ES2950269T3 - Dispositivos fotovoltaicos orgánicos de única unión que tienen altas tensiones de circuito abierto y aplicaciones de los mismos - Google Patents
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Abstract
En un aspecto, se proporcionan dispositivos fotovoltaicos orgánicos de unión única que exhiben valores V oc elevados mientras emplean una arquitectura de unión única. Un dispositivo fotovoltaico de unión única descrito en el presente documento comprende un ánodo, un cátodo y una capa activa que reside entre el ánodo y el cátodo, comprendiendo la capa activa un donador de electrones orgánico y un aceptor de electrones orgánico, en donde el dispositivo fotovoltaico genera un V oc de al menos 1,4 V. Únicamente, los dispositivos fotovoltaicos de alto V oc descritos en el presente documento pueden ser transparentes a la mayoría de la irradiación espectral visible y/o infrarroja en algunas realizaciones. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Dispositivos fotovoltaicos orgánicos de única unión que tienen altas tensiones de circuito abierto y aplicaciones de los mismos
Declaración de interés gubernamental
Esta invención se realizó con el apoyo del gobierno bajo la subvención N.° N00014-11-1-0328 otorgada por la Oficina de Investigación Naval de EE. UU. El gobierno tiene determinados derechos con respecto a la invención.
Campo
La presente invención se refiere a aparatos fotovoltaicos y, en particular, a aparatos fotovoltaicos orgánicos de única unión que presentan tensiones elevadas en circuito abierto (Voc).
Antecedentes
Los dispositivos optoelectrónicos que utilizan materiales orgánicos son cada vez más deseables en una variedad de aplicaciones por varias razones. Los materiales utilizados para construir dispositivos optoelectrónicos orgánicos son relativamente económicos en comparación con sus contrapartes inorgánicas, lo que proporciona ventajas de costes sobre los dispositivos optoelectrónicos producidos con materiales inorgánicos. Además, los materiales orgánicos proporcionan propiedades físicas deseables, como la flexibilidad, lo que permite su uso en aplicaciones no adecuadas para materiales rígidos. Ejemplos de dispositivos optoelectrónicos orgánicos incluyen células fotovoltaicas orgánicas, dispositivos emisores de luz orgánicos (OLED) y fotodetectores orgánicos.
Los dispositivos fotovoltaicos convierten la radiación electromagnética en electricidad al producir una corriente fotogenerada cuando se conectan a través de una carga y se exponen a la luz. Cuando se irradia bajo una carga infinita, un dispositivo fotovoltaico produce su tensión máximo posible, el tensión de circuito abierto o Voc. Cuando se irradia con sus contactos eléctricos en cortocircuito, un dispositivo fotovoltaico produce su corriente máxima, I cortocircuito o Isc. En condiciones de funcionamiento, un dispositivo fotovoltaico se conecta a una carga finita y la salida de energía eléctrica es igual al producto de la corriente y la tensión. La potencia máxima generada por un dispositivo fotovoltaico no puede exceder el producto de Voc e Isc. Cuando el valor de la carga se optimiza para la máxima generación de energía, la corriente y la tensión tienen los valores I max y Vmax respectivamente.
Se sabe proporcionar un dispositivo fotovoltaico orgánico que comprende:
un ánodo; un cátodo; y una capa activa que reside entre el ánodo y
el cátodo, la capa activa comprende un donante orgánico de electrones y un aceptador orgánico de electrones [WEIYI ZHOU ET AL: "Dithienocoronene diimide based conjugated polymers as electron acceptors for allpolymer solar cells", SOLAR ENERGY MATERIALS AND SOLAR CELLS, ELSEVIER SCIENCE PUBLISHERS, AMSTERDAM, NL, vol. 112, 12 de febrero de 2013 (2013-02-12), páginas 13-19;
ANNA M. HISZPANSKI ET AL: "Halogenation of a Nonplanar Molecular Semiconductor to Tune Energy Levels and Bandgaps for Electron Transport, CHEMISTRY OF MATERIALS, vol. 27, núm. 5, 18 de febrero de 2015 (2015-02-18), páginas 1892-1900];
MARC M. KOETSE ET AL: "Efficient polymenpolymer bulk heterojunction solar cells" APPLIED PHYSICS LETTERS, vol. 88, 22 de febrero de 2006, páginas 083504-1 - 083504-3.
También se sabe cómo incorporar células fotovoltaicas orgánicas en dispositivos electrocrómicos [Jacob Jensen: "Manufacture and demonstration of organic photovoltaic -powered electrochromic displays using roll coating methods and printable electrolytes", Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics, vol,50, 17 de enero de 2012, páginas 536-545- en referencia a FREDe R iK C. KREBS ET AL: "The OE-A OPV demonstrator anno domini 2017" ENERGY & ENVIRONMENTAL SCIENCE, vol. 4, núm. 10, 1 de enero de 2011, página 4116].
Una desventaja sistémica con el actual aparato fotovoltaico orgánico es la incapacidad de generar altos fotovoltaicos. Esta incapacidad puede limitar o impedir el uso de dispositivos fotovoltaicos orgánicos en aplicaciones de alta tensión, como aplicaciones electrocrómicas o electroquímicas. Para abordar esta deficiencia, se han desarrollado dispositivos fotovoltaicos orgánicos en tándem o de unión múltiple. Si bien muestran un rendimiento mejorado, los dispositivos de uniones múltiples son difíciles de fabricar y consumen mucho tiempo. Tales ineficiencias de fabricación pueden hacer que los dispositivos orgánicos de uniones
múltiples tengan un coste prohibitivo en comparación con las tecnologías fotovoltaicas inorgánicas de la competencia.
La presente invención se define en las reivindicaciones adjuntas.
Compendio
En un aspecto, los dispositivos fotovoltaicos orgánicos se describen en esta memoria que exhiben altos valores de Voc mientras emplean una arquitectura de única unión. Los altos valores de Voc pueden expandir ventajosamente el campo de uso del dispositivo, mientras que la arquitectura de única unión facilita una fabricación eficiente y reproducible. Brevemente, un dispositivo fotovoltaico de única unión descrito en esta memoria comprende un ánodo, un cátodo y una capa activa que reside entre el ánodo y el cátodo, comprendiendo la capa activa un donante orgánico de electrones y un aceptador orgánico de electrones, en donde el dispositivo fotovoltaico genera un Voc deal menos 1,4 V, siendo la diferencia entre el orbital molecular ocupado más alto (HOMO) del donante orgánico de electrones y el orbital molecular desocupado más bajo (LUMO) del aceptador orgánico de electrones de 1,7 eV a 4 eV. Además, en algunas realizaciones, la capa activa puede exhibir un perfil de absorción deseable para aplicaciones que requieren una alta transmitancia de luz visible y/o luz infrarroja. Por ejemplo, la transmitancia promedio de la capa activa en la(s) región(es) de luz visible y/o infrarroja puede variar de 60 por ciento a 100 por ciento, en algunas realizaciones.
