ES2344728T3

ES2344728T3 - Celula fotovoltaica.

Info

Publication number: ES2344728T3
Application number: ES01925189T
Authority: ES
Inventors: Sean Shaheen; Christoph Brabec; Thomas Fromherz; Franz Padinger; Sedar Sariciftci; Erhard Gloetzl
Original assignee: Konarka Austria Forschungs- und Entwicklungs GmbH
Current assignee: Konarka Austria Forschungs- und Entwicklungs GmbH
Priority date: 2000-04-27
Filing date: 2001-04-27
Publication date: 2010-09-06
Anticipated expiration: 2021-04-27
Also published as: WO2001086734A1; AU2001252015A1; ATE465520T1; US20060107996A1; EP1277246B1; EP2209147A1; ATA7332000A; EP1277246A1; AT410859B; DE50115444D1

Abstract

Célula fotovoltaica con una capa fotoactiva (4) de dos componentes, concretamente un componente polimérico conjugado como donador de electrones y un componente de fulereno como aceptor de electrones, en la que los dos componentes y sus fases mixtas presentan al menos en secciones de la capa fotoactiva (4) un tamaño de grano máximo promedio inferior a 500 nm, caracterizada porque el componente de fulereno consiste en el fulereno funcionalizado PCBM.

Description

Célula fotovoltaica.

La invención se refiere a una célula fotovoltaica con una capa fotoactiva de dos componentes, concretamente un componente polimérico conjugado como donador de electrones y un componente de fulereno como aceptor de electrones.

Los plásticos con sistemas de electrones \pi expandidos, en los que se suceden de manera alternante enlaces sencillos y dobles enlaces, se denominan plásticos conjugados. Estos plásticos conjugados presentan con respecto a la energía de los electrones bandas de energía comparables con los semiconductores, de modo que también pueden pasarse mediante dopado del estado no conductor al estado conductor metálico. Ejemplos de tales plásticos conjugados son polifenilenos, polivinilfenilenos (PPV), politiofenos o polianilinas. El grado de eficacia de la conversión de energía de células poliméricas fotovoltaicas a partir de un polímero conjugado es sin embargo normalmente de entre el 10^{-3} y el 10^{-2}%. Para mejorar este grado de eficacia es cierto que se han propuesto ya capas heterogéneas de dos componentes poliméricos conjugados (documento US 5 670 791 A), de los que un componente polimérico sirve como donador de electrones y el otro componente polimérico como aceptor de electrones. Mediante la utilización de fulerenos, especialmente buckminsterfulerenos C_{60}, como aceptores de electrones (documento US 5 454 880 A), podía evitarse en su mayor parte la recombinación de portadores de carga, por lo demás habitual, en la capa fotoactiva, lo que conducía a un aumento del grado de eficacia de hasta del 0,6% al 1% en condiciones de AM de 1,5 (Air Mass). A pesar de ello, el grado de eficacia que puede conseguirse sigue siendo en general demasiado reducido para una utilización técnica económica de tales capas fotoactivas para la construcción de células fotovoltaicas.

Roman, L. et al. describen el uso de polímeros semiconductores conjugados en elementos constructivos fotovoltaicos en "Photodiode Performance and Nanostructure of Polythiophene/C60 Blends", Advanced Materials, vol. 9, n.º 15, 1 de diciembre de 1997, páginas 1164 a 1168.

Gao, J. et al. describen fotodetectores a base de polímeros y células fotovoltaicas, que se producen usando el polímero conjugado (MEH-PPV) como donador y C60 como aceptor, en "Efficient photodetectors and photovoltaic cells from composites of fullerenes and conjugated polymers: photoinduced electron transfer", Conferencia Internacional sobre Ciencia y Tecnología de Metales Sintéticos (ICSM '96), Snowbird, UT, EE.UU., 28 de julio - 2 de agosto de 1996, vol. 84, n.º 1-3, páginas 979-989.

La publicación de Ouali, L. et al. "Oligo (phenylenevinylene)/Fullerene Photovoltaic Cells: Influence of Morphology", Advanced Materials, vol. 11, n.º 18, 17 de diciembre de 1999, páginas 1515 a 1518, pertenece también a este campo técnico.

