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 Study of air-processed Si-NC/P3HT hybrid solar cells
Please use this identifier to cite or link to this item http://hdl.handle.net/10773/6451

title: Study of air-processed Si-NC/P3HT hybrid solar cells
other titles: Estudo de células solares híbridas de Si-NC/P3HT
authors: Desta, Derese Gugsa
advisors: Pereira, Rui N.
Cunha, António F. da
keywords: Ciência dos materiais
Energias renováveis
Células solares
Materiais híbridos orgânico-inorgânico
Nanocristais
issue date: 2010
publisher: Universidade de Aveiro
abstract: Neste trabalho são estudadas células solares híbridas formadas por poli(3- hexiltiofeno-2,5-diyl) (P3HT) como condutor orgânico de buracos e nanocristais de silício (Si-NCs) como conductor de electrões inorgânico. Células solares híbridas têm atraído muita atenção nos últimos anos devido ao facto de serem potencialmente fabricadas a baixo custo, a sua flexibilidade e baixo peso. As possibilidades de processamento em solução e ajuste da região espectral de absorção, a baixa toxicidade, e a abundância fazem dos Si-NCs um material atractivo para aplicação em células solares. Si-NCs de elevada qualidade podem hoje em dia ser produzidos em larga escala a partir da fase gasosa através da decomposição de silano num plasma. Embora a superfícies destes Si-NCs seja terminada com ligações Si-H durante a sua síntese, estes desenvolvem uma camada de óxido na superfície quando são expostos ao ar. Até agora, células híbridas de Si-NC/P3HT foram fabricadas com Si- NCs que não foram expostos ao ar após a sua síntese e foram posteriormente estudadas em condições de atmosfera inerte, devido à expectativa de que a exposição ao ar resulta na sua degradação. No entanto, o processamento de dispositivos em atmosfera inerte impõe limitações em termos técnicos e custo. Nesta tese estudamos o efeito do processamento em atmosfera de ar na performance e degradação de células solares híbridas de Si-NC/P3HT. As células foram fabricadas em ar e em atmosfera de azoto e caracterizadas à temperatura ambiente e condições de exposição ao ar. Para produzir a células solares foram usados Si-NCs que foram expostos ao ar após a síntese e que por isso contêm uma camada de óxido na sua superfície. Para remover esta camada, nós usamos um método de erosão química com uma solução diluída de ácido hidroflurico (HF). Células solares fabricadas com uma mistura de 1:1 em percentagem de peso (wt.%) de Si-NC:P3HT não revelaram qualquer efeito fotovoltaico. Dispositivos fabricados com uma mistura de 2:1 wt.% de Si-NC:P3HT mostraram efeito fotovoltaico, devido à formação de uma rede interpenetrara de Si-NC e P3HT em toda a extensão do filme foto activo, tal como revelado em imagens de microscopia electrónica de varrimento. Dispositivos fabricados em atmosfera inerte não revelaram uma performance melhorada em relação aos dispositivos produzido em atmosfera de ar, indicando que a fabricação das células solares em ar não é o factor determinante da performance das nossas células solares. Células solares que mostraram um efeitos fotovoltaico degradaram-se rapidamente por exposição ao ar. Em contrate, filmes de P3HT e de misturas Si-NC/P3HT, estudados em experiências separadas, não revelaram uma degradação significativa por exposição ao ar. Estes resultados indicma que a degradação das células solares não deve resultar da degradação da camada foto activa de Si-NC/P3HT, mas poderá resultar da degradação de interfaces entre as varias camadas que compõem as células. Medidas de ressonância paramagnética electrónica (RPE) foram levadas a cabo com os Si-NCs usados nas nossas células e com Si-NCs usados para fabricar as células estudadas em trabalhos publicados anteriormente por outros grupos. Estas medidas revelaram que o número de defeitos superficiais por nanocristal nos nossos Si-NCs é cerca de três ordens de grandeza superior ao número encontrado nos Si- NCs usados anteriormente. Este facto poderá explicar a baixa performance fotovoltaica os nossos dispositivos.

We study-air-processed organic-inorganic hybrid solar cells, which incorporate poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) as organic hole conductor and silicon nanocrystals (Si-NCs) as inorganic electron conductor. Hybrid solar cells have received a lot of attention in recent years due to their low cost, flexibility and lightweight. Solution processability, nontoxicity, abundance and tunable absorption spectral range of Si-NCs make them attractive materials for application in solar cells. High quality Si-NCs can now a days be produced in large amounts from the gas phase decomposition of silane in a plasma. Although the surface of these Si-NCs is terminated with Si-H bonds immediately after synthesis, they develop an insulating native oxide shell after being exposed to air. So far, Si-NC/P3HT hybrid solar cells have only been fabricated using Si-NCs that have not been exposed to air after synthesis and afterwards characterized under inert atmosphere conditions due to the expectation that air exposure of the devices leads to their degradation. However, inert atmosphere processing has some technical and cost efficiency limitations. In this thesis, we study the effect of air-processing on the performance and degradation of solar cells based on Si-NC/P3HT. Hybrid solar cells were fabricated in air and under nitrogen ambient and characterized at room temperature under atmospheric air. To produce our solar cells we use Si-NCs that have been stored in air after plasma synthesis and, therefore, contain a native oxide at their surface. To remove this oxide layer we apply wet etching with a dilute hydrofluoric acid (HF) solution. Solar cells made from 1:1 wt.% (HF-etched Si-NC:P3HT) composition did not show detectable photovoltaic effect. A very small photovoltaic effect has been observed for devices made from 2:1 wt.% (HF-etched Si-NC:P3HT) composition as a result of the formation of an interpenetrated network throughout the photoactive film at higher NC concentration as seen from scanning electron microscopy. Device fabrication under inert atmosphere did not result in improved solar cell performance. This shows that fabrication of the devices in air was not the main reason for the poor performance of the hybrid solar cells. Moreover, solar cells that exhibited a photovoltaic effect were found to degrade within one day of air exposure. In contrast to this, the conductivity of P3HT, (unetched Si-NC)/P3HT and (HF-etched Si-NC)/P3HT films, studied in separate experiments, did not show significant degradation upon air exposure. These results indicate that the degradation of the solar cells is not due to degradation of individual photoactive layers, but could rather originate from degradation of interfaces between the different layers. Electron paramagnetic resonance measurements carried out with our Si- NCs and with Si-NCs used in previous investigations of Si-NC/P3HT solar cells revealed that the number of surface defects per NC is about three orders of magnitude larger in our NCs than in those used in the previous investigations. This could be a reason for the poor performance of our Si- NC/P3HT hybrid solar cells.
description: Mestrado em Ciência e Engenharia dos Materiais
URI: http://hdl.handle.net/10773/6451
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UA - Dissertações de mestrado

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