Los dispositivos fotovoltaicos orgánicos de única unión descritos en esta memoria pueden encontrar uso en una variedad de aplicaciones, tales como dispositivos electrocrómicos. En algunas realizaciones, un dispositivo electrocrómico comprende un conjunto electrocrómico y un dispositivo fotovoltaico de única unión en comunicación eléctrica con el conjunto electrocrómico para conmutar el conjunto electrocrómico entre los estados de luz y oscuridad mediante la aplicación de un fototensión. El dispositivo fotovoltaico de única unión es como se reivindica en esta memoria. Como se describe más adelante en esta memoria, el dispositivo fotovoltaico de única unión puede integrarse verticalmente con el conjunto electrocrómico. En algunas realizaciones, el dispositivo fotovoltaico de única unión puede integrarse verticalmente con el conjunto electrocrómico sobre la misma huella de área. Alternativamente, el dispositivo fotovoltaico se separa espacialmente del conjunto electrocrómico.
Los dispositivos fotovoltaicos de única unión descritos en esta memoria también pueden encontrar aplicación en el filtrado y/o recolección de UV. En algunas realizaciones, el dispositivo fotovoltaico de única unión que absorbe UV descrito aquí reemplaza los recubrimientos protectores UV existentes de silicio y/u otras tecnologías fotovoltaicas. Al absorber la mayor parte de la parte UV de la radiación solar, el dispositivo fotovoltaico de única unión descrito aquí actúa como protector UV para el silicio y/u otras tecnologías fotovoltaicas, incluidas las fotovoltaicas de capa activa orgánica sensibles a la degradación UV, mientras transmite la luz visible y luz infrarroja para la generación de energía por el silicio y/u otros dispositivos fotovoltaicos. La celda solar de única unión absorbente de UV integrada verticalmente descrita aquí también se puede conectar externamente con dispositivos fotovoltaicos de silicio y/u otros para recolectar la luz UV que de otro modo no se usaría para la generación de energía.
Los dispositivos fotovoltaicos de única unión descritos en esta memoria también pueden encontrar aplicación en arquitecturas de almacenamiento de energía. Una arquitectura de batería puede comprender un conjunto electroquímico y un dispositivo fotovoltaico de única unión en comunicación eléctrica con el conjunto electroquímico. El dispositivo fotovoltaico de única unión es como se reivindica en esta memoria. Como se describe más adelante en esta memoria, el dispositivo fotovoltaico de única unión puede integrarse verticalmente con el conjunto electroquímico. En algunas realizaciones, el dispositivo fotovoltaico de única unión puede integrarse verticalmente con el conjunto electroquímico sobre la misma huella de área. En otras realizaciones, el dispositivo fotovoltaico de única unión se serpa espacialmente o es discreto del conjunto electroquímico.
En otro aspecto, valores elevados de Voc pueden hacer que los dispositivos fotovoltaicos de única unión descritos en esta memoria sean adecuados para aplicaciones de combustibles solares, tales como la división de agua. En algunas realizaciones, por ejemplo, un dispositivo de división de agua comprende un catalizador de evolución (OEC) de oxígeno (O2), un catalizador de evolución (HEC) de hidrógeno (H2) y un dispositivo fotovoltaico de única unión, comprendiendo el dispositivo fotovoltaico un ánodo, un cátodo y capa activa que reside entre el ánodo y el cátodo. La capa activa es como se reivindica en esta memoria. En algunas realizaciones, el dispositivo de división de agua es inalámbrico en donde OEC y HEC se integran con el dispositivo fotovoltaico de única unión. El OEC, por ejemplo, se puede depositar en el ánodo de dispositivo fotovoltaico mientras que el HEC se deposita en el cátodo. En algunas realizaciones, el ánodo y el cátodo del dispositivo fotovoltaico pueden fabricarse a partir de materiales catalíticos OEC y HEC, respectivamente. Alternativamente, el dispositivo de división de agua puede estar cableado en donde OEC y/o HEC no se integran en el dispositivo fotovoltaico.
Estas y otras realizaciones se describen adicionalmente mediante la siguiente descripción detallada.
Breve descripción de los dibujos
Las FIGS. 1A-1C ilustran cHBC y diversos cHBC sustituidos de los que se pueden seleccionar el donante de electrones y el aceptador de electrones de la capa activa según algunas realizaciones.
La FIG. 2 ilustra un dispositivo fotovoltaico de única unión según algunas realizaciones.
La FIG. 3 ilustra la integración vertical de un dispositivo fotovoltaico de única unión con un conjunto electrocrómico según algunas realizaciones.
La FIG. 4 ilustra un dispositivo electrocrómico en el estado desactivado de circuito abierto según algunas realizaciones.
La FIG. 5 ilustra el dispositivo electrocrómico de la FIG. 4 en el estado de encendido a oscuro.
La FIG. 6 ilustra el dispositivo electrocrómico de la FIG. 5 alimentado al estado claro o blanqueado.
La FIG. 7 ilustra una arquitectura de batería que integra verticalmente un dispositivo fotovoltaico de única unión descrito en esta memoria según algunas realizaciones.
Las FIGS. 8A y 8B ilustran dispositivos de división de agua inalámbricos según algunas realizaciones.
La FIG. 9A ilustra la estructura química de 8Cl-cHBC (A1) y 12Cl-cHBC (A2).
La FIG. 9B ilustra los niveles de energía HOMO y LUMO de A1 y A2 determinados por espectroscopías de fotoelectrones ultravioleta (UPS) y fotoemisión inversa (IPES), respectivamente.
La FIG. 9C ilustra los espectros de absorción para películas delgadas de especies orgánicas donantes de electrones y aceptadoras de electrones orgánicas de capas activas según algunas realizaciones.
La FIG. 10 es un histograma de Voc a través del dispositivo fotovoltaico 1 que tiene una capa activa D/A1 según algunas realizaciones.
La FIG. 11 ilustra el porcentaje de transmitancia de luz visible e infrarroja cercana por capas activas de dispositivos fotovoltaicos según algunas realizaciones.
La FIG. 12A ilustra las características J-V de los dispositivos fotovoltaicos según algunas realizaciones. La FIG. 12B ilustra perfiles de densidad de potencia de dispositivos fotovoltaicos según algunas realizaciones. La FIG. 12C ilustra una relación lineal entre la producción de energía del dispositivo fotovoltaico y el área activa según algunas realizaciones.
La FIG. 13 ilustra las características J-V de un dispositivo de 1 cm2 y un dispositivo de 10 cm2 que tienen la misma construcción fotovoltaica según algunas realizaciones.
La FIG. 14 ilustra un conjunto electrocrómico según algunas realizaciones.
