2.3 – MECANISMO DE FUNCIONAMENTO: TRANSPORTE E COLETA DE CARGAS

Os dispositivos fotovoltaicos produzem corrente elétrica quando expostos à iluminação e podem ser classificados conforme a aplicação tecnológica de cada um deles. Na detecção de luz, existem os fotodetectores ou fotocondutores. Já para conversão de potência elétrica existem as células fotovoltaicas.

Em uma junção de um material dopado com portadores tipo P e outro N (junção PN), como em células solares, para que o processo de conversão de energia luminosa em energia elétrica ocorra, é necessário que haja a criação adicional de cargas positivas e negativas através da absorção da luz. Tais cargas, que podem se mover entre as extremidades da junção, promovem o aparecimento de uma diferença de potencial que

17

pode ser transmitida para um circuito externo[4]. A Figura 2.6 ilustra o processo de absorção de um fóton com valor de energia maior que a energia de banda proibida do material usado na junção, que promove os elétrons da banda de valência para a banda de condução, originando pares elétron-buraco, que também são chamados de éxcitons. Além do surgimento do potencial elétrico, surge uma corrente elétrica fotovoltaica (fotocorrente) que está relacionada ao transporte do excesso cargas livres até os eletrodos da célula solar. O éxciton, quando criado, também pode se difundir ao longo do semicondutor, separar-se em cargas livres ou se recombinar emitindo um fóton com menor energia, resultando na fotoluminescência [4]. Em uma célula solar, o processo de fotoluminescência é um problema, já que os portadores de carga criados estão sendo liberados em forma de energia luminosa, e não em energia elétrica [30]. Uma das maneiras de mitigar este efeito indesejado neste tipo de dispositivo é selecionar materiais adequados e fabricar a junção bem próxima da área superficial na qual ocorrerá a incidência da luz.

Figura 2.6 – Processo físico de geração de um par elétron-buraco através da absorção óptica [30].

Todavia, em materiais orgânicos o processo de geração de cargas é mais complicado. Quando um fóton é absorvido pelo material, cria-se um estado excitado e cargas não livres. Para gerar uma boa fotocorrente, os éxcitons necessitam ser dissociados rapidamente para evitar o processo de recombinação de cargas [29], [30], [29]. Estas recombinações geram perdas na corrente elétrica e estão relacionadas a defeitos ou outros fenômenos que ocorrem na estrutura do semicondutor e que dão origem ao aparecimento de estados de energia intermediários de menor energia dentro da banda proibida [29], [30]. Na Figura 2.7 é possível notar de forma esquematizada a seção transversal de uma célula solar orgânica fabricada com estrutura simples, na qual apenas um filme do polímero semicondutor encontra-se entre dois eletrodos.

EC

EV

EG

18

Figura 2.7 – Representação esquemática da seção transversal de uma célula solar orgânica fabricada com a estrutura simples de apenas com uma camada de polímero entre dois eletrodos.

Em dispositivos fabricados com apenas uma camada polimérica fotossensível, a eficiência em absorção luminosa se limita a apenas um material. Como mencionado anteriormente, após a absorção dos fótons, o material cria os éxcitons que necessitam ser dissociados para a geração da fotocorrente. Nesse tipo de dispositivo, as regiões de dissociação dos éxcitons encontram-se na interface entre o polímero semicondutor e o eletrodo metálico, já que nessa região o campo elétrico é mais intenso e propicia a dissociação [29], [30]. Essa região é denominada de “região ativa” (Figura 2.7) e o tamanho dela está relacionado ao comprimento de difusão do éxciton. Nos materiais poliméricos esta dimensão é cerca de 10nm, justificando o desenvolvimento dos dispositivos com filmes muito finos [15].

Uma alternativa bastante difundida para ampliar o espectro de absorção são as soluções em mistura com dois materiais semicondutores com diferentes valores de energia de banda proibida. Nesse tipo de camada ativa, os processos de difusão, transferência e dissociação de cargas podem ocorrer no próprio filme fotossensível entre interfaces dos domínios que são formadas entre os dois materiais misturados. O processo de geração de fotocorrente em células solares orgânicas se resume nas etapas mostradas no fluxograma da Figura 2.8(a) e explanadas conforme visto na Figura 2.9.

Eletrodo Transparente Polímero Eletrodo Metálico Região Ativa ~10nm Luz Éxciton

19

Figura 2.8 – a) Fenômenos físicos envolvidos na geração da fotocorrente em células solares orgânicas e b) diagrama de bandas dos materiais usados no trabalho (fora de escala).

Figura 2.9 – Esquema da interface doador/aceitador. (1) Absorção de luz com a formação de um éxciton; (2) difusão para a interface transferência de elétrons e buracos; (3) dissociação do par elétron-buraco e (4) transporte para os eletrodos [23], [29], [30].

A mistura de um polímero doador com um aceitador proporciona a criação de interfaces em que pode ocorrer a transferência de carga de um material para o outro dependendo dos valores de energia de HOMO e LUMO de cada um deles. A Figura 2.8(b) mostra o diagrama de bandas dos materiais utilizados neste trabalho com os respectivos

Transporte e coleta das cargas Absorção do fóton Criação do éxciton Difusão do éxciton Transferência de carga Dissociação b) a)

20

valores de HOMO, LUMO e função de trabalho. Como é mostrado na Figura 2.8(a), na interface entre o PBTTPD e N2200 pode haver a transferência de elétrons do PBTTPD para o N2200 e também a transferência de buracos do N2200 para o PBTTPD proporcionando uma melhor difusão das cargas pelo material. A combinação entre o doador e aceitador forma uma blenda onde há uma transferência de carga interna que possibilita a redução do valor efetivo da energia de banda proibida. Desse modo, o espectro de absorção dos semicondutores é ampliado, proporcionando uma maior absorção de fótons. Além disso, há o ajuste dos níveis de energia e o controle da formação de agregados quando os dois materiais são misturados, o que resulta no aumento tanto da mobilidade de buracos quanto na eficiência de conversão de potência [12], [15], [66].