Fabrication of hybrid solar cells based on P3Ht, Zinc Oxide and carbon Nanotubes

Abstract

Recentemente tem-se vindo a registar um interesse significativo no estudo de células fotovoltaicas híbridas devido ao facto da tecnologia requerida para o ser simples e flexível, o que associado a uma eficiente capacidade de conversão da energia solar as tornará economicamente viáveis. A utilização de nanopartículas inorgânicas veio aumentar o potencial interesse neste campo já que os efeitos de confinamento quântico associados ao reduzido tamanho das partículas tem permitido aumentar a eficiência deste tipo de células. Neste trabalho, foram estudadas células fotovoltaicas híbridas à base de poli(3-hexiltiofeno) (P3HT) e nanopartículas de ZnO. Utilizaram-se nanopartículas de ZnO com e sem modificação superficial com o ácido pireno- 1-carboxílico (PCA). Adicionalmente foi ainda estudado o efeito de nanotubos de carbono (CNT) comerciais e de florestas de CNT preparadas por deposição química em fase vapor (CVD), sobre o comportamento dos nanocompósitos de P3HT/ZnO. As nanopartículas de ZnO foram sintetizadas e caracterizadas por SEM, DLS e por espectroscopia no UV-Vis, no IV e de fotoluminescência. A morfologia dos filmes compósitos de P3HT, nanopartículas de ZnO (modificadas ou não) e CNT (componentes da camada activa) foi analisada por SEM. Verificou-se que a modificação superficial das nanopartículas de ZnO com PCA levou a uma ligeira melhoria da sua dispersão na matriz de P3HT, nomeadamente no caso dos nanocompósitos contendo CNT. As propriedades ópticas destes materiais foram estudadas por espectroscopia no UV-Vis e de fotoluminescência. As células solares híbridas foram preparadas com a seguinte configuração: Vidro/ITO/PEDOT:PSS/camada fotoactiva/Al. As suspensões de PEDOT:PSS bem como das camadas fotoactivas foram depositadas por spin-coating sobre um substrato de vidro revestido com ITO, sendo por fim depositada uma camada de alumínio por evaporação térmica. A caracterização dos dispositivos foi feita através de medições de correntetensão sob condições simuladas de iluminação padrão. Apesar da adição de CNT ter levado a um aumento significativo da densidade de corrente, a maioria das células fotovoltaicas preparadas não apresentou actividade fotovoltaica. Por fim, são discutidos possíveis factores que poderão ser responsáveis pelo desempenho insatisfatório dos dispositivos preparados e propostas algumas sugestões para trabalho futuro.

An ever growing interest is now focused on the development of hybrid solar cells as potentially cheap, easy and efficient technology for solar energy conversion. Specifically, the application of inorganic nanoparticles for this purpose can boost cell efficiency due to the particle size-related effects. In the present work, hybrid solar cells based on poly(3-hexylthiophene) (P3HT) and ZnO nanoparticles were investigated. Both unmodified and surfacemodified with pyrene-1-carboxylic acid (PCA) nanoparticles of ZnO were used Additionally, the effect of carbon nanotubes on the properties of P3HT/ZnO composites was tested. Both pristine and CVD-grown carbon nanotubes were applied. ZnO nanoparticles were synthesized and characterized by SEM, DLS, and UVVis, photoluminescence and IR spectroscopies. The morphology of the films of different composites prepared using P3HT, ZnO nanoparticles and carbon nanotubes (active layer composites) was analyzed by SEM. Modification of ZnO nanoparticles with PCA lead to a slight improvement of their dispersion quality in P3HT which was further improved when carbon nanotubes were added to the P3HT / PCA-modified ZnO composite. The optical properties of the ensuing composite materials were studied by UV-Vis and photoluminescence spectroscopies. The hybrid solar cells with the structure Glass/ITO/PEDOT:PSS/active layer composite/Al were prepared by successive spin-coating of the corresponding suspensions on ITO-coated glass substrates, followed by deposition of an aluminium layer by thermal evaporation. The current-voltage characteristics of the cells were measured under simulated standard illumination conditions. Although the addition of carbon nanotubes yielded a significant increase in current density, most of the cells did not show any photovoltaic effect. Finally, possible factors responsible for the low efficiency of the cells prepared are discussed and some suggestions for future work are proposed.