Las FIGS. 15 ilustran la transmitancia óptica de los estados claros y oscuros del conjunto electrocrómico de la FIG. 14 cuando se hace ciclo entre ±1,2 V.
La FIG. 16 ilustra la estabilidad del contraste de transmisión del conjunto electrocrómico de la FIG. 14 cuando se hace ciclo entre ±1,2 V.
La FIG. 17 ilustra la sintonizabilidad del contraste de transmisión de conjuntos electrocrómicos variando los grosores de PANI-PAAMPSA y PEDOT:PSS según algunas realizaciones.
Descripción detallada
Realizaciones descritas en esta memoria se pueden comprender más fácilmente en referencia a la siguiente descripción detallada y ejemplos y sus descripciones anteriores y posteriores. Sin embargo, los elementos, aparatos y métodos descritos en esta memoria no se limitan a las realizaciones específicas presentadas en la descripción detallada y los ejemplos. Debe reconocerse que estas realizaciones son meramente ilustrativas de los principios de la presente invención. Numerosas modificaciones y adaptaciones serán fácilmente evidentes
para los expertos en la técnica sin apartarse del alcance de la invención tal como se define en las reivindicaciones.
I. Dispositivos fotovoltaicos de única unión
En un aspecto, se proporcionan dispositivos fotovoltaicos orgánicos de única unión que exhiben valores elevados de Voc mientras emplean una arquitectura de única unión. Un dispositivo fotovoltaico de única unión descrito en esta memoria comprende un ánodo, un cátodo y una capa activa que reside entre el ánodo y el cátodo, comprendiendo la capa activa un donante orgánico de electrones y un aceptador orgánico de electrones, en donde el dispositivo fotovoltaico genera un Voc de al menos 1,4 V. En algunas realizaciones, el dispositivo fotovoltaico genera un Voc que tiene un valor seleccionado de la Tabla I.
Tabla I - Dispositivo Fotovoltaico Voc
Volviendo a los componentes específicos, la capa activa del dispositivo fotovoltaico comprende un donante orgánico de electrones y un aceptador orgánico de electrones. Cualquier especie de donante orgánico de electrones y aceptador orgánico de electrones que tenga una estructura electrónica consistente con las métricas de rendimiento del dispositivo fotovoltaico descritas en esta memoria puede emplearse en la capa activa. Las métricas de rendimiento incluyen, pero sin limitación a esto, Voc y perfil(es) de absorción y/o transmitancia en una o más regiones del espectro electromagnético. Según la invención, la diferencia entre el HOMO del donante orgánico de electrones y el LUMO del aceptador orgánico de electrones es de 1,7 eV a 4 eV. La diferencia o compensación HOMO/LUMO entre el donante y el aceptador orgánico de electrones de la capa activa también se puede seleccionar de la Tabla II.
Tabla II - Compensación HOMO/LUMO del donante/aceptador or ánico de electrones
El donante orgánico de electrones y el aceptador orgánico de electrones de la capa activa pueden exhibir cualquier perfil de absorción de radiación electromagnética que no sea incompatible con los objetivos de la presente invención. Según la invención, el donante y el aceptador orgánico de electrones exhiben una absorbancia máxima en el intervalo de 250 nm a 450 nm. En tales realizaciones, la capa activa es en gran medida transparente a la luz en las regiones visible e infrarroja cercana. Por ejemplo, la capa activa generalmente puede mostrar una transmitancia promedio en la región de luz visible de 60 por ciento a 100 por ciento. La transmitancia de luz visible promedio de una capa activa descrita en esta memoria también puede tener un valor seleccionado de la Tabla III.
Tabla III - Tr n mi n i Pr m i L z Vi i l Infr rr l A tiva (%)
Como se analiza más adelante en esta memoria, las capas activas que tienen los valores de transmitancia anteriores hacen que los dispositivos fotovoltaicos sean particularmente adecuados para aplicaciones donde la transparencia en la región de luz visible y/o la región de luz infrarroja es un requisito clave, como ventanas para edificios comerciales e industriales, viviendas y vehículos de transporte, incluidos automóviles, autobuses, camiones, trenes y aviones.
En algunas realizaciones en las que la transmitancia en la región de luz visible no es de gran importancia, el donante orgánico de electrones y el aceptador orgánico de electrones exhiben una absorbancia de 300 nm a 620 nm. Este perfil de absorción captura la intensidad máxima de la región de luz visible y puede mejorar el rendimiento del dispositivo fotovoltaico para aplicaciones de división de agua o baterías que requieren o se benefician de energía de alta tensión. En algunas realizaciones, el donante de electrones y el aceptador de electrones de la capa activa exhiben cualquiera de los perfiles de absorción/transmitancia descritos en esta memoria junto con una compensación HOMO/LUMO de 1,7 eV a 4 eV o una compensación seleccionada de la Tabla II.
En algunas realizaciones, el donante orgánico de electrones y el aceptador orgánico de electrones de la capa activa se seleccionan de compuestos poliaromáticos que satisfacen los requisitos de transmitancia y/o compensación HOMO/LUMO anteriores. Los compuestos poliaromáticos adecuados pueden comprender coronenos sustituidos. Un núcleo de coroneno, por ejemplo, puede anularse con sustituyentes aromáticos periféricos que incluyen, entre otros, grupos fenilo halogenados y/o grupos heteroaromáticos extendidos tales como benzofurano, benzotiofeno, piridina y/o sustituyentes aromáticos similares. En algunas realizaciones, el donante orgánico de electrones y el aceptador orgánico de electrones se seleccionan de hexabenzocoroneno retorcido (cHBC) y cHBC sustituidos. Las FIGS. 1A-1C ilustran cHBC y diversos cHBC sustituidos de los que se pueden seleccionar el donante de electrones y el aceptador de electrones de la capa activa según algunas realizaciones. Las realizaciones no limitativas A-H de la FIG. 1B ilustra diversas sustituciones o deleciones en el núcleo de coroneno. De manera similar, las realizaciones no limitativas 1-12 de la FIG. 1C ilustra diversos sustituyentes halogenados o heterocíclicos en el núcleo de coroneno. A diferencia de muchas construcciones de capas activas orgánicas anteriores, el aceptador orgánico de electrones, en algunas realizaciones, no es un fullereno, como fullereno-C60 o fullereno-C70 o un derivado de fullereno.
Además de diversas especies orgánicas donantes y aceptadoras de electrones, la capa activa puede tener cualquier arquitectura que no sea incompatible con los objetivos de la presente invención. En algunas realizaciones, se forma una heterounión plana entre capas adyacentes de donante orgánico de electrones y aceptador orgánico de electrones. En tales realizaciones, el grosor de la capa orgánica donante de electrones y la capa orgánica aceptadora de electrones se puede seleccionar según varias consideraciones que incluyen suficiente absorción de luz por parte de la capa activa y longitudes de camino de difusión de excitón. Las capas orgánicas donantes y aceptadoras de electrones generalmente pueden tener grosores individuales de 1 a 450 nm. En algunas realizaciones, los grosores individuales de las capas orgánicas donantes y aceptadoras de electrones pueden ser de 1 nm a 400 nm.
