Estudio de un sistema híbrido, poli(3-hexiltiofeno)- perovskita como capa activa de dispositivos fotovoltaicos

RESUMEN Recientemente, la perovskita de haluro de organometálico especialmente CH3NH3PbX3 (X: I-, Br-, Cl-) ha atraído mucho interés de investigación por sus amplias aplicaciones en dispositivos optoelectrónicos, transistores de efecto de campo, diodos emisores de luz, sensores, dispositivos fotovoltaicos, por mencionar algunos [1]. Estos materiales han demostrado excelentes propiedades optoelectrónicas, como la banda prohibida (band gap) apropiada, gran coeficiente de absorción de la luz, longitudes de transporte de electrones / huecos equilibrados de largo alcance, y así sucesivamente [2]. Además, estos materiales se pueden preparar fácilmente mediante procesos de solución [3]. Se ha investigado una nueva configuración híbrida orgánico-inorgánico ternario (TBHJ) compuesta de polímero, fullereno y perovskita, en sustratos con ITO / PEDOT: PSS y aditivo de diiodooctano (DIO). Se logró mejorar la eficiencia (PCE) en Los dispositivos TBHJ al utilizar DIO como aditivo en la capa activa del dispositivo se le atribuye que este aditivo favorece a la formación de la perovskita mejorando la eficiencia en ~28% con respecto a celdas que solo tenían perovskita [4]. En este trabajo, se realizó una configuración híbrida de celdas solares inorgánica-orgánica con estructura de heterounión ternaria (TBHJ) sobre sustratos de vidrio / ITO / PEDOT: PSS / perovskita - P3HT-PC71BM / PFN / Field’s Metal (FF). El poli(3-hexiltiofeno), P3HT, se sintetizó la polimerización por arilación directa con 0.075% de catalizador. Durante la caracterización del polímero se obtuvo por resonancia magnética nuclear (RMN) un porcentaje de la configuración de diadas HT de 94%, Infrarrojo de transformada de Fourier (FT-IR), en el ultravioleta-visible (UV-vis) del polímero en película se observó una λmax = 501 nm, por voltametría cíclica (CV) se obtuvo un band gap de 2.38 eV, en la cromatografía de permeación en gel (GPC) se obtuvo un peso molecular Mw =10615 ± 3.0 % g/mol y un índice de polidispersidad de 1.44 ± 0.2 %. Por calorimetría diferencial de barrido (DSC) se determinó la Tf = 202.1 °C y la Tc = 179.6 °C del P3HT. El dispositivo logró alcanzar eficiencias (PCE) de 3.22% (%FF = 0.56, Voc = 0.62 V y Jsc = 9.182 mA/cm2). La perovskita se preparó con deposición secuencial por sublimación de CH3NH3I (MAI) en un sustrato con PbI2, respectivamente, y el método de co-solución con PbI2 y MAI se disolvió en DMF y se depositó mediante spin coating. La perovskita se caracterizó fisicoquímicamente por UV-vis, microscopio óptico de refracción (ROM), difracción de rayos X (XRD), CV y microscopía de fuerza atómica (AFM). Además, para preparar la capa híbrida de perovskita, se probaron por diferentes metodologías. Uno de los métodos fue preparar una solución de MAPbI3-P3HT-PC71BM en clorobenceno utilizando perovskita en polvo, esta solución se depositó mediante spin coating. Los dispositivos obtuvieron las siguientes características optoelectricas: PCE = 1.78%, Jsc = 5.36 mA/cm2 (%FF = 0.55, Voc = 0.59 V). La aportación de este trabajo es el desarrollo de un P3HT regiorregular por arilación directa con una PCE arriba del 3%, optimización del método de sublimación para sintetizar perovskita y queda como perspectiva la optimización de la mezcla P3HT-perovskita-fullereno para la capa activa de dispositivos ternarios TBHJ. Esta configuración puede ser un material adecuado de bajo costo para mejorar las eficiencias en celdas orgánicas (OPV), reducción de plomo en los dispositivos con capa activa PbMAI3, una nueva alternativa en dispositivos híbridos.

ABSTRACT Recently, organometallic halide perovskite especially CH3NH3PbX3 (X: I-, Br-, Cl-) have attracted much research interests for their broad applications in optoelectronic devices, including solar cells [1]. These materials have shown excellent optoelectronic properties, such as appropriate direct band gap, large light absorption coefficient, long-range balanced electron/hole transport lengths, and so on [2]. Furthermore, these materials can be easily prepared by solutions [3]. A new organic-inorganic hybrid ternary Bulk Heterojunction (TBHJ) hybrid configuration comprised of nanostructured perovskite-low band gap polymer-fullerene using bulk heterojunction (BHJ) composites on ITO/PEDOT:PSS substrates and diiodooctane (DIO) additive has been investigated. BHJ devices led to an increase in efficiency of ~28% with respect to the cells without perovskite [4]. In this work, hybrid configuration of an organic-inorganic solar cell with ternary bulk heterojunction (TBHJ) structure on glass substrates/ITO/PEDOT:PSS/perovskite /P3HT-PC71BM/PFN/Field ́s Metal was fabricated. Poly(3-hexylthiophene), P3HT, was synthesized by direct arylation polymerization with low 0.075% of catalyst. The P3HT was physicochemically characterized by nuclear magnetic resonance (NMR) obtaining a percentage of the dyad configuration of 94%, infrared Fourier transform (FT-IR), in the ultraviolet-visible (UV-vis) of the polymer in film a λmax = 501 nm was observed, by cyclic voltammetry (CV) a band gap of 2.38 eV was obtained, a molecular weight Mw = 10615 ± 3.0 % g/mol and polydispersity index of 1.44 ± 0.2 % were determined using gel permeation chromatography (GPC). By differential scanning calorimetry (DSC), the Tf = 202.1 °C and Tc = 179.6 °C were determined. The device reached a percentage of efficiency (PCE) of 3.22% (% FF = 0.56, Voc = 0.62 V and Jsc = 9.182 mA/cm2). Perovskite film was prepared with sequential deposition by sublimation of PbI2 and CH3NH3I (MAI), respectively, and the co-solution method with PbI2 and MAI dissolved in DMF and deposited by spin-coating. Perovskite was characterized by UV-vis, refracting optical microscope (ROM), X-ray diffraction (XRD), CV, atomic force microscopy (AFM). Particularly, the perovskite layers fabricated by sublimation method showed a better morphology. Additionally, to prepare the hybrid layer of perovskite, different methodologies were tested. One of them, was to prepare a solution of MAPbI3-P3HT-PC71BM in chlorobenzene using perovskite powder extracted by scraping of layers deposited in glass. This solution was deposited by spin-coating. The addition of the perovskite was done to have as a third component system in the active layer and improve the photovoltaic response; however, the efficiency of the devices decreased PCE = 1.78% by decreasing the Jsc = 5.36 mA/cm2 (% FF = 0.55, Voc = 0.59 V). The contribution of this work is the development of a regioregular P3HT by direct arylation with a PCE above 3%, optimization of the sublimation method to synthesize perovskite and the optimization of the P3HT- perovskite-fullerene mixture for the active layer of perovskite remains as a perspective TBHJ ternary devices. This configuration can be a suitable material of low cost to improve the efficiencies in organic cells (OPV), reduction of lead in the devices with active layer PbMAI3, a new alternative in hybrid devices.