Muestra orgánica fotovoltaica bajo prueba.
Dispositivos fotovoltaicos, también conocidas como células solares, producir energía eléctrica cuando se expone a la luz, y esa tecnología ha permitido una industria de rápido crecimiento. Los diseños más familiares utilizan capas rígidas de cristal de silicio. Pero recientemente, El interés intenso se ha centrado en los dispositivos fotovoltaicos orgánicos (OP) que utilizan materiales semiconductores orgánicos económicos intercalados entre dos electrodos metálicos. Los dispositivos OP pueden hacerse flexibles y fácilmente portátiles. Imagina una carpa que una vez configurado, actúa como un gran sistema solar que se puede utilizar para recargar dispositivos electrónicos portátiles y luces para la próxima noche de campamento.
Sin embargo, En este momento, los dispositivos fotovoltaicos orgánicos se ven obstaculizados por la baja eficiencia en relación con las células solares comerciales, en parte porque cuantificar sus propiedades eléctricas ha demostrado ser un desafío. Por lo tanto, Los modelos predictivos y las métricas cuantitativas para el rendimiento del dispositivo son fundamentales.
Científicos del Laboratorio de Medición Física del NIST, dirigido por David Gundlach y Curt Richter de la División de Semiconductores y Metrología dimensional, junto con James Basham, un investigador invitado de la Universidad de Penn State, han desarrollado un método que permite predecir la curva de densidad-voltaje de corriente de un dispositivo fotovoltaico. 1 Este nuevo método utiliza una técnica de medición común (espectroscopia de impedancia) que es asequible, ampliamente disponible para los fabricantes, y relativamente fácil de realizar. La técnica es repetible, no destructivo razonablemente rápido (≈15 min para probar un dispositivo), y, gracias a un análisis y una metodología rigurosos creados por Basham, proporciona una lectura completa de las propiedades de corriente-voltaje del dispositivo que antes era ilusoria para la mayoría de los investigadores que trabajan en el campo. Finalmente, esta técnica permite probar el dispositivo en condiciones reales.
"Este avance en la medición debería permitirnos optimizar más rápidamente las células solares, "Afirma Richter." Podemos ver lo que sucede electrónicamente en todo el dispositivo. En tono rimbombante, ¿Cuánto tiempo existe la carga una vez creada y cuánto tiempo se tarda en llevar la carga fotogenerada a través de la mezcla de semiconductores a los electrodos? Cuanto mayor sea la diferencia entre la vida útil de la carga y el tiempo de tránsito del dispositivo, aumentará en gran medida la probabilidad de que un dispositivo fotovoltaico sea una fuente de energía eléctrica más eficiente ".
Actualmente a nivel de laboratorio, La prueba de voltaje de corriente de dispositivos fotovoltaicos orgánicos se realiza típicamente analizando el funcionamiento del dispositivo en cualquiera de los extremos del espectro de polarización del dispositivo, es decir, un cortocircuito o un circuito abierto, y tratar de inferir de esos resultados lo que está sucediendo eléctricamente dentro del dispositivo. Pero, cuando el dispositivo no funciona como un "libro de texto" o una célula solar "ideal", la imagen de lo que está sucediendo en el dispositivo entre estos extremos de sesgo rápidamente se nubla.
"Ese enfoque solo funciona si la recombinación (donde los portadores de carga se eliminan en lugar de continuar fluyendo a través del dispositivo) en un sesgo es nominalmente idéntica a la generación de carga en el otro, "Dice Gundlach." En un buen dispositivo, esos deberían ser aproximadamente iguales. En un dispositivo no ideal, podrían ser muy diferentes. Con nuestra técnica, De hecho, podemos mapear la gama completa de características de un extremo al otro y desenredar la generación, transporte, y diferentes mecanismos de pérdida en todo el rango de sesgo ".
El resultado de esta nueva técnica es la reproducción precisa de la curva de voltaje-densidad de corriente del dispositivo a través de todo el rango de voltaje entre los extremos de polarización. Esto permite a los investigadores identificar dónde existen problemas en el dispositivo y puede servir como un modelo de qué corregir en el dispositivo.