En algunas realizaciones, la capa activa muestra una arquitectura de heterounión de gradiente. En tal arquitectura, el donante orgánico de electrones disminuye gradualmente desde el 100 por ciento en el lado del ánodo hasta el cero por ciento en el lado del cátodo de la capa activa. De manera similar, el aceptador orgánico de electrones disminuye gradualmente desde el 100 por ciento desde el lado del cátodo hasta el cero por ciento en el lado del ánodo de la capa activa. En otras realizaciones, la capa activa puede presentar una arquitectura de heterounión mixta en la que el donante y el aceptador orgánico de electrones se mezclan o dispersan entre sí. En algunas realizaciones, el donante orgánico de electrones y el aceptador orgánico de electrones se mezclan en solución y se depositan para formar la capa activa. La capa activa se recuece posteriormente para inducir la descomposición espinodal o la separación de fases de la capa activa, formando así arquitecturas de heterounión mixtas. En algunas realizaciones, el donante orgánico y el aceptador orgánico de electrones se depositan conjuntamente a partir de soluciones separadas o de la fase gaseosa para formar una capa activa mixta. En realizaciones adicionales, la capa activa puede tener cualquier combinación de arquitecturas de heterounión plana, heterounión de gradiente y/o heterounión mixta. Además, la capa activa puede estar libre de agujeros, lo que mejora la escalabilidad del área del dispositivo y el rendimiento de fabricación.
Además de la capa activa, los dispositivos fotovoltaicos descritos en esta memoria pueden comprender una o más capas de transporte de carga y/o capas de bloqueo de excitones. Una capa de transporte de orificios (HTL) o capa de bloqueo de excitones, en algunas realizaciones, se coloca entre el ánodo y la capa activa. Por ejemplo, un HTL puede comprender una o más capas orgánicas o inorgánicas como poli(3,4-etilendioxitiofeno):poli(estirenosulfonato) PEDOT:PSS, polianilina-poli(2-acrilamido-2-metil-1-propano
sulfónico ácido) PANI-PAAMPSA y/u óxido de metal de transición. El óxido de metal de transición adecuado puede comprender óxido de molibdeno, MoOx, donde x indica cualquier proporción de Mo a O. Los óxidos de metales de transición adicionales incluyen óxido de vanadio, óxido de níquel u óxidos de estructura electrónica similar.
Una capa de transporte de electrones (ETL) o capa de bloqueo de excitones, en algunas realizaciones, se coloca entre el cátodo y la capa activa. Un ETL puede comprender una o más capas orgánicas o inorgánicas, como batocuprαna (BCP), fluoruro de calcio, fluoruro de litio, poli[(9,9-bis(3-(N,N-dimetilamino)propil)-2,7-fluoreno)-alt-2,7-(9,9-dioctilfluoreno)] PFN y/u óxido de metal de transición. El óxido de metal de transición adecuado para un ETL puede comprender óxido de titanio (TiOx) y/u óxido de zinc. Las capas HTL y/o ETL pueden depositarse por cualquier método que no sea incompatible con los objetivos de la presente invención. Las capas de HTL y/o ETL se pueden depositar por pulverización o evaporación térmica. En otras realizaciones, las capas de HTL y/o ETL se pueden depositar mediante técnicas basadas en soluciones tales como revestimiento por rotación, revestimiento con cuchilla, revestimiento con cuchilla, revestimiento con matriz ranurada, serigrafía, impresión flexográfica, impresión por huecograbado, impresión por inyección de tinta o revestimiento por pulverización. En realizaciones adicionales, las capas de HTL y/o ETL pueden depositarse mediante laminación.
El ánodo y/o el cátodo de un dispositivo fotovoltaico descrito en esta memoria, en algunas realizaciones, se forma de un material transmisor de radiación. Al ser transmisor de radiación, el ánodo y/o el cátodo son transparentes o sustancialmente transparentes para partes del espectro electromagnético característico de la irradiación espectral solar. En algunas realizaciones, el ánodo y/o el cátodo se forman de un óxido de metal transmisor de radiación. Los óxidos metálicos transmisores de radiación adecuados pueden incluir óxido de estaño (ITO), óxido de galio, indio y estaño (GITO), óxido de zinc, indio y estaño (ZITO), óxido de indio y zinc (IZO) y óxido de plata y zinc (AZO) y versiones funcionalizadas químicamente de óxidos metálicos, como el óxido de estaño dopado con flúor (fTo ). En otras realizaciones, los materiales transmisores de radiación para el ánodo y/o el cátodo pueden incluir materiales orgánicos tales como especies poliméricas conductoras o semiconductoras. Las especies poliméricas adecuadas pueden comprender polianilina (PANI) y sus parientes químicos, como PANI-PAAMPSA. En algunas realizaciones, el 3,4-polietilendioxitiofeno (PEDOT) puede ser un material polimérico transmisor de radiación adecuado para el ánodo y/o el cátodo. Las construcciones de nanocables también se pueden utilizar como material transmisor de radiación para el ánodo y/o el cátodo. En algunas realizaciones, por ejemplo, un ánodo y/o cátodo transmisor de radiación puede ser una malla de nanoalambres metálicos, como nanoalambres de plata dispersos en una matriz polimérica. También pueden emplearse como ánodo y/o cátodo películas metálicas de suficiente delgadez para transmitir una radiación cercana al ultravioleta, visible y/o infrarroja significativa. En algunas realizaciones, el ánodo y/o el cátodo exhiben una transmitancia promedio en la región de luz visible de 80 por ciento a 100 por ciento. En otras realizaciones, el ánodo o el cátodo pueden ser opacos. El ánodo o el cátodo, por ejemplo, puede formarse de un metal, como aluminio, plata o cobre, de un grosor suficiente para reflejar la luz o bloquear de otro modo la transmisión de la luz. Además, las capas de película delgada de óxido de molibdeno o LiF pueden emplearse adyacente a arquitecturas de ánodo y/o cátodo transmisivas u opacas, o mezclarse con estas, para mejorar el rendimiento del dispositivo fotovoltaico o la transparencia del dispositivo en la(s) región(es) visible(s) y/o infrarroja(s).
La FIG. 2 ilustra un dispositivo fotovoltaico de única unión según algunas realizaciones descritas en esta memoria. Como se ilustra en la FIG. 2, el dispositivo fotovoltaico 20 comprende un sustrato de vidrio o polimérico 21 transparente a la radiación UV cercana, visible e infrarroja. Un ánodo transmisor de radiación 22 se deposita sobre el sustrato 21 seguido de un HTL 23. La capa activa 24 reside sobre el HTL 23. En la realización de la FIG. 2, la capa activa 24 comprende una heterounión plana formada por un donante orgánico de electrones (D) y un aceptador orgánico de electrones (A). Como se describe en esta memoria, el donante orgánico de electrones (D) y el aceptador orgánico de electrones (A) pueden tener una compensación HOMO/LUMO de al menos 1,7 eV o al menos 2 eV. En realizaciones alternativas, la capa activa 24 puede exhibir una arquitectura de heterounión en gradiente o mixta. Entre el cátodo 26 y la capa activa 24 se coloca un ETL 25.
