Propriedades ópticas e elétricas de copolímeros baseados em unidades de Tiofeno, Fluoreno e Fenileno para aplicação em dispositivos Fotovoltaicos

Abstract

Resumo: Neste trabalho, uma nova série de copolímeros foi investigada como camada doadora de elétrons em dispositivos fotovoltaicos. Por meio da copolimerização é possível combinar propriedades e comportamentos de diferentes materiais. Os copolímeros usados neste estudo consistem de unidades de tiofeno, fenileno e fluoreno, nos quais a quantidade de tiofeno foi mantida constante e variou-se a razão de unidades de fenileno e fluoreno. Para cada copolímero, apresentamos resultados em três estruturas distintas: monocamada, bicamada e heterojunção. Usando moléculas de C60 depositadas por evaporação como aceitadores de elétrons na estrutura bicamada, demonstrou-se o efeito de diferentes espessuras no desempenho dos dispositivos. O transporte elétrico nos dispositivos bicamada foi analisado a partir de um modelo de transporte e injeção de cargas, indicando que há uma dependência das mobilidades efetivas de elétrons e de buracos em função da espessura dos filmes. No sistema de heterojunção, a molécula metanofulereno éster metílico do ácido 6,6- fenil-C61 butírico (PCBM) foi empregada como aceitadora de elétrons em mistura com os copolímeros e os resultados obtidos demonstram boa eficiência de oto-conversão. Para um dos copolímeros, foi encontrada uma concentração ótima de moléculas de PCBM que podem ser adicionadas ao copolímero para maximizar a foto-corrente.

Abstract: In this work, a new series of co-polymers were investigated as electron donor layer in photovoltaic devices. By means of copolymerization it is possible to combine properties and behaviors of different materials. The copolymers used in this study are composed of thiophene, phenylene and fluorine units, where the thiophene content was kept constant while the fluorine/phenylene ratio was varied. For every co-polymer ratio, we report results in three different structures: monolayer, bilayer and bulk heterojunction. Using vapor-deposited C60 as the electron acceptor in bilayer structures, we show the effect on the devices performance by altering the copolymer thickness. The charge transport of the bilayer devices were further analyzed using a charge injection/transport model which indicated a dependence of effective mobility on film thickness. For the bulk heterojunction system [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) was used as the electron acceptor and the results have shown good photon-conversion efficiency. For one of these copolymers, it was found an optimum PCBM concentration that can be added to the copolymer in order to increase the photocurrent.