficiency improvement in spite of the observed Ge loss. In the following optimization, we determined the optimum Ge thickness range, achieving a 10.6% efficiency and open-circuit voltage values around 490 mV for pure selenide CZTSe, leading to voltage deficits around 0.56 V, which are among the best values reported for kesterites. Furthermore, a detailed microstructural analysis of high efficiency Ge-doped CZTSe solar cells was presented, revealing the presence of two distinct types of grain boundaries: one type is meandering in nature and grows largely parallel to the substrate, and denotes the boundary between two CZTSe layers with differing Cu/Zn ratios; and the second type is Cu-enriched and more straight, and predominates in the upper layer. After that, a new approach for obtaining high quality CZTSe layer was presented, by introducing extremely thin Ge nanolayers below and above metallic stack precursors. This strategy led to eliminate the previously characterized meandering horizontal grain boundaries and to obtain huge CZTSe grains. In addition, a deep study of the effect of Ge on the selenization process revealed that Ge strongly affects the in-depth elemental distribution and the phases formation, ultimately, modifying the reaction pathways of CZTSe. Through the optimization of the quantity and location of Ge, a record efficiency of 11.8% was achieved. In the last part of the thesis, the complex Ge-Na interaction was investigated, and a detailed analysis of low temperature post-deposition annealings by multi-wavelength Raman spectroscopy was also presented. On the whole, the work presented in this thesis provides meaningful results and innovative strategies to boost the efficiency of kesterite solar cells, by tackling some limiting factors of this promising material.
El objetivo principal de esta tesis es el desarrollo de células solares de capa fina de alta eficiencia basadas en absorbedores compuestos de elementos de baja toxicidad y abundantes en la corteza terrestre (kesterita, Cu2ZnSnSe4 (CZTSe)), mediante la implementación de estrategias innovadoras de dopaje. En particular, se ha desarrollado un método secuencial basado en el depósito por sputtering de capas metálicas seguido por un proceso térmico reactivo. A través de la optimización de los procesos y la implementación y análisis de diferentes elementos dopantes, se han investigado los mecanismos de pérdida de eficiencia más relevantes en kesteritas, contribuyendo a desarrollar soluciones alternativas. Los resultados obtenidos han sido publicados como artículos en revistas internacionales de alto factor de impacto. En la primera parte de la Tesis, se han estudiado profundamente los procesos térmicos reactivos, variando los parámetros más críticos para adaptarlos a las características particulares de los precursores metálicos. Seguidamente, se ha realizado un análisis de diferentes elementos dopantes (Ag, Si, Ge, Pb e In); In y Ge se han seleccionado como los más prometedores. De estos, Ge ha mostrado excelentes propiedades como dopante, incrementando la eficiencia de los dispositivos desde 7% hasta más de 10%, mediante la introducción de capas nanométricas (10 nm aprox.) en el precursor metálico. A través de una optimización profunda del proceso de dopado con Ge, se ha obtenido una eficiencia de conversión máxima de 11.8% y un déficit de voltaje de alrededor de 0.56 V, que representa uno de los mejores valores reportados para esta tecnología. Estos progresos se han acompañado de una profunda caracterización micro-estructural, que ha facilitado la identificación de importantes características de las kesteritas, como por ejemplo la presencia de dos tipos diferentes de fronteras de grano con distinta composición. Adicionalmente, Ge induce una modificación en los mecanismos de formación de kesteritas, que ha sido clave para mejorar las propiedades de los dispositivos fotovoltaicos basados en estas tecnologías. En resumen, los resultados obtenidos en la presente Tesis han servido para comprender, implementar y demostrar soluciones innovadoras para conseguir avances significativos en el desarrollo de tecnologías fotovoltaicas sostenibles basadas en kesteritas.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior
Dedicado à deposiÃÃo e caracterizaÃÃo de filmes finos de Sulfeto de CÃdmio e DiÃxido de TitÃnio para a aplicaÃÃo em cÃlulas solares fotovoltaicas. Cada filme foi depositado por um processo diferente. O reagente TiO2 da marca vetec, foi misturado com Ãcido clorÃdrico em soluÃÃo aquosa formando uma dispersÃo. Essa dispersÃo foi espalhada sobre o substrato de vidro e depois aquecida com uma chapa aquecedora. Depois de formado o filme, foram feitos MEV e EDX do mesmo. Para preparar o CdS foi necessÃrio um procedimento um pouco mais complexo, que à a deposiÃÃo por banho quÃmico, onde à feita uma mistura de reagentes e mergulhado o substrato nesta mistura. Ocorreram reaÃÃes quÃmicas cujo resultado foi a formaÃÃo do CdS, que ocorre em toda a superfÃcie do recipiente e do substrato imerso na soluÃÃo. As mesmas caracterizaÃÃes feitas no TiO2 foram feitas no CdS, ambos mostraram uma boa uniformidade, tambÃm foi observado que os filmes mostraram uma boa aderÃncia ao substrato. A fim de comprovar a aplicatividade dos filmes para fins fotovoltaicos, preparou-se um protÃtipo de cÃlula solar fotovoltaica, que foi colocada em contato com a luz solar para assim medir a corrente elÃtrica e a diferenÃa de potencial. TambÃm foram medidos os mesmos parÃmetros no escuro, para comparaÃÃo de resultados e comprovaÃÃo da geraÃÃo de energia elÃtrica atravÃs do contato com a luz. AtravÃs dos resultados destes testes, concluiu-se que os filmes apresentaram o efeito fotoelÃtrico, sendo assim, aplicÃveis em cÃlulas solares fotovoltaicas.