II. Dispositivos electrocrómicos
Debido a los altos valores de Voc, los dispositivos fotovoltaicos orgánicos de única unión descritos en esta memoria pueden encontrar uso en dispositivos electrocrómicos. Además de modular la transmisión de luz visible en edificios y vehículos de transporte para aumentar las necesidades de iluminación/sombras y/o brindar privacidad, los dispositivos electrocrómicos alimentados por energía solar descritos en esta memoria también pueden modular la transmisión de luz infrarroja en edificios y vehículos de transporte para aumentar las necesidades de calefacción/refrigeración. Los valores de Voc proporcionados por los dispositivos fotovoltaicos de única unión son suficientes para impulsar una variedad de químicas redox empleadas en ensamblajes electrocrómicos. En algunas realizaciones, un dispositivo electrocrómico comprende un conjunto electrocrómico y un dispositivo fotovoltaico de única unión en comunicación eléctrica con el conjunto electrocrómico para conmutar el conjunto electrocrómico entre los estados de luz y oscuridad mediante la
aplicación de un fototensión. El dispositivo fotovoltaico de única unión comprende un ánodo, un cátodo y una capa activa que reside entre el ánodo y el cátodo, comprendiendo la capa activa un donante orgánico de electrones y un aceptador orgánico de electrones, en donde el dispositivo fotovoltaico genera un Voc de al menos 1,4 V. Los dispositivos fotovoltaicos de única unión empleados en los dispositivos electrocrómicos descritos en esta memoria pueden tener cualquier arquitectura, propiedades y/o métricas de rendimiento establecidas en la Sección I anterior.
Además, el conjunto electrocrómico comprende una única capa electrocrómica. En algunas realizaciones, el conjunto electrocrómico comprende una pluralidad de capas electrocrómicas. La una o más capas electrocrómicas del conjunto pueden exhibir propiedades redox conmutables entre estados claro/transparente y oscuro/opaco por fototensiones proporcionados por los dispositivos fotovoltaicos descritos en esta memoria.
En algunas realizaciones, por ejemplo, un conjunto electrocrómico comprende un único material polimérico electrocrómico (ECP). El ECP puede exhibir un cambio de color cuando se oxida o se reduce. Por ejemplo, el ECP puede estar en un estado blanqueado o transparente cuando se oxida y en un estado coloreado cuando se reduce. Alternativamente, el ECP puede exhibir un estado blanqueado o claro cuando se reduce y un estado coloreado cuando se oxida. Cuando se emplea una sola capa de ECP, el conjunto electrocrómico puede comprender además una capa de equilibrio de carga que está blanqueada o transparente tanto en estado oxidado como reducido. Se coloca un electrolito entre la capa de equilibrio de carga y el ECP.
En algunas realizaciones, el conjunto electrocrómico comprende dos materiales ECP separados por un electrolito. En tales realizaciones, los materiales de ECP son complementarios en el sentido de que el primer material de ECP está blanqueado o transparente en estado oxidado mientras que el segundo material de ECP está blanqueado o transparente en estado reducido. Cuando se reduce posteriormente, el primer material ECP se colorea, y cuando se oxida posteriormente, el segundo ECP también se colorea. En una realización, por ejemplo, el conjunto electrocrómico puede comprender capas electrocrómicas de PEDOT:PSS y PANI-PAAMPSA separadas por electrolito. PEDOT:PSS y PANI-Pa A m PSA son claros cuando el primero se oxida y el segundo se reduce. De manera similar, ambos polímeros son oscuros o coloreados cuando se reduce PEDOT:PSS y se oxida PANI-PAAMPSA.
El conjunto electrocrómico, en algunas realizaciones, emplea una o más capas electrocrómicas que efectúan el cambio de color a través de la intercalación de iones. Por ejemplo, el conjunto electrocrómico puede comprender una o más capas de óxidos metálicos, como el óxido de tungsteno (WO3) y/o el óxido de molibdeno (MoOs). Los óxidos de metales de transición mixtos, como los óxidos mixtos de vanadia-ceria, también se pueden emplear como capas electrocrómicas en el conjunto. Las especies iónicas intercaladas generalmente pueden incluir H+ así como iones de metales alcalinos de Li+, Na+y K+ . Los óxidos metálicos que muestran poco o ningún cambio de color, como la ceria, se pueden emplear como capas de equilibrio de carga en el conjunto electrocrómico.
El conjunto electrocrómico, en algunas realizaciones, emplea una o más capas electrocrómicas que dispersan o transmiten luz a través del reensamblaje de cristales líquidos. Por ejemplo, el conjunto electrocrómico puede comprender una o más capas de cristal líquido dispersadas en polímero, como el cristal líquido E7 disperso en polímero fotocurable NOA65 (Norland Products). En tales realizaciones, la capa electrocrómica dispersa luz en estado apagado cuando los cristales líquidos están orientados aleatoriamente en la matriz polimérica, y transmite luz en estado encendido debido a la orientación preferencial de los cristales líquidos con tensión aplicado.
El conjunto electrocrómico, en algunas realizaciones, emplea una o más capas electrocrómicas que absorben o transmiten luz visible e infrarroja de forma independiente. Tales realizaciones pueden comprender materiales de modulación de luz visible e infrarroja separados, tales como nanocristales de ITO incrustados en una matriz de vidrio de óxido de niobio (NbOx ). Dichas realizaciones también pueden comprender capas ECP que absorben y transmiten luz visible y/o infrarroja en sus diferentes estados de oxidación, como PANI-PAAMPSA.
En algunas realizaciones, el dispositivo fotovoltaico de única unión puede ser transparente en el visible y/o infrarrojo y así integrarse verticalmente con el conjunto electrocrómico. En algunas realizaciones, el dispositivo fotovoltaico de única unión puede integrarse verticalmente con el conjunto electrocrómico sobre la misma huella de área. La FIG. 3 ilustra la integración vertical de un dispositivo fotovoltaico de única unión con un conjunto electrocrómico según algunas realizaciones descritas en esta memoria. La integración vertical del dispositivo fotovoltaico de única unión con el conjunto electrocrómico puede simplificar en gran medida la aplicación de dispositivos electrocrómicos a una variedad de productos, incluidas ventanas para edificios comerciales e industriales, hogares y vehículos de transporte, incluidos automóviles, autobuses, camiones, trenes y aviones. Los dispositivos electrocrómicos, por ejemplo, se pueden colocar entre los cristales de las ventanas para el aislamiento ambiental. La integración vertical del aparato fotovoltaico puede hacer que el dispositivo electrocrómico sea autónomo, simplificando así enormemente el cableado eléctrico que complica la instalación previa del aparato electrocrómico.