Primer plano de muestra orgánica fotovoltaica.
"Combinando las propiedades físicas, vidas, y las concentraciones de portadores con una imagen precisa a nanoescala de la microestructura de la película semiconductora realmente brindan una imagen completa de cómo funciona el dispositivo y qué limita estos dispositivos para que no alcancen sus límites de rendimiento teóricamente predichos. "Explica Gundlach." Nuestros colegas en el Laboratorio de Medición de Materiales del NIST han avanzado enormemente en la comprensión de este último campo. Ahora estamos en una posición mucho mejor para reunir toda la información, y luego podemos desarrollar modelos de dispositivos más precisos físicamente, pautas de diseño de materiales mejor informadas, y, en última instancia, relacionar más estrechamente las propiedades de los materiales con los métodos de procesamiento y el rendimiento de las células solares ".
Y dado que el proceso físico que gobierna la energía fotovoltaica orgánica es muy similar a otros semiconductores orgánicos (diodos emisores de luz orgánicos, por ejemplo, que prevalecen en las pantallas electrónicas), Las futuras aplicaciones de esta técnica a otras industrias parecen sencillas.
"Gran parte del conocimiento que se está desarrollando aquí también se puede aplicar para hacer mejores diodos emisores de luz orgánicos, Richter explica. Las muestras orgánicas fotovoltaicas utilizadas en este estudio se desarrollaron internamente en el NIST. El dispositivo de 100 nm de espesor tiene una estructura de tres capas:un electrodo superior semitransparente, la fotovoltaica orgánica, y un electrodo inferior, colocado sobre una pieza de vidrio de 1 pulgada.
Para las mediciones de espectroscopia de impedancia, la muestra se instaló debajo de una luz blanca de banda ancha LED, calibrado para una iluminación solar (luz solar natural).
La medición en sí es conceptualmente simple:"Estamos aplicando un voltaje oscilante a través del dispositivo y midiendo la corriente que sale, "Richter explica." Hacemos esto debajo de la luz solar simulada. Matemáticamente, estamos viendo el cambio de fase de la corriente de salida en relación con el voltaje de entrada ".
Estos resultados, combinado con el análisis y la metodología de Basham, proporcionan una medición relativamente económica que tiene un gran valor para comprender los mecanismos de pérdida dominantes en todo el rango de polarización de un dispositivo.
"Ahora, una pequeña empresa de nueva creación puede comprar un espectrómetro de impedancia y hacer esta medición con nuestro papel en la mano porque les dice cómo, "Afirma Gundlach.
"También podemos hacer estas mismas medidas sin la fuente de luz en el mismo rango de voltaje, "Gundlach continúa, "y no obtienes exactamente la misma respuesta. Hay partes de la comunidad que han argumentado que puedes hacer estas medidas oscuras y obtener la misma respuesta".
Más recientemente, Gundlach y Basham, en colaboración con el Laboratorio de Medición de Materiales del NIST, utilizó esta técnica en combinación con una técnica de medición separada llamada Fotovoltaje Transitorio de Perturbación Grande (LPTP). 2 En LPTP, la muestra orgánica fotovoltaica se ilumina con un pulso láser, lo que da como resultado un alto voltaje temporal que decae durante un tiempo de nanosegundos a segundos. Se mide el voltaje, y se produce una curva de datos basada en el tiempo que tarda el voltaje en bajar a su estado oscuro. Estos datos resultantes proporcionan información adicional sobre los efectos de recombinación en el dispositivo que la espectroscopia de impedancia no puede proporcionar.
Las comparaciones de la vida útil de la carga fotogenerada en función de la densidad de carga en un amplio rango de densidad de carga producida por ambos métodos fueron las mismas, confirmando que ambas técnicas podrían medir con sensibilidad y precisión los procesos de generación y recombinación de manera consistente.
"Esa es una validación importante de estas técnicas de medición y métodos de análisis que no se ha mostrado explícitamente antes para estos dispositivos; solo se asume, "Afirma Gundlach.