This work is dedicated to the deposition and characterization of thin films of cadmium sulfide and titanium dioxide for application in photovoltaic solar cells. Each film is deposited by a different process. The reagent TiO2 brand Vetec, was mixed with hydrochloric acid in aqueous solution forming a dispersion. This dispersion is spread on the glass substrate and then heated with a plate heater. After the deposit, were made SEM and EDX of the films. In order to prepare CdS a more complex process called chemical bath deposition was required, made of a mixture of reagents with the substrate immersed in it. Chemical reactions occurred which result was the formation of CdS, which occurs across the surface of the container and the substrate immersed in the solution. The same characterizations were carried out on TiO2 in CdS, showed in both good uniformity, was also observed that the films showed good adhesion to the substrate. In order to prove that films are applicable for photovoltaic energy conversion, a prototype of a solar photovoltaic cell was prepared, which was placed in contact with a type of light for measuring electrical parameters like the electric current and potential difference. We also measured the same parameters in the dark, for comparison of results and to prove power generation in contact with the light. The research tests provides evidence that films showed the photoelectric effect, therefore, applicable in photovoltaic solar cells.

Orientador: Ana Flavia Nogueira
Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Quimica
Made available in DSpace on 2018-08-14T14:27:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Freitas_FlavioSantos_M.pdf: 1335737 bytes, checksum: 43bb80b2fab0adc9d9092583a0f45e94 (MD5) Previous issue date: 2009
Resumo: Neste trabalho foram investigados eletrólitos poliméricos baseados em poli(óxido de etileno-co-2-(2-metoxietoxi) etilglicidiléter) - P(EO-EM) com adição do oligômero dibenzoato de etileno-glicol (DIB)/LiI/I2 e poli(óxido de etileno-co-óxido de propileno) - P(EO-PO), com adição do líquido iônico iodeto de 1-metil-3- propilimidazólio (MPII)/I2 (com e sem a presença de LiI), visando a aplicação em células solares de TiO2/corante. Os eletrólitos foram caracterizados por Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC), Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR), Ressonância Magnética Nuclear de Hidrogênio (H RMN) e Espectroscopia de Impedância Eletroquímica (EIE). Para o sistema P(EO-EM)/DIB, os estudos realizados por DSC e FTIR mostraram alta homogeneidade entre os componentes, com evidências de coordenação de sal no copolímero e no oligômero. Nas medidas de condutividade iônica, verificou-se saturação em ~10 S cm a partir de 10 % de LiI para todas as proporções de PEO-EM/DIB. Como conseqüência, a aplicação de eletrólitos com 20 % de LiI apresentou resultados bem similares, independente da proporção de DIB no sistema, indicando que os processos cinéticos relacionados ao transporte de carga são diferentes dos eletrólitos géis reportados na literatura, não sendo verificada mudança no potencial de circuito aberto (VOC) dos dispositivos. Para o sistema P(EO-PO)/MPII, as análises por DSC, FTIR e H RMN evidenciaram interações entre o oxigênio do copolímero e o hidrogênio do cátion imidazólio, possibilitando aumento na difusão do par I /I3 (estimado em 1,9x 10 cm s para o eletrólito com 70 % de MPII). A maior condutividade iônica foi obtida para o eletrólito com 70 % de MPII (2,4 x 10 S cm), possibilitando a montagem de células solares com eficiência de 5,66 %. Para todos os dispositivos, a presença de íons I3 promoveu aumento nas reações de recombinação, observando-se valores menores para o VOC com o aumento da concentração de MPII nos eletrólitos. Após a adição de LiI, não foram observadas melhores eficiências em comparação aos dispositivos montados sem a adição do sal. Esses resultados indicam que eletrólitos poliméricos baseados na combinação de polímero e líquido iônico consistem em sistemas promissores para aplicação em células solares.
