Copper indium sulfide colloidal quantum dot solar cells
- Autores: David Tan Soo
- Directores de la Tesis: Gerasimos Konstantatos (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) ( España ) en 2016
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Peter Reiss (presid.), Valerio Pruneri (secret.), Andreu Cabot Codina (voc.)
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- Resumen
Conseguir la ubicuidad de la tecnología de conversión de energía solar es un objetivo fascinante al que aspiramos en el presente siglo. Las células solares de puntos cuánticos coloidales, CQD, constituyen una plataforma interesante, debido a su bajo coste y a que permiten un control sencillo sobre las propiedades de la película y la fabricación de dispositivos, pero que hoy día están dominadas por PbS. El CuInS2 (CIS) es una alternativa no tóxica pero que no ha sido estudiada a fondo para su uso en células solares de CQD. El objetivo de este trabajo es incorporar nanocristales, NCs, de CIS en toda la gama de materiales de células solares de CQD, mediante la creación de sólidos optoelectrónicos de CQD, fabricando dispositivos funcionales con diversas arquitecturas e identificando y superando las limitaciones de las propiedades de los materiales y los mecanismos de los dispositivos.
Describimos una estrategia sintética que resultó en CIS NCs que pueden ser depositados en forma de sólidos de CQD con espesores controlables. Los CIS NCs son típicamente sintetizados con tioles de cadena larga que son difíciles de eliminar de su superficie. Introdujimos aminas y fosfinas, un calcogenuro y oleato de zinc para substituir las funciones que realizaba el tiol. Esto generó NCs cúbicos de tamaño y propiedades ópticas controlables, de 2 nm a 3.2 nm con Eg de entre 2.5 eV y 1.5 eV. Estás partículas también son bajos en cobre, y su superficie está cubierta de indio y zinc. Mediante este proceso hemos podido diseñar un protocolo de intercambio de ligandos utilizando ácidos duros para generar películas de CQD en estado sólido; esto avanza la ingeniería de dispositvos optoelectrónicos.
Fabricamos dispositivos optoelectrónicos e identificamos las propiedades de película fina que podrían limitar el rendimiento del dispositivo. Estas películas de tipo-p conducen, a pesar de tener bajas movilidades (~10-5 cm2V-1s-1) y de mostrar características que indican altas densidades de trampa (largos decaimientos fotoconductores). Fabricamos dispositivos optoelectrónicos como transistores, fotodetectores y células solares. En las células solares, los sólidos de CQD de CIS han dado buenos Vocs, en torno a 0.6 V, pero bajas Jscs, ~1 mA/cm2, y FFs, ~0.30. Los coeficientes de absorción de los sólidos de CQDs de CIS indicaron que la IQE de estos dispositivos está muy por debajo del 10%. Esto destaca la importancia de solucionar la alta densidad de trampas en los sólidos de punto cuántico.
Los bajos Jsc y FF fueron abordados utilizando una arquitectura de bulk heterojunction, BHJ. Esta arquitectura se fabricó aumentando el tamaño de poro de la red de TiO2, lo que permitió una infiltración uniforme y profunda de los CIS NCs. Con BHJ hemos mejorado el rendimiento de las células solares de CQD de CIS, aumentado las Jsc y los FFs, con incremento de seis veces en la eficiencia, del 0.15% inicial al 1.16%. A partir del análisis de las mediciones de Suns-Voc, -Jsc y Voc y Jsc transitorios, hemos identificado que los dispositivos de BHJ tienen una menor recombinación asistida por trampa y una menor EU para la extracción de huecos. Esto fue confirmados por los cambios en la fotoluminiscencia del dispositivo total. Sugerimos que la estructura de BHJ permite el quenching de los tail states más profundos cerca de la valencia en CIS por la transferencia de electrones de TiO2.
Hemos intentado introducir nanocristales de CIS en dispositivos optoelectrónicos, comenzando por precursores moleculares sintéticos hasta el diseño de estructuras supramoleculares. En cada etapa, hemos destacado el material y las propiedades de película y de dispositivos que serán necesarios para conseguir un buen rendimiento. Este trabajo tiene como objetivo final estimular un nuevo interés en futuros desarrollos de células solares de CQD de CIS, abriendo la posibilidad para fotovoltaicas no tóxicas de CQD.
