Resumen de Chirality sorted SWNTs and their effect on the performance of organic solar cells
Tras el rápido desarrollo económico y social, la demanda de energía ha aumentado drásticamente durante décadas casi en cada rincón del mundo, tanto en la vida diaria como en la industria. Esta demanda se ha satisfecho principalmente con los combustibles fósiles, que a su vez produjeron inmensos daños ambientales que van desde afectar a la calidad del aire hasta el calentamiento global, desde el suelo hasta el agua. Además de eso, se trata de un recurso limitado, con una duración prevista de apenas 150 años, lo cual pone un signo de interrogación en la dirección del desarrollo social y el futuro de la humanidad. Una alternativa a los recursos energéticos convencionales es convertir una energía libre, limpia y renovable, como la luz solar, en energía eléctrica utilizando células solares orgánicas. A pesar de los grandes esfuerzos realizados, la eficiencia de conversión de potencia de los mismos sigue siendo baja debido a la lenta movilidad de carga en los materiales orgánicos. Los nanotubos de carbono de pared única (SWNTs) pueden ser uno de los candidatos para avanzar ya que poseen una alta movilidad de carga y un “bandgap” sintonizable, pero aún no se ha conseguido. Esto es debido a que su fotofísica fundamental no se entiende completamente a causa de la dificultad en la preparación individual o pura de las muestras de quiralidad única, y el control de las mismas en la nanoescala.
El objetivo de esta tesis es comprender las propiedades fotofísicas fundamentales de SWNT / mezcla de polímeros concretamente en su aplicación en células solares orgánicas. En primer lugar, las quiralidades muy puras (6,5) y SWNT (7,5) se separan aplicando una serie de técnicas de purificación para superar algunos problemas conocidos relacionados con la mezcla de quiralidades en una muestra. A continuación, se estudian las muestras mediante espectroscopia de absorción transitoria dependiente del tiempo, desde 100 femtosegundos hasta 50 microsegundos, centrándose en la identificación de posibles especies de estado excitado y su dinámica. Mediante la realización de la simulación espectral global sobre los espectros de absorción transitorios complejos, se rastrea cualitativamente la dinámica de los estados de biexcitón, trión, carga y triplete. Se desarrolla un método que permite por primera vez el rastreo de excitones triplete de transferencia por separado para cada quiralidad.
Para obtener información sobre la movilidad de cargas en la película de la red de SWNT de forma global, se construyeron transistores de efecto de campo a partir de las mezclas SWNT/polímero enriquecidas en quiralidad (6,5) y (7,5) respectivamente, en sustratos comerciales de Si SiO2 pre-digitalizados. Independientemente de la quiralidad del tubo, el efecto de campo efectivo en la movilidad de cargas en las redes SWNT / polímero se encuentra en el intervalo de 0,4-0,8 cm2V-1s-1. La caracterización de la superficie mediante microscopía de fuerza atómica reveló que no existe alineación preferencial en la distribución de los SWNTs sobre el sustrato. En cambio, encontramos una distribución aleatoria y una alta tendencia de agregación. La distribución aleatoria de SWNTs es la causa del fallo en la construcción del dispositivo, ya sea por no cubrir el canal cuando se utiliza una dispersión SWNT diluida, o por la creación de cortocircuitos cuando se utiliza una dispersión concentrada. La distribución aleatoria de los SWNTs se propone como una de las razones principales por las que se obtiene una movilidad 104 veces menor de carga que el valor publicado recientemente en SWNTs similares, pero alineados.
Después de estudiar la fotofísica y la movilidad de las cargas de los SWNTs, P3HT: PCBM y OPV48: las células solares de hetero-unión en masa de PCBM se fabricaron integrando los SWNTs clasificados por la quiralidad en la capa activa. El efecto de SWNT en el rendimiento del dispositivo se prueba con la caracterización eléctrica estándar. Las características J-V mostraron que los dispositivos OSC con SWNTs funcionan peor en comparación con los dispositivos sin ellos. Estono es sorprendente, ya que otros grupos han observado resultados similares, y el sistema aún no está optimizado. Para aclarar el efecto principal de los SWNT sobre los factores decisivos que limitan el rendimiento eléctrico, se aplica espectroscopia de absorción transitoria de femtosegundo en combinación con fotovoltaje transitorio, fotocorriente transitoria y espectroscopia de absorción transitoria de microsegundos.
Se observa que los SWNTs, si se usan en concentraciones suficientemente bajas para evitar el cortocircuito por tubos metálicos, mejoran la extracción de carga muy poco, pero aumentan el coeficiente de recombinación bimolecular por un factor de dos. A baja concentración de SWNT, los dispositivos no se benefician de las movilidades de de carga altas en los SWNT. Este hallazgo se confirma reconstruyendo las curvas J-V medidas con los parámetros del dispositivo obtenidos experimentalmente. La pequeña cantidad de SWNTs, incorporada en la capa activa no formó una red uniforme, sino islas aisladas o sitios de agregación, por lo tanto no transportó con éxito las cargas recogidas en los electrodos aunqueayudó a la recombinación de las misma.