Abstract: New polymer electrolytes based on poly(ethylene oxide-co-2-(2- methoxyethoxy)ethylglycidylether) - P(EO-EM) with addition of the oligomer ethyleneglycol dibenzoate (DIB)/LiI/I2, and poly(ethylene oxide-co-propylene oxide) - P(EO-PO) with addition of the ionic liquid 1-methyl-3-propylimidazolium (MPII)/I2 (with and without LiI) were investigated in this work aiming at the application in dye-sensitized solar cells. The electrolytes were characterized using Differential Scanning Calorimetry (DSC), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Nuclear Magnetic Ressonance (H NMR) and Complex Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS). For the P(EO-EM)/DIB system, the DSC and FTIR measurements revealed a homogeneous mixture, with evidence of coordination of the salt with both the copolymer and the oligomer. The ionic conductivity measurements presented saturation in ~10 S cm for samples containing at least 10 % of LiI, for all P(EO-EM)/DIB concentration ratios. As consequence, the solar cells assembled with electrolytes containing 20 % of LiI presented similar performance, regardless of the DIB concentration, indicating that the kinetic processes related to the charge transport in these systems are different from those usually observed for gel electrolytes (which cause changes in the open circuit potential, VOC, of the devices). For the P(EO-PO)/MPII system, the DSC, FTIR and HNMR measurements revealed the presence of interactions between the oxygen atoms in the copolymer and the hydrogen atoms from the imidazolium cation, which increased the diffusion of the I/I3 redox couple (estimated to be 1,0 x 10 cm s for the electrolyte containing 70 % if MPII). The highest ionic conductivity was observed for the electrolyte containing 70 % of MPII (2,4 x 10 S cm), leading to the assembly of solar cells with 5,66 % of efficiency. In all the devices assembled, the presence of I3 ions leads to an increase of the recombination reactions, thus reducing the VOC values. This effect is more pronounced for higher concentrations of MPII in the electrolyte. After addition of LiI to these systems, no improvements in the device efficiency were observed. These results show that polymer electrolytes based on the mixture of polymer and ionic liquids are very promissing systems for application in solar cells.
Mestrado
Quimica Inorganica
Mestre em Química

Organic solar cells show great potential to become a commercially available technology for renewable clean energy production due to their attractive properties. Inexpensive materials and manufacturing processes, including classical roll-to-roll fabrication, as well as the ability to produce flexible, low weight, semitransparent devices are some of the advantages organic photovoltaics provide. Addressing the most common issues in these new technologies, i.e., the low efficiencies of devices and rapid degradation of materials, could bring a realistic alternative for the photovoltaic industry. In this work, the performance of P3HT:PCBM based bulk heterojunction solar cells modified through low energy gold ion implantation in the hole transporting layer, the PEDOT:PSS, is studied. Reference solar cells without gold were also fabricated and characterized for comparison. Through field emission scanning electron microscopy (FESEM) micrographs, the formation of gold nanoparticles (AuNPs) in the PEDOT:PSS has been shown layer for the highest implantation doses used. Absorbance measurements of PEDOT:PSS films before and after gold implantation further confirmed this result. TRIDYN and SRIM simulation programs estimated shallow gold implantations of ~3 nm underneath the PEDOT:PSS films surface. Current-voltage (JxV) characteristics of reference solar cells under AM 1.5 illumination presented the uncommon S-shaped curves, an abnormal deviation from typical JxV curves. This was attributed to PEDOT:PSS degradation due to oxygen and water exposure, which reduced its work function significantly. As a result, deteriorated parallel and series resistances were obtained in reference devices, which ultimately reduced their field factors and power conversion efficiencies. This abnormal behavior was consistently eliminated with the introduction of AuNPs near the PEDOT:PSS/Active-layer interface, leading to the rectification of the illuminated JxV curves of modified solar cells and the reestablishment of cell parameters. Consequently, outstanding improvements in the field factors and power conversion efficiencies were observed in these devices. This was attributed to enhancement (and prevention from the reduction) of the PEDOT:PSS work function layer due to the presence of AuNPs, which rearranged the energy levels at the interface to a more favorable state: higher electron blocking and lower hole extraction barriers.
Células solares orgânicas têm mostrado grande potencial para se tornar uma alternativa tecnológica na produção de energia limpa e renovável. Baixo custo dos materiais e dos processos de manufatura, e a possibilidade de fabricar dispositivos com baixo peso, flexibilidade e semitransparência, inclusive pelo método clássico de roll-to-roll, são algumas das vantagens oferecidas pela fotovoltaica orgânica. Resolver os problemas mais comuns destes dispositivos, como a baixa eficiência na conversão de energia e a rápida degradação dos materiais, é necessário para sua disponibilização no mercado fotovoltaico atual. Neste trabalho, células solares de heterojunção volumétrica baseadas no polímero P3HT e modificadas através da implantação de íons de ouro de baixa energia na camada de PEDOT:PSS são estudadas. Dispositivos equivalentes sem modificação de ouro também foram fabricados e caracterizados como referência. Imagens obtidas através de um microscópio eletrônico de varredura por emissão de campo (FESEM Field Emission Scannig Electron Microscopy) mostraram a formação de nanopartículas de ouro (AuNPs) na camada de PEDOT:PSS para as doses de implantação mais elevadas. Medidas do espectro de absorbância dos filmes de PEDOT:PSS antes e depois da implantação de ouro confirmam este resultado. Simulações feitas com os softwares TRIDYN e SRIM estimaram o ouro implantado em u ma profundidade de ~3 nm abaixo da superfície do PEDOT:PSS. As curvas de corrente-tensão (JxV) características das células solares de referência sob iluminação AM 1.5 mostraram um comportamento de forma S, que corresponde a um desvio da forma típica das curvas JxV. Isto foi atribuído à degradação dos filmes de PEDOT:PSS devido à exposição ao oxigênio e à água, que reduz sua função trabalho significativamente. Como resultado, deterioraram-se as resistências em paralelo e em série destes dispositivos, o que em última instância, reduziu o Field Factor (FF) e a eficiência na conversão de energia. Este comportamento anormal foi eliminado de forma consistente após a introdução de AuNPs perto da interface PEDOT:PSS/Camada-Ativa. As curvas JxV das células solares modificadas sob iluminação foram retificadas e os valores dos seus parâmetros restabelecidos. Melhorias notáveis no FF e eficiência de conversão de energia foram obtidas para todas as células solares modificadas. Isto foi atribuído ao aumento da função trabalho da camada de PEDOT:PSS pela presença das AuNPs, que reorganizou os níveis de energia na interface para um estado mais favorável: com barreiras de potencial otimizadas para bloquear a extração de elétrons e favorecer a de buracos.

Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe) kesterite semiconductors have been proposed as a potential medium to long term replacement of Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIGS) chalcopyrites for sustainable cost-efficient thin film technologies compatible with mass deployment at Terawatt level, being only constituted by elements abundant in the earth crust in contrast with the scarce Indium in CIGS. In this thesis, high efficiency CZTSSe solar cells were fabricated based on a single-step sulfo-selenization process. CZTSSe absorbers with optimal S/(S+Se) ratio, minimized Zn(S,Se) secondary phases in the interfaces, and good crystal quality were achieved through systematically fine tuning of various processing parameters during thermal treatments. The thermodynamic equilibrium of the single-step sulfo-selenization process was also analysed to elucidate the impact of different parameters on the thin films S/(S+Se) ratio. Besides, to address the big challenge of secondary phases in CZTSSe solar cells, an innovative (NH4)2S etching was developed for the selective and effective removal of Sn-(S,Se) secondary phases. This (NH4)2S etching can also passivate the absorber surface and a passivation mechanism was proposed to explain this behaviour. To further improve the efficiency of the CZTSSe solar cells, the CZTSSe/CdS interface was focused and engineered. Na spatial distribution in the CZTSSe/CdS interface region was optimized by a post low temperature treatment process (PLTT), leading to considerable enhancement of the performance of CZTSSe solar cells. An innovative Na dynamics model was established to illustrate the Na in-depth profiles. In addition, Cu doped CdS was investigated to reduce the thickness of CdS while keeping the comparable performance of the kesterite devices, which provides new possibilities to address the Cd concern. Finally, to suppress the CZTSSe/CdS interface recombination and reduce the Voc deficit of the CZTSSe solar cells, a facile wet chemical route based on AlCl3/GaCl3 + thioacetamide solutions were developed. The Voc and efficiency improvement after the chemical treatments can be mainly ascribed to the decrease of interface recombination and shunt paths. A champion CZTSSe solar cell with 9.1% efficiency and FF over 69% was achieved after all these processing optimizations (no ARC). This demonstrates that the single-step sulfo-selenization methodology is promising and feasible for obtaining high efficiency CZTSSe solar cells. selenization methodology is promising and feasible for obtaining high efficiency CZTSSe solar cells.
Las Kesteritas (Cu2ZnSn(S,Se)4 o CZTSSe) están llamadas a sustituir a las calcopiritas (Cu(In,Ga)(S,Se)2 o CIGS) como tecnología fotovoltaica de película fina ya que están formadas únicamente por elementos abundantes en la corteza terrestre. En esta tesis, se han fabricado células solares de CZTSSe de alta eficiencia mediante un proceso de sulfo-selenización de un solo paso. Se ha conseguido obtener absorbedores CZTSSe con una ratio S/(S+Se) óptima, un contenido reducido de fases secundarias Zn(S,Se) interfaciales y una calidad cristalina alta a través de la optimización de los parámetros involucrados en los tratamientos térmicos. También se ha realizado un análisis del equilibrio termodinámico durante el proceso de sulfo-selenización para discernir el impacto de dichos parámetros en la ratio final S/(S+Se) de las películas de CZTSSe. Además, se ha abordado la importantísima cuestión de las fases secundarias en las células solares de CZTSSe mediante el desarrollo de un ataque químico con (NH4)2S para la eliminación selectiva de las fases secundarias Sn(S, Se). Se ha comprobado que este ataque químico también tiene efectos pasivantes en la superficie del absorbedor y se propuso un mecanismo para explicar este comportamiento. También se ha llevado a cabo una modificación de la interfaz CZTSSe/CdS optimizando la distribución espacial de Na a través de un proceso post-recocido a baja temperatura que ha conducido a una mejora sustancial del funcionamiento de las células solares. Se propuso un modelo para explicar los perfiles de Na observados. Adicionalmente, se ha investigado el dopaje con Cu de la capa búfer de CdS para reducir su espesor manteniendo un rendimiento similar de los dispositivos fotovoltaicos y minimizar los problemas relacionados con el uso de Cd. Finalmente, se ha desarrollado un tratamiento químico húmedo basado en AlCl3/GaCl3+tioacetamida para reducir la recombinación en la interfaz CZTSSe/CdS mejorando el Voc y la eficiencia de los dispositivos fotovoltaicos. Todo ello, ha conducido a la obtención de una célula solar récord de CZTSSe con un 9.1% de eficiencia y un FF por encima del 69% que demuestra que la sulfo-selenización de un solo paso es una manera viable y prometedora para obtener células solares de CZTSSe de alta eficiencia.

