Celdas Solares Orgánicas

(1)

Celdas Solares Orgánicas

Centro de Investigaciones en Óptica (CIO)

León, Guanajuato, México

www.cio.mx

Celdas Solares Orgánicas

Curso-Taller, 28-30 may-2014

GPOM-CIO

José-Luis Maldonado

jlmr@cio.mx

(2)

CIO: Optical Research Center

CONACyT

Leon Guanajuato, Mexico

60 researchers

GRADUATE SCHOOL

IN OPTICS

(3)

Financiamiento: ~ 35 millones de pesos CONACyT, CONCyTEG CIO Photonics with Inorganic Materials (glasses, semiconductors, nanomaterials, etc)

Optical

Materials

Photonics with Organic Materials (molecular electronics) Spectroscopy lab

(4)

Organic photonics and

opto-electronics

New properties:

• Electrical conduction!

• Light emission!

• NL optical properties!

π Conjugated molecules

and polymers

Celdas solares

(5)

Applications and devices

Storage information Organic Conjugated Materiales OLEDs

Solar Cells (OPVs)

Waveguides Plastic Lasers OFETs Optical Limiting Chemical Sensores PR Polymers EO Modulators All optical switches

Frecuency converters

PhotodynamicTherapy Microfabrication with TPA

Multiphotonics markers Biosensors

Organic molecules and polymers

Possibility of optimizing any interesting property through

(6)

π conjugated molecules and polymers

Semiconducting Polymers

Nobel prize of chemistry 2000

Alan Heeger, Alan MacDiarmid (†) and Hideki Shirakawa: 1974: Discovery of metallic conductivity in iodine doped trans-polyacetylene (CH)x

(7)

7 7 7 7

Organic electronics

“Solar Photon Conversion”

Chem. Rev. 2010, 110, No. 11

“Organic Electronics”

Adv. Mater. 2013, 5, No. 13

“Nanomaterials for energy conversion and storage”

Materials Matters (SIGMA-ALDRICH)

(8)

(9)

Alternative energy sources:

(10)

Pemex

: Reservas

∗ México desconoce las reservas de gas y aceite de lutitas, estimado: 681 billones de pies cúbicos de gas natural y 13 mil millones de barriles

técnicamente recuperables de shale oil (Petróleo de lutitas)

∗ Departamento de Energía de los Estados Unidos, México: cuarto lugar a nivel mundial en términos de reservas potenciales de shale gas, con 681 billones de pies cúbicos técnicamente recuperables, cantidad 11 veces mayor a

las reservas remanentes totales de gas natural del país

• “3 dilemas. Un diagnóstico para el futuro energético de México”, 2013:

http://reddecompetencia.cidac.org

(11)

México

requerirá más energía

El gobierno mexicano debe diseñar políticas públicas de largo plazo para fuentes de energía eficientes, ambientalmente limpias y que potencialicen el

(12)

Políticas públicas incipientes en

energías renovables

∗Cambio climático: transición energética es un imperativo

∗La generación de energía eléctrica: emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) : 60% de las emisiones totales

∗ Por la Ley General de Cambio Climático (LGCC)

debe generar el 35% de electricidad mediante energías no fósiles para el año 2024

∗ La penetración de las energías renovables ha aumentado en los últimos años, pero no lo suficiente

∗En 2010, México: segunda tasa de crecimiento de la inversión en energías renovables más grande del mundo, la cual fue del 548 %

(13)

(14)

Energías renovables

: Energía

solar

∗ PND incorpora a las Energías Renovables en la política mexicana.

∗ Ley para el Aprovechamiento de las Energías Renovables y el

Financiamiento de la Transición Energética: marco legal específico: enorme potencial de la energía solar en México y otras fuentes de energía renovable

∗ México: irradiación promedio al día: 4.4 kWh/m2, en la zona centro, a 6.3 kWh/m2 por día en el norte del país

∗ SENER: nichos económicos: sistemas fotovoltaicos: 700 megawatts (MW)

económicamente factible para su explotación frente a una capacidad instalada 29 MW. Estos 700 MW: 5,200 millones de dólares para la industria solar

• “Programa de Fomento de Sistemas Fotovoltaicos en México (ProSolar) “, 2012

(15)

Sistemas PV en el mundo

(16)