La invención se basa por consiguiente en el objetivo de configurar una célula fotovoltaica del tipo ilustrado al principio de tal manera que sea posible un aumento adicional del grado de eficacia de la conversión de energía.

La invención soluciona el objetivo planteado mediante la célula fotovoltaica según la reivindicación 1 o el procedimiento según la reivindicación 2. La reivindicación 3 indica una forma de realización preferida.

La invención se basa en el conocimiento de que sólo puede garantizarse una separación de cargas eficaz en la zona de contacto entre el donador de electrones y el aceptor de electrones, de modo que tras una fotoexcitación del componente polimérico conjugado la energía de excitación sólo se transmite a ésta en las zonas de contacto con el componente de fulereno en forma de electrones. Si se mantiene el tamaño de grano máximo promedio de los componentes y las fases mixtas de la capa fotoactiva inferior a 500 nm, entonces debido al aumento de superficie asociado al mismo puede aumentarse de manera correspondiente el porcentaje de contacto entre los dos componentes, lo que conduce a una mejora notable de la separación de cargas. El grado de eficacia dependiente de esta separación de cargas aumentó hasta el 2,5% característico en condiciones de AM de 1,5 simuladas.

Para la producción de células fotovoltaicas con una capa fotoactiva, cuyo tamaño de grano promedio es inferior a 500 nm, puede aplicarse de manera convencional una mezcla de los dos componentes y un disolvente como película sobre una capa de soporte dotada de una capa de electrodo, antes de cubrir esta película que forma la capa fotoactiva con un contraelectrodo. Sin embargo hay que ocuparse de que se utilice como disolvente un agente de afinado correspondiente para los dos componentes, para garantizar la finura de grano pretendida de la capa fotoactiva. De manera especialmente ventajosa puede utilizarse a este respecto clorobenceno como agente de afinado.

Mediante el dibujo se explica en mayor detalle el efecto de la estructuración de grano fino de la capa fotoactiva de una célula fotovoltaica según la invención. Muestran

la figura 1 la estructura básica de una célula fotovoltaica según la invención en corte,

la figura 2 la estructura de superficie de una capa fotoactiva convencional,

la figura 3 la estructura de superficie de una capa fotoactiva según la invención,

la figura 4 la curva característica de corriente y tensión de una célula fotovoltaica convencional y de una célula fotovoltaica según la invención y

la figura 5 el rendimiento de carga con respecto a la longitud de onda de la fotoexcitación en función de la potencia lumínica incidente por un lado para una célula fotovoltaica convencional y por otro lado para una célula fotovoltaica según la invención.

Según la figura 1, la célula fotovoltaica consiste en un portador de vidrio transparente 1, sobre el que está aplicada una capa de electrodo 2 de un óxido de indio/estaño (ITO). Esta capa de electrodo 2 presenta en general una estructura de superficie comparativamente rugosa, de modo que se cubre con una capa de alisado 3 de un polímero convertido en eléctricamente conductor mediante dopado, habitualmente PEDOT. Sobre esta capa de alisado 3 se aplica la capa fotoactiva 4 de dos componentes con un espesor de capa según el procedimiento de aplicación de desde por ejemplo 100 nm hasta algunos \mum, antes de aplicar el contraelectrodo 5. En caso de usar ITO como electrodo colector de huecos se utiliza como electrodo colector de electores aluminio, que se vaporiza sobre la capa fotoactiva 4.