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Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
Atualmente existe uma intensa busca por novos materiais com propriedades ajustadas para utilização em células solares orgânicas de modo a obter um aumento em sua eficiência de conversão para que possam substituir os dispositivos de silício. O politieno[3,4-b]-tiofeno-co-benzoditiofeno (PTB7) é um polímero recentemente proposto na literatura e com propriedades muito interessantes em células solares orgânicas, o que o coloca como uma possível alternativa ao amplamente utilizado poli(3-hexiltiofeno) (P3HT). Tem sido relatadas modificações em diferentes posições da unidade monomérica deste copolímero, tanto na estrutura benzoditiofeno (BDT), quanto na estrutura tienotiofeno (TT), que o compõe. Estas modificações levaram a novos polímeros com propriedades diferentes e por vezes mais interessantes que aquelas do PTB7 sem substituições. O trabalho que será apresentado visou estudar as propriedades estruturais, eletrônicas e ópticas do PTB7 e possíveis alterações ocorridas devido às modificações químicas realizadas na estrutura do BDT de suas unidades monoméricas. Tal estudo utilizou ferramentas de otimização de estruturas como Mecânica Molecular, Dinâmica Molecular e o método semi-empírico Parametric Method 6 (PM6), assim como de cálculo de estrutura eletrônica de materiais, como a Teoria do Funcional da densidade (DFT) e de cálculos de propriedades ópticas como a Teoria do Funcional da Densidade Dependente do Tempo (TD-DFT). Concluímos que o PTB7 no estado sólido pode ser considerado planar. Com o nosso modelo para o PTB7, obtivemos uma diferença de energia ∆EHL entre o Último Orbital Molecular Ocupado HOMO (do inglês Highest Occupied Molecular Orbital) e o Primeiro Orbital Molecular Desocupado LUMO (do inglês Lowest Unoccupied Molecular Orbital) de aproximadamente 1,84 eV, sendo que este valor está em boa concordância com o valor experimental. Em relação às substituições químicas, estudamos teoricamente 8 derivados do PTB7 e os resultados mostraram que é possível obter compostos com uma diminuição significativa do ∆EHL e também que é possível obter compostos com valores de energia do HOMO e do LUMO mais interessantes que os do PTB7 quando na camada ativa for empregado como material doador o fenil-C61-butírico ácido metil ester (PCBM).
Currently there is an intensive search for new materials with tuned properties for use in organic solar cells to obtain an increase in its conversion efficiency and replace silicon devices. The polythieno[3,4-b]-thiophene-co-benzodithiophene (PTB7) is a polymer recently proposed in the literature and with very interesting properties in organic solar cells, which places it as a possible alternative to the widely used poli(3-hexilthiophene) (P3HT). It has been reported changes in different positions of the monomeric unit of this copolymer, both in benzodithiophene (BDT) structure, as in the thienothiophene (TT) structure that compose it. These modifications led to new polymers with different properties and sometimes more interesting than those of PTB7 without substitutions. The work to be presented aimed to study the structural, electronic and optical properties of PTB7 and possible changes due to chemical changes made in the BDT structure of its monomeric units. This study employed optimization tools like Molecular Mechanics, Molecular Dynamics and Parametric Method 6 (PM6), as well as calculations of the electronic structures with the Density Functional Theory (DFT) method, and optical properties such as the Time Dependent Density Functional Theory (TD-DFT) calculations. We conclude that the PTB7 chains in the solid state can be considered planar. With our model for PTB7, we obtained a difference ΔEHL between the Highest Occupied Molecular Orbital (HOMO) and the Lowest Unoccupied Molecular Orbital (LUMO) of approximately 1.84 eV, and this value is in good agreement with the experimental value. Regarding chemical substitutions, we studied theoretically 8 derivatives of PTB7 and the results showed that it is possible to obtain compounds with a significant decrease in ΔEHL and that it is possible to obtain compounds with HOMO and LUMO energy values more adjusted to the widely employed acceptor material phenylC61-butyric acid methyl ester (PCBM).