Países líderes

en sistemas PV

Cooperación técnica entre México y Alemania: SENER-GIZ (Cooperación alemana al desarrollo)

(17)

(18)

Perspectivas USA

The Wall Street Journal, 2013

“What Solar Power Needs for a Brighter Future”

http://online.wsj.com/news/articles/SB1000142405270230452070457912 9211308141046

(19)

Plantas solares en México

(20)

(21)

Energía PV en México

• “3 dilemas. Un diagnóstico para el futuro energético de México”, 2013:

http://reddecompetencia.cidac.org

Centro de Investigación para el Desarrollo, A.C. (CIDAC)

Programa de Sistemas Fotovoltaicos en México

(22)

Efficiency: solar cells

(23)

Scientific papers

OPVs

DSSC

(24)

Synthesis

Characterization

Applications

Organic solar cells

(OPVs)

(25)

Mercado: nichos potenciales

Prototipo de mochila con celdas OPVs desarrollada por SOLARMER

Flexibilidad y

ligereza

Transparencia

(Ventanas y electrodos transparentes)

Economía

J.F. Salinas ,…, J.L. Maldonado , and A. K.-Y. Jen

(26)

Solar spectrum

(27)

DYE SENSITIZED SOLAR CELLS (DSSC):

Hybrids of nano-porous metal oxides, TiO2, and organic dyes, with solution electrolytes. Electrochemical cells.

SMALL MOLECULE ORGANIC SOLAR CELLS:

Made by vacuum deposition.

POLYMER SOLAR CELLS:

Made by solution, low processing.

ORGANIC SOLAR CELLS

THREE TYPES

THEY FACE SIMILAR CHALLENGES:

To increase efficiency and stability

To develop a technology for large areas

• 1975:

η

= 0.001%

• 1986:

η

= 1.0%

• 2006:

η

= 5.5%

• 2009:

η

= 6.1%

• 2012:

η

= 10.0%

(28)

Organic (Plastic)

Solar Cells:

OPVs

(29)

Organic solar cells (OPVs)

100 %

=

×

inc sc oc

I

FF

J

V

η

Substra te Anode Ca thode Hhν Hhν OLED OPV Organic layer - + sc oc max sc oc m m

J

V

P

J

V

J

V

FF

=

(30)

Bulk hetero junction (BHJ)

(31)

Other OPVs Architectures: Inverted and Tandem

(32)

32 32

Efficiency

: V

oc

, J

sc

, FF

∗

V

oc : HOMOD- LUMOA,morphology, thickness, etc.

∗

J

sc : Band gap of the DONOR ~ 1.5 ev, recombination losses, high charge mobility, morphology, thickness, etc.

∗ FF : Small Rs, large Rsh, electrode/organic layer interfaces, morphology,

Voc

Reviews:

• Energy Environ. Sci., 2, 251–261 (2009)

• Macromolecules , 45, 607−632 (2012)

Large V_oc = 1 V,

Large J_sc = 17.3 mA/cm2_,

η

_{= 12 % (PCE)!}

(33)

FACTORS THAT AFFECT THE EFFICIENCY OF AN OPV CELL

• Active materials

• Hole and electron collection layers • Thin film deposition methods

• Layers thickness • Morphology • Topography • Solvents • Concentrations • Electrodes

• Architecture and Engineering

Etc. 33

Reviews:

(34)

1) HOMO/LUMO alignment (LUMO donor ca. 3.3 - 3.5 eV with PC61BM acceptor)

2) High absorption coefficients

3) Sufficient charge carrier mobility

4) Optimized “Bulk Heterojunction“ morphology 5) Processing improvements

Further requirements for a successful material: • Good solubility in various solvents

• Simple synthesis – large amounts

•Tendency to aggregate to form large domains

• High molecular weight for increased viscosity of inks

Needs for PCE (Efficiency)

Improvement

:

Materials

Reviews:

• Macromolecules, 45, 607−632 (2012)

(35)

(36)

1.7 eV (gap) η = 7.2 %

Zhou H. et al., Angew. Chem., Int. Ed.

2011, 50 (13), 2995−2998 _{1.69 eV (gap)}_{η = 7.3 %}

Amb C. M. et al., J. Am. Chem. Soc.

