Compact modeling of physical mechanisms in organic solar cells

Resumen

INTRODUCCIÓN Las células solares orgánicas/poliméricas (CSOs) son unos dispositivos electrónicos prometedores en el campo de la conversión fotovoltaica. Las células solares orgánicas presentan las ventajas propias de la electrónica orgánica: flexibilidad, bajo peso y pueden imprimirse en áreas grandes. Sin embargo, los valores actuales de eficiencia están por debajo de la eficiencia de una célula solar estándar. Otra desventaja es la degradación que sufren las células solares orgánicas debido a la exposición al aire y a la luz, disminuyendo su tiempo de vida media [1, 2]. Para lograr la comercialización de esta tecnología es necesario un esfuerzo conjunto entre desarrollo e investigación para mejorar la eficiencia y el tiempo de vida de estos dispositivos [1, 2]. Una de las regiones más sensibles de una célula solar orgánica es la zona de contacto entre el electrodo metálico y el material orgánico. Por un lado, los contactos controlan el flujo de la corriente. Por otro lado, la región del contacto es altamente sensible a la degradación. La formación de una capa aislante cerca a la interfaz metal-orgánico o el decrecimiento de la velocidad de recombinación en el contacto son efectos desfavorables que reducen la eficiencia de las células solares [3, 4]. Para optimizar el rendimiento de estos dispositivos es requisito indispensable una detallada descripción de los mecanismos físicos que tienen lugar en la estructura metal-orgánico. El modelado y la simulación de estas estructuras son herramientas muy adecuadas para conseguir este objetivo. DESARROLLO TEÓRICO El tema central de esta tesis es el modelado y simulación de células solares orgánicas. En general, para modelar la generación y el transporte de carga en células solares orgánicas, la comunidad científica utiliza las ecuaciones de transporte para semiconductores junto con modelos opto-eléctricos [5, 6]. El objetivo principal de este trabajo, es la inclusión del efecto del contacto, la interfaz metal-orgánico, en el modelado de CSOs. Este efecto se incluye a través de las condiciones de contorno. La idea fundamental es proponer un modelo que relacione la densidad de carga en la región de contacto con la corriente que circula por dicha región. El objeto del modelo es combinarlo con los modelos eléctricos y ópticos que se emplean en la simulación. Para alcanzar este objetivo el desarrollo seguido en la tesis es el siguiente: - Determinación de la condición de contorno para la densidad de carga en la interfaz metal-orgánico. En primer lugar se estudian estructuras metal-orgánico-metal (MOM) donde el transporte de carga es unipolar, para evitar la complejidad del transporte bipolar y en oscuridad para despreciar los fenómenos ópticos. - En un segundo paso, se determina el valor de la densidad de contorno para la densidad de carga libre en la interfaz en diodos MOM simétricos con altas barreras. Se analiza cómo afecta la inyección a través de las barreras a los valores de las condiciones de contorno. Se estudian los regímenes de corriente donde la corriente está limitada por inyección ( injection limited current, ILC), la corriente está limitada por carga espacial (space-charge limited current, SCLC), o por difusión, y sus efectos en el modelo de la condición de contorno. - En tercer lugar, se estudian diodos unipolares asimétricos en oscuridad. - Estudio de la conducción bipolar en diodos orgánicos y en células solares orgánicas en oscuridad. Se adapta el modelo para la densidad de carga en la interfaz para esta nueva situación. - Finalmente, el modelo se adapta a células solares orgánicas que trabajan bajo iluminación. Se proporciona un procedimiento de caracterización de parámetros del modelo mediante la comparación de datos experimentales con resultados numéricos. - El modelo desarrollado para estructuras MOM se aplica en el modelado y simulación de otros dispositivos, en concreto transistores de lámina delgada (organic thin film transistor, OTFT). La idea es extender la validez del modelo de la condición de contorno a otros dispositivos orgánicos o afines a estos. - Estudio de las células solares ferroeléctricas. Se incorporan al simulador otros materiales y mecanismos físicos, y se comparan los resultados con datos experimentales. CONCLUSIONES A lo largo de esta tesis se han llegado a las siguientes conclusiones recogidas en esta sección [7-11]: Se ha propuesto un modelo para el transporte de carga en diodos metal-orgánico-metal simétrico con conducción unipolar simétricos y asimétricos. Se han desarrollado métodos analíticos y numéricos para determinar el valor de la concentración densidad de carga libre en los contactos, expresado en función de la densidad de corriente del dispositivo. Se ha estudiado la evolución de la densidad de carga libre entre las regiones: óhmicas, dominadas por inyección o por carga espacial para diferentes materiales orgánicos. Este estudio ha dado lugar a un modelo compacto entre la densidad de portadores de carga libres en la interfaz y la densidad de corriente que fluye a través de esta. Las concentraciones de los portadores de carga en las interfaces se extrajeron a partir curvas J-V experimentales, y siguen una función potencial con la densidad de corriente total en diodos orgánicos en polarización inversa V<0 y en polarización directa a tensiones superiores al voltaje barrera. La relación entre la densidad de carga y la densidad de corriente extraída para diodos unipolares se introdujo como condición de contorno para la densidad de carga en los contactos inyectores en la simulación de dispositivos bipolares, consiguiendo reproducir curvas de J-V en estos dispositivos. Se ha completado el estudio de la estructura metal-orgánico-metal con la incorporación de los efectos de iluminación. Se ha abordado el efecto de los valores de las condiciones de contorno en la simulación de curvas J-V en las células solares orgánicas bajo iluminación. Se ha propuesto un modelo para los valores de las densidades de carga libres en las interfaces de ánodo y cátodo. El modelo se basa en el modelo desarrollado en las primeras fases de la tesis para los diodos orgánicos de un solo portador y bipolares e incluye observaciones experimentales realizadas por otros autores en las células solares orgánicas. La función potencial puede describir tanto la inyección de carga que se produce con tensiones superiores a la tensión en circuito abierto, como la extracción de los cargas fotogeneradas a tensiones inferiores a la tensión de circuito abierto. Se ha obtenido un excelente ajuste entre datos experimentales de otros autores y nuestros resultados numéricos. El modelo también reproduce curvas de corriente-tensión anómalas en forma de ‘S’, comportamiento típico de las células solares con contactos bloqueantes e interfaces con bajas velocidades de recombinación. Finalmente, nuestro modelo de contactos también se ha aplicado otros dispositivos y mecanismos físicos, la tesis finaliza con el estudio de los efectos de contacto en transistores orgánicos de película delgada (OTFTs) y el estudio de los efectos ferroeléctricos en las células solares.