Alternativamente, un dispositivo fotovoltaico de única unión descrito en esta memoria es espacia espacialmente o es externo al conjunto electrocrómico. Las FIGS. 4-6 ilustran un dispositivo electrocrómico que comprende un dispositivo fotovoltaico orgánico de única unión que tiene la arquitectura descrita en esta memoria en comunicación eléctrica con un conjunto electrocrómico a través de un circuito o componente de almacenamiento de energía según algunas realizaciones. La FIG. 4 ilustra el dispositivo electrocrómico en el estado de circuito abierto, desactivado, mientras que la FIG. 5 ilustra el dispositivo electrocrómico en el estado encendido a oscuro. La FIG. 6 ilustra el dispositivo electrocrómico alimentado al estado claro o blanqueado.
III. Arquitecturas de almacenamiento de energía
Los dispositivos fotovoltaicos de única unión descritos en esta memoria también pueden encontrar aplicación en arquitecturas de almacenamiento de energía que incluyen, pero sin limitación a esto, baterías y condensadores. En algunas realizaciones, una arquitectura de batería comprende un conjunto electroquímico y un dispositivo fotovoltaico de única unión en comunicación eléctrica con el conjunto electroquímico. El dispositivo fotovoltaico de única unión comprende un ánodo, un cátodo y una capa activa que reside entre el ánodo y el cátodo, comprendiendo la capa activa un donante orgánico de electrones y un aceptador orgánico de electrones, en donde el dispositivo fotovoltaico genera un Voc de al menos 1,4 V Como se describe más adelante en esta memoria, el dispositivo fotovoltaico de única unión puede integrarse verticalmente con el conjunto electroquímico. En otras realizaciones, el dispositivo fotovoltaico de única unión se separa espacialmente o es externo del conjunto electroquímico. Los dispositivos fotovoltaicos de única unión empleados en los diseños de baterías descritos en esta memoria pueden tener cualquier arquitectura, propiedades y/o métricas de rendimiento establecidas en la Sección I anterior. La FIG. 7 ilustra una arquitectura de batería que integra verticalmente un dispositivo fotovoltaico de única unión descrito en esta memoria. Dependiendo de la realización, se pueden incluir circuitos adicionales entre los electrodos 1 y 3 y 1 y 2.
En algunas realizaciones, los dispositivos fotovoltaicos de única unión descritos en esta memoria se pueden usar para alimentar o ayudar a alimentar diversos dispositivos optoelectrónicos, como Google Glass. Dado el alto grado de transmisión de luz visible y/o infrarroja, los dispositivos fotovoltaicos de única unión descritos en esta memoria también se pueden integrar en pantallas de dispositivos electrónicos, incluidas tabletas, teléfonos y ordenadores. Un dispositivo fotovoltaico de única unión, en algunas realizaciones, puede tener una huella de área acorde con el área de la pantalla de exposición. En otras realizaciones, un dispositivo fotovoltaico de única unión puede tener una huella de área que es una parte del área de la pantalla de exposición. En estas realizaciones, la fotocorriente generada por el dispositivo fotovoltaico de única unión puede alimentar o ayudar a alimentar el dispositivo electrónico. El dispositivo fotovoltaico de única unión, por ejemplo, puede ser parte de la fuente de alimentación del dispositivo electrónico. En una realización, el dispositivo fotovoltaico de única unión puede proporcionar la carga de la batería.
IV. Dispositivos electroquímicos con energía solar
En otro aspecto, valores elevados de Voc pueden hacer que los dispositivos fotovoltaicos de única unión descritos en esta memoria sean adecuados para aplicaciones de combustibles solares, tales como la división de agua. En algunas realizaciones, por ejemplo, un dispositivo de división de agua comprende un catalizador de evolución (OEC) de oxígeno (O2), un catalizador de evolución (HEC) de hidrógeno (H2) y un dispositivo fotovoltaico de única unión, comprendiendo el dispositivo fotovoltaico un ánodo, un cátodo y capa activa que reside entre el ánodo y el cátodo. La capa activa comprende un donante orgánico de electrones y un aceptador orgánico de electrones, en donde el dispositivo fotovoltaico de única unión genera un Voc de al menos 1,4 V. Los dispositivos fotovoltaicos de única unión empleados en los dispositivos de división de agua descritos en esta memoria pueden tener cualquier arquitectura, propiedades y/o métricas de rendimiento establecidas en la Sección I anterior.
En algunas realizaciones, el dispositivo de división de agua es inalámbrico en donde OEC y HEC se integran con el dispositivo fotovoltaico de única unión. El OEC, por ejemplo, se puede depositar en el ánodo de dispositivo fotovoltaico mientras que el HEC se deposita en el cátodo. En algunas realizaciones, el ánodo y el cátodo del dispositivo fotovoltaico pueden fabricarse a partir de materiales catalíticos OEC y h Ec , respectivamente. Alternativamente, el dispositivo de división de agua puede estar cableado en donde OEC y/o HEC no se integran en el dispositivo fotovoltaico. Los materiales OEC adecuados pueden comprender un catalizador de cobalto, como el óxido de cobalto. El C0-OEC puede autoensamblarse tras la oxidación a Co2+, puede autorrepararse y puede funcionar en electrolitos tamponados con agua pura o natural a temperatura ambiente. Los fosfatos de cobalto también se pueden emplear como OEC. Otros óxidos y/o hidróxidos metálicos también pueden servir como OEC, incluidos el óxido e hidróxido de níquel, Ni(OH)2. Los materiales HEC adecuados pueden incluir níquel y aleaciones de níquel, como NiMo y NiMoZn. En algunas realizaciones, Ni(OH)2 también puede servir como material HEC. Además, el electrolito acuoso empleado con los dispositivos de separación de agua descritos en esta memoria puede tener un pH neutro o un pH ligeramente básico. Las FIGS. 8A y 8B ilustran dispositivos de división de agua inalámbricos según algunas realizaciones.
En algunas realizaciones, los dispositivos fotovoltaicos orgánicos individuales de única unión se pueden apilar unos sobre otros para aumentar el rendimiento de las aplicaciones de separación de agua. El apilamiento de dispositivos fotovoltaicos también se puede aplicar a dispositivos electrocrómicos y arquitecturas de baterías descritas en esta memoria.
Algunas realizaciones se ilustran mediante los siguientes ejemplos no limitativos.