2011, 133 (26), 10062−10065

η = 9.2 %

Z. He,…, Y. Cao,

Nature Phot. 2012, 6, 591-595

Highly efficient OPVs Polymers

Polymers

η = 5.7 % y η = 6.2 %

Yong Z.,…, Alex K.-Y. Jen, et al.,

Chem. Mater. 2011, 23, 2289–2291

HB366, η = > 5 %

Hannah B.,…,K Meerholz, et al.,

Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 11628 –11632

Small molecules

η = 8.3 %

A. Ko Ko Kyaw,…,C. Bazan, A. J. Heeger

ACS Nano 2013, 7, 4569-4577

(37)

Alternative counter-electrodes :

Wood´s (

Pb/Bi/Cd/Sn)

and Field´s metal

(Bi/In/Sn)

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 -10 -8 -6 -4 -2 0 J sc ( mA /c m 2 ) Voltaje (V) MEH-PPV:PCBM P3HT:PCBM MEH-PPV:M1:PCBM P3HT:PCBM invertida η = 2.19 % η = 1.75 % η = 0.36 % η = 0.19 % OPVs at CIO

•J.L. Maldonado, G. Ramos-Ortiz, et al., Am. J. Phys. 76, 1130 (2008)

• J.F. Salinas, J.L. Maldonado, et al., Sol. Energ. Mat. Solar C 95, 595 (2011)

•

Easy and fast deposition

Mp less than 75 °C

Free vacuum process and normal room conditions

(38)

E. Pérez-Gutiérrez, J.L. Maldonado, et al., “Titanium oxide fullerene composites films as ECL…”. Opt. Mater. 36, 1336–1341 (2014).

Active layers:

MEH–PPV:PC71BM: ƞ = 2.07 %

P3HT:PC71BM ƞ = 2.68 %

It is proposed the use of

titanium

oxide:fullerene blend

:

TiO

_x

:PC

₇₁

BM as ECL in OPV cells

Without TiOx:PC71BM

With TiOx:PC71BM

Some contributions

HOMO: 5.3 eV LUMO: 3.2

(39)

J. C. Nolasco, G. Ramos-Ortiz, J.L. Maldonado, et al., “Polymer/Cathode interface region limiting the Voc…” Appl. Phys. Lett. 104, 043308 (2014).

Quantitative analysis

on P3HT/Cathode interface

Voc

values in P3HT:PC

61

BM,

BHJ OPVs













−

=

sc be oc

J

T

A

q

nkT

n

V

2 *

ln

φ

Cathode Material J0 (mA/cm2) n be φ eV m Rp Ωcm-2 Rs Ωcm-2 Predicted Voc (V) Exp. Voc (V) WM 7.0× 10-2 3.81 0.67 0.97 4.6×103 286 0.38 0.28 FM 4.3×10-3 2.00 0.74 1.01 5.7×106 1429 0.33 0.28 In-Ga 1.2×10-4 1.99 0.83 0.80 3.7×107 857 0.49 0.44 Al 4.0×10-5 1.60 0.86 0.92 1.0×108 60 0.50 0.49

Some contributions

(40)

J.F. Salinas ,…, J.L. Maldonado , and A. K.-Y. Jen

Adv. Mater. 24, 6362 (2012)

OPVs devices based on the PBDTTT-C-T:PC71BM blend provide high quality transmitted

light that is suitable for window applications.

Windows application, Transparency

U. of Washington Prof. Alex K.Y. Jen Group

(41)

Some contributions

Efficiency enhancement

by an

organo-boron molecule

blended with

new polythiophene

S _x S y O O N N+ O O -1 2 3 4 5 6 7 1´ 2´ 3´ 4´ 5´ δ ζ ε α β γ 8 9 10₁₁ 12 ₁₃ 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

PI

M1

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 -3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 C ur rent dens ity Jsc ( mA /c m 2 ) Voltage (V) PI:PC₆₁BM PI:M1:PC₆₁BM

J.A. Del-Oso, J.L. Maldonado, G. Ramos-Ortíz, M. Rodríguez, M. Güizado-Rodríguez, et al., “New polythiophene derivatives

(42)

Some contributions

Ultrafast (fs) transient absorption experiments in the NIR

S _x S y O O N N+ O O -1 2 3 4 5 6 7 1´ 2´ 3´ 4´ 5´ δ ζ ε α β γ 8 9 1011 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 PI M1