Orientador: Francisco Carlos Lavarda
Banca: Luiz Carlos da Silva Filho
Banca: Julio Ricardo Sambrano
Banca: Paula Homem de Mello
Banca: Mauricio Domingues Coutinho Neto
Resumo: Materiais orgânicos vêm sendo utilizados em diversos tipos de dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos, sendo um dos destaques seu uso em células solares. Atualmente, células solares que utilizam materiais orgânicos na camada ativa já atingem eficiências em torno de 12% na conversão da energia solar em elétrica. Apesar destes materiais apresentarem vantagens em relação ao custo do produto final e processamento comparado aos inorgânicos, a comunidade científica ainda se depara com problemas relacionados às propriedades intrínsecas, como por exemplo, baixa estabilidade à oxidação e energias de bandgap elevadas; deste modo, ainda é viável encontrar novos materiais orgânicos que superem tais problemas. Este trabalho teve como finalidade a busca de novos materiais orgânicos, mais especificamente polímeros conjugados, para aplicações em camada ativa de células solares utilizando métodos teóricos de modelagem de materiais em níveis de teoria semi-empírico e DFT. A primeira parte deste trabalho focou no estudo de novos copolímeros de comonômeros similares e novos homopolímeros derivados de P3HT. Aqui foi possível verificar que, através de substituições químicas realizadas no P3HT, pode-se encontrar novos polímeros com valores mais apropriados para as energias dos orbitais moleculares de fronteira e maiores mobilidades de carga, propriedades que estão intimamente relacionadas à eficiência e à estabilidade que a célula solar pode atingir. Um dos novos polímeros que apresentou potenci... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo)
Abstract: Organic materials have been used in various types of electronic and optoelectronic devices, with prominent application in solar cells. Solar cells in which the active layers are composed of organic materials already reach efficiencies of around 12% in the conversion of solar energy into electricity. Although these materials have advantages in relation to the final cost and processing compared to the inorganics, the scientific community still face problems related to intrinsic properties, such as low oxidation stability and high bandgap energy; thus, it is desirable to find new organic materials that overcome these problems. This work aimed sy the search for new organic materials - specifically conjugated polymers - for applications in active layers of solar cells employing theoretical methods of material modeling of semi-empirical and DFT theory levels. The first part of this work focuses on the study of new cepolymers of similar comonomers and new P3HT derivatives. Here it was observed that, through chemical substitutions made in P3HT, one may find new polymers with appropriate values for the energies of the frontier molecular orbitals and increased charge mobility, properties that are closely related to the efficiency and stability that the solar cell can achieve. One of the novel polymers found which have potential for use in active layers was the fluorinated P3HT, later confirmed by experimental works. For copolymers of similar comonomers, it was found that the electronic and optical properties of these materials exhibit a linear dependence with the same properties and the monomers proportion of the homopolymers that were used as comonomers in the construction of the copolymer; most important is that through this linear relatioship one may design new copolymers of similar comonomers before a possible synthesis. The second part of this study evaluated the methodologies for modeling of organic... (Complete abstract electronic access below)
Doutor

On constate une forte demande mondiale d' énergie propre et renouvelable en raison de la consommation rapide des combustibles fossiles non renouvelables et l'effet de serre qui en résulte. Une solution prometteuse pour produire une énergie propre et renouvelable est d'utiliser des cellules solaires pour convertir l' énergie solaire directement en électricité. Comparativement à leurs homologues inorganiques, les cellules solaires organiques (OSCs) sont maintenant intensivement étudiées en raison des avantages tels que le poids léger, la flexibilité, la compatibilité avec les procédés de fabrication à faibles coûts. Malgré ces avantages, l'efficacité de conversion (PCE) des OSCs doit encore être améliorée pour la commercialisation à grande échelle. Les cellules solaires organiques sont réalisées en pile de couches minces comprenant des électrodes, la couche de transport d' électrons, la couche de polymère actif et la couche de transport de trous. Dans cette étude, nous sommes concernés par la couche de PEDOT:PSS qui est couramment utilisée comme une couche tampon entre l'électrode anodique et la couche de polymère actif de cellules solaires organiques. Cette étude vise à intégrer différentes concentrations de nanoprismes (NPSMs) d'argent de taille sub-longueur d'onde dans du PEDOT: PSS afin de profiter de leurs propriétés optiques uniques nées de résonances de plasmons de surface localisées (LSPR) pour améliorer la collecte lumineuse et l'efficacité de génération de charge en optimisant l' absorption et la diffusion de la lumière. Nous avons constaté que les facteurs clés qui contrôlent les performances des cellules solaires plasmoniques comprennent non seulement les propriétés optiques, mais également les propriétés structurelles et électriques des couches hybrides de PEDOT:PSS comprenant des NPSMs d' Ag. D'une part, l'ajout de NPSMs d' Ag conduit ¨¤ (1) une augmentation de l'absorption optique; (2) de la diffusion de la lumière ¨¤ de grands angles ce qui pourrait conduire ¨¤ un meilleur piégeage de la lumière dans les OSCs. D'autre part, (1) la rugosité de surface est augment¨¦e en raison de