EJEMPLO 1 - Dispositivos fotovoltaicos orgánicos de única unión
Se produjeron dispositivos fotovoltaicos orgánicos de única unión que tienen la arquitectura de la FIG. 2 según los siguientes métodos. La composición y la arquitectura de la capa activa para cada clase de dispositivo fotovoltaico de única unión se proporciona en la Tabla IV. También se preparó un dispositivo fotovoltaico comparativo de única unión. La composición de capa activa y la arquitectura de la clase de dispositivo comparativa también se proporcionan en la Tabla IV.
Tabla IV - Dispositivos Fotovoltaicos Or ánicos de única unión
La FIG. 9A ilustra la estructura química de los aceptadores de electrones orgánicos 8Cl-cHBC (A1) y 12ClcHBC (A2). La FIG. 9B ilustra los niveles de energía HOMO y LUMO de A1 y A2 determinados por espectroscopias de fotoelectrones ultravioleta (UPS) y fotoemisión inversa (IPES), respectivamente. Los niveles de energía de D se informaron previamente (Ver, Loo et al., Chem. Mater. 28, 673-681 2016) y los de C60 se obtuvieron de la literatura (Ver, Benning et al., Phys. Rev. B. 45, 6899-6913 1992). La FIG. 9C ilustra los espectros de absorción para D, A1, A2 y C60.
Materiales y procedimientos
Semiconductores moleculares D, A1, A2
D (o cTBFDBC; tetrabenzofuranildibenzocoroneno retorcido; dibenzo(3,4:9,10)benzo(4',5')furano(3',2':5,6)-benzo(4',5') furan(2',3':7,8)benzo(4',5')furan-(3',2':11,12)coroneno(1,2-b)benzofuran) fue sintetizado de acuerdo a los métodos descritos por Loo y col., Chem. Estera. 28, 673-681 (2016). A1 (u 8Cl-cHBC; 1,3,6,8,13,15,18,20-octaclorotrinafto[1,2,3,4-fgh:1',2',3',4'-pqr1”,2”,3”,4”-za1b1]trinaftileno) y A2 (o 12ClcHBC; 1,3,6,7,8,13,14,15,18,19,20-dodecaclorotrinapto[1,2,3,4-fgh:1',2',3',4'-pqr:1”,2”,3”,4”-za1b1]trinaptileno) se sintetizaron según los métodos descritos por Loo, et al., Chem. Estera. 27, 1892-1900 (2015).
Preparación y caracterización de películas delgadas
Se purificaron C60 y D una vez usando transporte físico de vapor horizontal con Ar como gas portador inerte. A1 y A2 se purificaron mediante recristalización en tolueno. Se evaporaron térmicamente películas delgadas de C60, D, A1 y A2 a una velocidad de 1 Á/s en una cámara con una presión < 2x10‘6 Torr (1 Torr = 133 Pa). Los espectros de absorción de películas delgadas de C60, D, A1 y A2 en portaobjetos de vidrio se recogieron en un espectrofotómetro Agilent Cary 5000 UV-Vis-NIR. Grosores de película para la FIG. 9C y la FIG. 11 eran idénticos a los grosores utilizados en los siguientes dispositivos: 23 nm (D), 17 nm (A1, A2) y 40 nm (C60). Se realizaron medidas de espectroscopía de fotoelectrones ultravioleta (UPS) y espectroscopía de fotoelectrones inversa (IPES) a temperatura ambiente, en una cámara de ultra alto vacío con una presión base de < 2 * 10‘10 Torr. Se evaporaron películas de 10 nm de grosor de A1 o A2 en un evaporador térmico ubicado en una guantera llena de nitrógeno y se transportaron al sistema de vacío de medición en nitrógeno. Se realizó UPS utilizando una lámpara de descarga de gas Specs que funciona con helio, produciendo fotones de helio I a 21,22 eV. Se realizó IPES en modo isocromático utilizando una configuración casera (Ver Chem. Phys. Lett.
272, 43-47).
Fabricación y prueba de celdas solares
Se utilizaron MoO y batocuprαna (BCP) tal como se recibieron. Los sustratos de vidrio (23 mm * 27 mm) estampados con una tira de ITO de 7,5 mm de ancho y 23 mm de largo (20 Q/cuadrado) se limpiaron mediante sonicación en agua desionizada, acetona y alcohol isopropílico y se secaron con nitrógeno. Luego, los sustratos se transfirieron inmediatamente a una guantera de nitrógeno para la evaporación secuencial de las capas del
dispositivo. Las capas de MoO3 y BCP tenían cada una 5 nm de grosor, depositadas a 1 Á/s. Después de la deposición de BCP, se evaporaron 60 nm de A1 a través de máscaras estampadas a una velocidad de 1 -3 Á/s para definir el área activa. Los dispositivos se colocaron bajo iluminación AM1,5G 100 mW/cm2en una guantera llena de nitrógeno y las características de densidad-tensión (J-V) de corriente se adquirieron con una unidad de medición de fuente Keithley 2400. Se realizaron mediciones de eficiencia cuántica externa (EQE) utilizando una lámpara de arco de xenón de 300 W (Newport Oriel) con luz monocromática filtrada de un monocromador de doble rejilla Cornerstone 260 1/4 M (Newport 74125).
Se fabricaron y probaron 57, 28 y 24 dispositivos que comprenden A1, A2 y C60 como aceptador, respectivamente. El área activa de cada dispositivo para estos experimentos fue de 0,18 cm2. El rendimiento de los dispositivos funcionales fue del 100 % con los tres aceptantes; los valores promedio y de desviación estándar para las características relevantes del dispositivo se resumen en la Tabla V.
Tabla V - Características de los Dispositivos Fotovoltaicos
Como se proporciona en la Tabla V, los dispositivos fotovoltaicos 1 y 2 que tienen la composición y la arquitectura descritas en esta memoria exhibieron una alta Voc de 1,63 V y 1,46 V, respectivamente. Es importante destacar que este alto Voc era reproducible en todos los dispositivos fabricados. La FIG. 10 ilustra un histograma de Voc a través del dispositivo fotovoltaico 1 que tiene una capa activa D/A1. Como se proporciona en la FIG. 10, los 57 dispositivos fotovoltaicos fabricados exhibieron Voc en el intervalo de 1,60 V a 1,65 V. Además, las capas fotovoltaicas activas que comprenden los dispositivos 1 y 2 exhibieron más del 70 % de transmisión de luz promedio en la región visible del espectro electromagnético como ilustrado en la FIG. 11.