S. Romero-Servin,G. Ramos-Ortíz, R. Carriles-Jaimes, J.L. Maldonado, M. Güizado-Rodríguez, et al., “Transient

0 300 600 900 1200 1500 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 T rans ient A bs or pt ion ( -∆ T /T ) Time (ps) 0 10 20 30 40 50 60 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 T rans ien t A bs or pt ion ( -∆ T/ T) Time (ps) Transient signals 5 ps with M1

(43)

Vacuum deposition system:

Organic and

inorganic

+ glove boxes

Thin films

• 4 sources for inorganics (metals)

• 4 sources for organics

• Inert atmosphere

• Sample thickness

• Topography

(44)

1)

CONACyT-SENER 153094 (2011-2015).

8.5 millones de pesos

2)

CEMIE-Sol (2013): 67 instituciones de investigación, 21

empresas.

460 millones de pesos

3)

Megaproyecto Centros CONACyT (2014). Muchos millones de

pesos

4) Otras

Proyectos GPOM-CIO

Celdas solares orgánicas (OPVs)

(45)

1) Química: Síntesis de nuevos materiales orgánicos capaces de absorber la mayor cantidad de luz solar

(químicos y ciencias de materiales)

2) Dispositivos: Aumento de la eficiencia y tiempo de vida

novedosas arquitecturas e ingenierías

(ingenieros y físicos)

3) Física: Comprensión fundamental de los fenómenos físico-químicos. Óptica ultrarrápida (láseres)

(ópticos y físicos) (CIO también tiene estas capacidades: LOU)

Celdas OPVs

(46)

46

Progresos de Eficiencia, CIO

PFN

5% de

eficiencia

(47)

47

OPVs cells arrays

(48)

48

Perspectivas

*

Desarrollo de esta tecnología en México con trabajo

multidisciplinario e interinstitucional

*

7 % de eficiencia y estabilidad químico-estructural

(49)

49

*

A CONACyT-SENER 153094

*

Al CIO (Logística, infraestructura, apoyo económico)

*

A FQ-UNAM, DQ-CINVESTAV, DQ-UAM (España)

*

A todos Uds.

(50)

50

Dr. Norberto Farfán and Héctor García (FQ-UNAM)

Drs. Rosa Santillan , Eusebio Juaristi

y Giovana Granados (CINVESTAV-DF)

Dr. Tomás Torres (UAM, Spain )

Dr. Bernardo Frontana (CCIQS UAEMéx-UNAM)

Dr. Marisol Guizado (CIICAp-UAEM)

Dr. Silvia Gutiérrez (U. of Gto.)

Dr. Guadalupe de la Rosa (U. of Gto.)

Dr. Pascal Lacroix (CNRS Toulouse France) Dr. Mikhail Zolotukhin (IIM-UNAM)

Collaborations and funding

GPOM Members

Dr. Gabriel Ramos-Ortíz Dr. Mario Rodríguez

Dr. M.A. Meneses-Nava Dr. Oracio Barbosa,

Postdocs: Dr. Enrique Pérez Dr. Jairo Nolasco Dra. Rosario Galindo , Dr. Arián Espinosa

Several undergraduate and graduate Students:

J.F. Salinas, M. Romero, C. Salto, A. Enendi, S. Naude, U. Mendoza, J. Sarahí, V. Rodríguez, A. Alvarez, A. Romero, L. Abraham

Financial Support

CONACyT, CIO,

CONACyT-SENER

(51)

GPOM Group

http://www.cio.mx/invest_13/gpom/e_lineas_inv.html

(52)

(53)

Some contributions

0.0 0.5 -8 -6 -4 -2 0 J ( mA /c m^ 2 ) J (mA/cm^2) area=0.08 cm2 FF = 0.604 Voc = 0.6V Jsc= 6.82mA/cm2 η ∼ 2.5 %

Glass/ITO/ZnO nano-particules/P3HT:PC71BM/PEDOT:PSS/Ag

Inverted OPV cell with ZnO nano-particles

Voltage (V) 250 300 350 400 450 500 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

ZnO absorption spectrum

A .U. Wavelength (nm) 1240/λ_1/2 = 3.301 + 294/D2 + 1.09/D λ_1/2 = 351 nm ⇒ D = 3.8 nm λ_1/2