la formation d'agglomérats de NPSMs d' Ag, ce qui conduit ¨¤ une meilleure efficacité de collecte de charge; (2) la résistance globale des films hybrides est également augment¨¦e en raison de l'excès de PSS introduit par les NPSMs d' Ag incomplètement purifiées, inférieur courant de court-circuit (Jsc) qui en résulte; (3) les Ag NPSMs et leurs agglomérats ¨¤ l'interface PEDOT:PSS/couche photo-active pourraient agir comme des centres de recombinaison, conduisant ¨¤ une réduction de la résistance de shunt, du Jsc et de la tension en circuit ouvert (Voc). Afin de résoudre partiellement l'inconvénient (2) et (3), en intégrant des NPSMs d¡¯Ag davantage purifiés et une petite quantité de glycérol dans le PEDOT:PSS, la résistance des couches hybrides de PEDOT:PSS-Ag-NPSMs peut ¨être réduite à une valeur comparable ou inférieure ¨¤ celles couches vierges. Les futurs progrès en chimie de surface colloïdale et l'optimisation sur le processus d'incorporation des nanoparticules seront nécessaires pour produire des cellules solaires organiques plasmoniques de meilleures performances
Nowadays there has been a strong global demand for renewable and clean energy due to the rapid consumption of non-renewable fossil fuels and the resulting greenhouse effect. One promising solution to harvest clean and renewable energy is to utilize solar cells to convert the energy of sunlight directly into electricity. Compared to their inorganic counterparts, organic solar cells (OSCs) are now of intensive research interest due to advantages such as light weight, flexibility, the compatibility to low-cost manufacturing processes. Despite these advantages, the power conversion efficiency (PCE) of OSCs still has to be improved for large-scale commercialization. OSCs are made of thin film stacks comprising electrodes, electron transporting layer, active polymer layer and hole transporting layer. In this study, we are concerned with PEDOT:PSS layer which is commonly used as a buffer layer between the anodic electrode and the organic photoactive layer of the OSC thin film stack. We incorporated different concentrations of silver nanoprisms (NPSMs) of sub-wavelength dimension into PEDOT:PSS. The purpose is to take advantage of the unique optical properties of Ag MPSMs arisen from localized surface plasmon resonance (LSPR) to enhance the light harvest and the charge generation efficiency by optimizing absorption and scattering of light in OSCs. We found that the key factors controlling the device performance of plasmonic solar cells include not only the optical properties but also the structural and electrical properties of the resulting hybrid PEDOT:PSS-Ag-NPSM-films. On one hand, the addition of Ag NPSMs led to (1) an increased optical absorption; (2) light scattering at high angles which could possibly lead to more efficient light harvest in OSCs. On the other hand, the following results have been found in the hybrid films: (1) the surface roughness was found to be increased due to the formation of Ag agglomerates, leading to increased charge collection efficiency; (2) the global sheet resistance of the hybrid films also increases due to the excess poly(sodium styrenesulphonate) introduced by incompletely purified Ag NPSMs, resulting in lower short circuit current (Jsc); (3) the Ag nanoprisms and their agglomerates at the PEDOT:PSS/photoactive layer interface could act as recombination centers, leading to reductions in shunt resistance, Jsc and open circuit voltage (Voc). In order to partially counteract the disadvantage (2) and (3), by incorporating further purified Ag NPSMs and/or a small amount of glycerol into PEDOT:PSS, the sheet resistance of hybrid PEDOT:PSS-Ag-NPSM-films was reduced to a resistance value comparable to or lower than that of pristine film

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:30:19Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2012-03-05Bitstream added on 2014-06-13T20:07:39Z : No. of bitstreams: 1 catto_ac_me_bauru.pdf: 1118478 bytes, checksum: 91862c7c0ab732aaf99e455ed18b8bb1 (MD5)
As alterações climáticas, em grande parte, proveniente da emissão de CO2 derivado da queima de combustíveis fósseis para produção de energia, têm incentivado a pesquisa e o desenvolvimento de novas fontes alternativas de energia menos pulentes e que produzam pouco impacto ambiental. Uma das alternativas energéticas mais promissoras é a energia gerada pelo sol, principalmente em países onde há um alto índice de incidência de radiação solar. O óxido de zinco (ZnO) apresenta transmitância óptica na região do visível acima de 80% e baixa resistividade elétrica. Este material tem sido estudado como candidato para substituir o In2O3:Sn (ITO) em aplicações como eletrodos de células solares, pois além de ser economicamente viável, é atóxico e possui alta estabilidade química. Neste trabalho filmes finos de ZnO puro foram depositados pelas técnicas de spin, dip-coating e evaporação por feixe de elétrons (EBE). As resinas precursoras de ZnO foram sintetizadas pelo método dos precursores poliméricos utilizando diferentes precursores de Zn (acetato, óxido ou nitrato de zinco), com a finalidade de investigar as propriedades estruturais e ópticas dos filmes finos de ZnO preparado por diferentes técnicas e diferentes precursores. Os filmes foram caracterizados por difração de raios-X (DRX), medidas de espectro na região do UV-vi e microscopia de força atômica (AFM). Todas as amostras obtidas através das diferentes técnicas de deposição apresentaram alto grau de transmitância óptica (80%) e o mesmo valor de energia de gap (3,28 e V). Também foram obtidas amostras na forma de pó, sintetizado com os três diferentes precursores, visando um estudo aprofundado da influência do precursor utilizado nas propriedades do material. As amostras foram caracterizadas por difração de raios X, análises...
