Desarrollo de nanocompositos híbridos de p3ht/cds, mediante la síntesis in-situ de p3ht en presencia de nanopartículas de cds funcionalizadas para aplicaciones fotovoltaicas

RESUMEN Actualmente, la disponibilidad de la energía se ha convertido en un problema de interés mundial, debido a la creciente demanda energética requerida para satisfacer sus metas económicas y sociales. Es por ello que se buscan alternativas energéticas, que suplan estas necesidades, y una fuente de energía verde y alternativa es la utilización de la energía solar a través de la fabricación de dispositivos solares fotovoltaicos comúnmente llamados celdas solares fotovoltaicas. En este trabajo de investigación se propone una nueva ruta de síntesis in-situ para compositos de P3HT/Np´s CdS (nanopartículas de CdS), que en compañía del fullereno PC71BM, formaran una mezcla ternaria, para la capa activa de una celda solar híbrida. Como material orgánico se tiene al P3HT un polímero derivado de los politiofenos que tiene como característica, la solubilidad en solventes orgánicos comunes lo que facilita su procesabilidad, además es uno de los polímeros conductores más estudiados en la aplicación de celdas solares debido a su alta movilidad del portador y alto coeficiente de absorción óptica en el espectro visible. En la parte inorgánica se sintetizaron nanopartículas de CdS por dos métodos de síntesis: precipitación química y microondas; en general se puede decir que las nanopartículas de CdS han demostrado ser un material inorgánico, con excelentes propiedades de transporte fotoactivo y de carga en dispositivos optoelectrónicos, el cual es apropiado para ser un aceptor en dispositivos híbridos fotovoltaicos. Con la finalidad de incrementar la eficiencia en una celda solar, las nanoparticulas de CdS fueron funcionalizadas con tres agentes para lograr una mejor dispersión de este material dentro de la matriz polimérica, cabe aclarar que se llevó a cabo la síntesis de dos de estos tres agentes de funcionalización. iii La síntesis de los polímeros P3HT y compositos P3HT/CdS fue modificada y llevada a cabo por el método tradicional oxidativo con FeCl3 y CHCl3 en condiciones anhidras a temperatura de 0°C y bajo atmósfera inerte, los compositos fueron sintetizados vía in-situ en presencia de los dos tipos de nanoparticulas de CdS. Se obtuvieron así compositos P3HT/CdS con nanopartículas de CdS por precipitación química funcionalizadas y compositos con Np´s de CdS por microondas funcionalizadas, asi como sus respectivas referencias comparativas (compositos con Np´s de CdS sin funcionalizar). Todos los polímeros y compositos fueron caracterizados por espectroscopía de 1H RMN, FT-IR, UV-visible, TGA, DRX y AFM. Se determinó la presencia de CdS en los compositos debido a que: por 1H RMN se observó un ensanchamiento y desplazamiento de las señales de los protones por la presencia de las nanopartículas de CdS, por FTIR se observó la aparición de nuevas bandas pertenecientes a las nanoparticulas de CdS, también por AFM se corroboró la presencia de Np´s debido al cambio de morfología y rugosidad que tuvieron en comparación con los polímeros P3HT, por otro lado los análisis de DRX mostraron un incremento en la cristalinidad debido a la incorporación de Np´s de CdS dentro del P3HT, la estabilidad térmica se vió de igual forma alterada, así como las propiedades de UV-visible. Finalmente se elaboraron celdas solares bajo la siguiente configuración ITO/PEDOT:PSS/(Polimero ó Composito):PC71BM/PFN/FM, el dispositivo elaborado que mostró mejores eficiencias, fue el fabricado con el composito F3, el cual mostró una eficiencia de ɳ=0.81%, superando al P3HT-3 correspondiente en más del doble, y al P3HT-1 en 0.2%. Los dispositivos fueron probados en un simulador solar bajo iluminación de 100 mW/cm2 a temperatura ambiente. Se logró una mayor incorporación y mejor distribución del CdS en P3HT, lo que condujo a una mayor eficiencia en los dispositivos fotovoltaicos.

ABSTRACT Currently, the availability of energy has become a problem of global interest, due to the growing energy demand required to meet its economic and social goals. That is why energy alternatives are sought, which meet these needs, and a source of green energy and alternative is the use of solar energy through the manufacture of solar photovoltaic devices commonly called photovoltaic solar cells. In this research work a new route is proposed in-situ synthesis for P3HT/Np's CdS composites (CdS nanoparticles), which together with the PC71BM fullerene, will form a ternary mixture, for the active layer of a hybrid solar cell. P3HT organic material is a conductive polymer derived from polythiophenes, whose characteristic is the solubility in common organic solvents, which facilitates its processability, it is also one of the most studied conductive polymers in the application of solar cells due to its high carrier mobility and high coefficient of optical absorption in the visible spectrum. In the inorganic part, CdS nanoparticles were synthesized by two synthesis methods: chemical precipitation and microwaves; in general, it can be said that CdS nanoparticles have been shown to be an inorganic material, with excellent photoactive transport and charge properties in optoelectronic devices, it is appropriate to be an acceptor in hybrid photovoltaic devices. In order to increase efficiency in a solar cell, the CdS nanoparticles were functionalized with three agents, for achieving a better dispersion of this material within the polymer matrix. It should be clarified that the synthesis of two of these three functionalization agents was carried out. The synthesis of the P3HT polymers and P3HT/CdS composites was modified and carried out by traditional oxidative method with FeCl3 and CHCl3 under anhydrous conditions at a temperature of 0 °C and under an v inert atmosphere, the composites were in-situ synthesized in the presence of the two types of CdS nanoparticles. Thus, P3HT/CdS composites were obtained with CdS Np's obtained by chemical precipitation functionalized and composites with CdS Np's obtained by microwave and functionalized, as well as their respective comparative references (composites with Np's of CdS not functionalized). All polymers and composites were characterized by 1H NMR, FT-IR, UV-visible, TGA, DRX and AFM spectroscopy. The presence of CdS in the composites was determined by: in 1H NMR a widening and displacement of proton signals was observed due to the presence of CdS nanoparticles , by FTIR the appearance of new bands belonging to the nanoparticles of CdS was observed, also by AFM was corroborated the presence of Np's due to the change in morphology and roughness that they had compared to simple polymers, on the other hand the XRD analysis showed an increase in the crystallinity due to the incorporation of Np's of CdS within the P3HT, the thermal stability was altered in the same way, as well as the uv-visible properties. Finally, solar cells were prepared under the following configuration: ITO/PEDOT:PSS/(Polymer or Composite):PC71BM/PFN/ FM, the elaborated device that showed the best efficiencies, was the one manufactured with the F3 composite, which showed an efficiency of ɳ= 0.81%, exceeding the corresponding P3HT-3 by more than double, and to P3HT-1 by 0.2%. The devices were tested in a solar simulator under 100 mW/ cm2 illumination at room temperature. Greater incorporation and better distribution of the CdS nanoparticles in P3HT was achieved, which led to greater efficiency in photovoltaic devices.