La capa fotoactiva consiste en un polímero conjugado, preferiblemente un derivado de PPV, como donador de electrones y fulereno funcionalizado PCBM como aceptor de electrones. Por el término polímero deben entenderse a este respecto tanto altos polímeros como oligómeros. Estos dos componentes se mezclan con un disolvente y se aplican como disolución sobre la capa de alisado 3 por ejemplo mediante recubrimiento por centrifugación o aplicación por goteo. Como disolvente habitual se utiliza tolueno, que sin embargo no puede garantizar la estructura fina deseada de la capa fotoactiva 4, tal como muestra la figura 2, en la que se representa la estructura de superficie típica de una capa fotoactiva de este tipo con tolueno como disolvente. De una imagen de energía atómica (imágenes de AFM en modo de contacto intermitente), tal como se reproduce esquemáticamente en las figuras 2 y 3, puede deducirse especialmente la estructura de grano del componente de fulereno 6 o de una fase mixta, mientras que el componente polimérico o una fase mixta adicional llena esencialmente los espacios intermedios entre los granos definidos. Mediante la unidad de longitud marcada resulta un tamaño de grano máximo considerablemente superior a 500 nm.

Sin embargo, si según la invención se utiliza como disolvente un agente de afinado, preferiblemente clorobenceno, entonces con una composición por lo demás coincidente de la capa activa 4 se obtiene una estructura considerablemente más fina que, según la figura 3, repercute en una estructura de superficie correspondientemente más lisa. El tamaño de grano promedio que puede conseguirse mediante el agente de afinado inferior a 500 nm de la capa fotoactiva 4 conlleva un aumento claro del número de puntos de contacto entre el donador de electrones y el aceptor de electrones y, por consiguiente, una separación de cargas mejorada considerablemente y una recombinación de cargas reducida, lo que puede observarse directamente en las curvas características de corriente y tensión. En la figura 4 está indicada la densidad de corriente I de las células fotovoltaicas que han de compararse frente a la tensión U, y concretamente a una energía de excitación de 80 mW/cm^{2} en condiciones de AM de 1,5 simuladas. Si se compara la curva característica 7 de la célula fotovoltaica con la estructura de grano grueso de la capa fotoactiva 4 con la curva característica 8 que se registró para una célula fotovoltaica con una estructura de grano fino de la capa fotoactiva 4, entonces se observan directamente las proporciones mejoradas en la célula fotovoltaica según la invención según la curva característica 8. La corriente de cortocircuito medida a una tensión de 0 V ascendía en la célula conocida a 2,79 mA/cm^{2}, en la célula según la invención a 5,24 mA/cm^{2}. Dado que la tensión de circuito abierto aumentó de 710 mV a 770 mV, pudo conseguirse un aumento del grado de eficacia de aproximadamente el 1% al 2,6%, debiendo tener en cuenta que el factor de llenado aumentó, debido a la estructura más fina de la capa fotoactiva según la invención, de 0,40 a 0,52.

De manera especialmente evidente pueden observarse los efectos según la invención en la figura 5, en la que se indica el rendimiento de carga en función de la potencia lumínica incidente IPCE[%] = 1240.l_{k}[\muA/cm^{2}]/\lambda[nm].l_{l}[W/m^{2}] frente a la longitud de onda \lambda para las células fotovoltaicas que han de compararse. En la fórmula anterior hay que anotar como l_{k} la corriente de cortocircuito y como l_{l} la potencia lumínica. Se demuestra que, según la curva característica 9 para una célula según la invención en comparación con la curva característica 10, se produce en la célula convencional aproximadamente el doble rendimiento de carga en función de la potencia lumínica incidente, cuando la estructura fina de la capa fotoactiva heterogénea 4 presenta una finura de grano promedio inferior a 500 nm.

Claims

1. Célula fotovoltaica con una capa fotoactiva (4) de dos componentes, concretamente un componente polimérico conjugado como donador de electrones y un componente de fulereno como aceptor de electrones, en la que los dos componentes y sus fases mixtas presentan al menos en secciones de la capa fotoactiva (4) un tamaño de grano máximo promedio inferior a 500 nm,

caracterizada porque

el componente de fulereno consiste en el fulereno funcionalizado PCBM.

2. Procedimiento para producir una célula fotovoltaica según la reivindicación 1, en el que se aplica una mezcla de los dos componentes y un disolvente sobre una capa de soporte dotada de una capa de electrodo como película y después se cubre esta película con un contraelectrodo, añadiéndose a la mezcla de los dos componentes un agente de afinado como disolvente.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, en el que se usa clorobenceno como agente de afinado.