Climate changes are mainly due to the increasing CO2 atmospheric concentration caused by the burning of fossils fuels. In this context, researh and development of alternative sources of renewable energy have been encouraged for energy production. One of most promising alternative for energy production is Solar Energy, especially in countries with high incidence of solar radiation. Zinc oxide thin films usually have high transmittance in the visible range and low resistivity. This material has been studied as a candidate to replace In2O3:Sn(ITO) in applications such as electrodes in solar cells due of the righ cost of indium and its limited availability. Furthermore ZnO is chemically stable and non-toxic. In this work undoped zinc oxide thin films were deposited by the techniques of spin-coating, dip-coating and Electron beam evaporation (EBE). Resins of ZnO were synthesized by the polymeric precursor method using different zinc precursors (zinc acetate, oxide or nitrate) in order to study the structural and optical properties of thin films prepared by different techniques and using different precursors. The prepared samples were characterized by X-ray diffraction measurements (XRD), UV-vis spectra, and atomic force microscopy (AFM). All samples prepared by different deposition techiniques present transmition larger than 80% in the visble range and band gap of 3,28 eV. Also were obtained powder or ZnO synthesized using three different precursor in order to study the influence of precursor utilized in properties of material. The powder were characterized by X-ray diffraction (XRD), photoluminescence (PL) spectroscopy, field emission scanning microscopy (FE-SEM), thermogravimetry (TG) and differential thermal analysis (DTA). Through these characterization techniques it was showed that the polymeric precursor... (Complete abstract click electronic access below)

Orientadores : Paulo Motisuke ; Kamal A. R. Ismail
Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Campinas
Made available in DSpace on 2018-07-17T20:39:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Moro_JoaoRoberto_D.pdf: 3402700 bytes, checksum: b3dcb8defa1bb546d31c89c6eaf624c9 (MD5) Previous issue date: 1986
Resumo: São apresentados métodos de fabricação de células fotoeletroquímicas solares (CFE), usando anodos fotossensíveis de CdSexTe1-x e catodos de CoS, imersos em eletrólitos de poli sulfetos. Caracterizações dos eletrodos e do eletrólito, usando técnicas de eletroquímica e de espectroscopia óptica, forneceram subsídios na otimização dos processos de fabricação destas CFE. Foram fabricados dois tipos de protótipos de CFE, os quais foram testados e analisados como dispositivos conversores de energia. Sua análise técnica econômica mostrou a viabilidade de produção destes dispositivos em escala industrial
Abstract: We present the preparation method of photoelectrochemical solar cells (PEC), using CdSexTe1-x CoS electrodes, immersed in polysulfide electrolytes. Electrochemical and optical characterization techniques of electrodes and electrolytes contributed to improve the processes of PEC fabrication. We produced two PEC prototypes which were tested and analysed as energy conversion devices. The technical and economical analysis of the cell show the feasibility of its industrial production
Doutorado
Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador : Marco-Aurelio De Paoli
Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Quimica
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Doutorado

Orientador: Ana Flavia Nogueira
Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Quimica
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Resumo:Células solares orgânicas têm despertado atenções devido ao baixo custo de produção e dos materiais utilizados, bem como devido à versatilidade química e de propriedades eletrônicas e ópticas dos semicondutores orgânicos. A eficiência atual atinge 5% (100 mWcm). Nanotubos de carbono encontram suas aplicações nessas células ora como eletrodos transparentes ora como material receptor de elétrons. Nesse trabalho, foi realizada a modificação química de nanotubos de carbono de única camada com grupos tióis, visando a incorporação de nanopartículas metálicas ou semicondutoras. O material de partida, bem como os nanotubos modificados, foi caracterizado por Espectroscopia Raman, Espectroscopia de Fotoelétron por Raios-X, Análise Térmica e Microscopia Eletrônica de Transmissão de Alta Resolução. Foi necessário um pós-tratamento (térmico e lavagens com diversos solventes) para que pudéssemos obter nanotubos individuais e funcionalizados. O pós-tratamento também possibilitou um aumento na fotocorrente dos dispositivos em comparação com o dispositivo sem nanotubos de carbono. A incorporação de nanopartículas de ouro no sistema P3HT/fulereno acresceu a fotocorrente e o fator de preenchimento dos dispositivos. Estudos de caracterização através de difração de raios-X, espectroscopia UV-visível e microscopia de força atômica, indicam que esse aumento está relacionado a uma mudança na morfologia do sistema, aumentando a cristalinidade do polímero e também ao efeito plasmônico com a adição das nanopartículas. Imagens de microscopia eletrônica de transmissão revelaram que as nanopartículas de ouro estão distribuídas tanto na fase polimérica quanto na fase contendo moléculas de fulereno
Abstract: Organic solar cells have attracted attention due to their low costs of production and materials used, as well as the chemical versatility and good electronic and optical properties of organic semiconductors. The current efficiency reaches 5% (100 mWcm). Carbon nanotubes materials can be applied in these cells as both transparent electrode or as electron acceptor materials. In this work, the chemical modification of single wall carbon nanotubes was carried out attaching thiol groups, aiming the incorporation of semiconductor or metallic nanoparticles. The raw material and the modified nanotubes were characterized by Raman Spectroscopy, X-ray Photoelectron Spectroscopy, Thermal Analysis and High Resolution Transmission Electron Microscopy. A post-treatment (thermal and washing with different solvents) was necessary in order to obtain single functionalized nanotubes. The post-treatment also allowed an increase in the photocurrent of the devices compared to the device without carbon nanotubes. The incorporation of gold nanoparticles in the P3HT/fullerene system increased the photocurrent and the fill factor of the devices. X-Ray diffraction, UV-vis Spectroscopy and Atomic Force Microscopy studies reveal that such increase can be related to the plasmonic effect and also to a change in the morphology, increasing polymer crystallinity after incorporation of the gold nanoparticles. High resolution transmission microscopy images showed that the nanoparticles are distributed between both polymer and fullerene phase.
Mestrado
Físico-Química
Mestre em Química