EJEMPLO 2 - Escalabilidad del área activa del dispositivo fotovoltaico
Para fabricar celdas con áreas activas más grandes, se modelaron sustratos de vidrio revestidos con ITO (20 Q/cuadrado) con dimensiones de 23 mm * 27 mm con una tira de ITO con dimensiones de 12 mm * 27 mm. Se utilizaron fotomáscaras de diferentes tamaños durante la deposición del electrodo superior de aluminio para definir las áreas activas del dispositivo de 0,24, 0,48, 0,96 y 2,22 cm2. La fabricación de los dispositivos fotovoltaicos se completó como se establece en el Ejemplo 1. Las FIGS. 12A y 12B ilustran las características de J-V y los perfiles de densidad de potencia de las células de heterounión plana D/A1 con áreas activas crecientes de 0,24, 0,48, 0,96 y 2,22 cm2. Los dispositivos fotovoltaicos producen fotocorriente que escala con el área activa. Con fototensión y factor de llenado constantes, la producción de energía aumenta linealmente con el área activa de las celdas fotovoltaicas, como se ilustra en la FIG. 12C.
Los sustratos utilizados para preparar los dispositivos de 10 cm2 se obtuvieron mediante un proceso de creación de patrones de varias etapas. Se cortaron láminas de vidrio recubiertas de ITO (20 Q/cuadrado) en cuadrados de 5 cm * 5 cm y se limpiaron mediante sonicación en jabón y agua desionizada, seguido de agua desionizada, acetona, isopropanol y secado con nitrógeno. Luego se realizó una fotolitografía para definir el electrodo inferior y el colector de corriente de rejilla Ag de 30 nm de grosor. Con el fin de crear una superficie lisa para las capas del dispositivo, los sustratos de rejilla Ag se aumentaron con una capa de PEDOT:PSS dopada con sulfóxido de dimetilo al 5 % en volumen según la literatura (ver, Meng et al., Nat. Commun. 7, 10214, 2016). La capa de PEDOT:PSS se revistió por rotación sobre los sustratos estampados a 4000 rpm (rampa de 1000 rpm) durante 40 segundos y luego se recoció a 140 °C durante 30 minutos en una caja de guantes antes de transferirse a una cámara de evaporador para la deposición de las capas de dispositivos como esbozado en el Ejemplo 1. La FIG. 13 ilustra las características J-V de un dispositivo de 10 cm2 y un dispositivo de 1 cm2que tienen la misma construcción fotovoltaica. Como se proporciona en la FIG. 13, las características J-V de los dispositivos de 1 cm2 y 10 cm2 son idénticas, lo que indica escalabilidad sin pérdidas de rendimiento. Los resultados de la FIG. 13 también son indicativos de la naturaleza sin agujeros de las capas activas que permiten la escalabilidad del área.
EJEMPLO 3 - Dispositivo electrocrómico
Se fabricó un conjunto electrocrómico que tenía la arquitectura ilustrada en la FIG. 14 como sigue y se caracterizó como sigue. PANI-PAAMPSA se sintetizó mediante polimerización molde de anilina a lo largo de PAAMPSA en una proporción molar de monómero a ácido de 1:1 en agua desionizada como se describe por Loo, et al., J. Mater. química 17, 1268 (2007). Una monocapa de ácido 12-(fosfonododecil)fosfónico (Sigma-Aldrich, 97 %) se unió covalentemente a ITO/vidrio previamente limpiado mediante el método de unión por
agregación y crecimiento como se establece en Schwartz et al., Mermelada. química Soc. 125, 16074-16080 (2003). Una dispersión acuosa al 5 % en peso de PANI-PAAMPSA que se agitó durante al menos 10 días, o PEDOT:PSS (Heraeus, Clevios pH 1000) tal como se compró, se revistió por rotación sobre sustratos de vidrio/ITO modificados con ácido fosfónico. Se variaron los grosores del polímero electrocrómico variando las tasas de recubrimiento por rotación y el número de capas depositadas. Estas películas se recocieron con disolvente en ácido dicloroacético (DCA, Sigma-Aldrich, 99 %) como describen Loo, et al., Proc. nacional Academia ciencia EE. UU. 107, 5712-7 (2010). El tratamiento DCA se realiza para eliminar cualquier histéresis en la conmutación electrocrómica debido a la limitación del transporte de iones. Los grosores de película se midieron usando un perfilómetro Dektak 3,21.
Antes de ensamblar el dispositivo electrocrómico, PEDOT:PSS se oxidó durante 200 segundos a 0,9 V (vs. Ag/AgCl) y PANI-PAAMPSA se redujo durante 200 segundos a -0,6 V (vs. Ag/AgCl) en solución tampón de fosfato 100 mM, pH 8, para llevar Pa Ni-PAAMPSA y PEDOT:PSS a estados de oxidación opuestos. Se usó 1-etil-3-metilimidazolio bis(trifluorometilsulfonil)imida (EMIM TFSI, Sigma-Aldrich, > 97 %) mezclada con 5 % en peso de sílice pirogénica (Sigma-Aldrich, 0,007 μm) como electrolito de gel. Se realizaron experimentos espectroelectroquímicos para caracterizar los estados claro y oscuro del conjunto electrocrómico.
Se preparó un conjunto electrocrómico de 2,25 cm2 como se ha descrito anteriormente. Se utilizó una célula solar de 1,38 cm2 con D/A1 como capas activas para impulsar la conmutación del conjunto electrocrómico. Los electrodos PANI-PAAMPSA y PEDOT:PSS se conectaron al cátodo y al ánodo de la celda solar, respectivamente, para lograr el estado oscuro del conjunto electrocrómico. Las conexiones se invirtieron para acceder al estado claro.
La FIG. 15 ilustra la transmitancia óptica de los estados oscuro y claro del conjunto electrocrómico cuando se hace ciclo entre ±1,2 V. La FIG. 16 ilustra la estabilidad del contraste de transmisión del conjunto electrocrómico cuando se hace ciclo entre ±1,2 V. La FIG. 17 ilustra la capacidad de ajuste del contraste de transmisión de conjuntos electrocrómicos al variar los grosores de PANI-PAAMPSA y PEDOT:PSS (en todos los casos, el tensión aplicado es de ±1,2 V).
Se han descrito diversas realizaciones de la invención en cumplimiento de los diversos objetos de la invención. Debe reconocerse que estas realizaciones son meramente ilustrativas de los principios de la presente invención. Numerosas modificaciones y adaptaciones de las mismas serán fácilmente evidentes para los expertos en la técnica sin apartarse del alcance de la invención tal como se define en las reivindicaciones.
Claims (21)
1. Un dispositivo fotovoltaico orgánico de única unión (20) que comprende:
un ánodo (22);
un cátodo (26); y
una capa activa (24) que reside entre el ánodo (22) y el cátodo (26), comprendiendo la capa activa (24) un donante orgánico de electrones y un aceptador orgánico de electrones, en donde
la diferencia entre el orbital molecular ocupado más alto (HOMO) del donante orgánico de electrones y el orbital molecular desocupado más bajo (LUMO) del aceptador orgánico de electrones es de 1,7 eV a 4 eV, el dispositivo fotovoltaico de única unión (20) genera un tensión de circuito abierto (Voc) de al menos 1,4 V medido bajo iluminación AM1,5G 100 mW/cm2 ,
caracterizado por que el pico de absorbancia de la radiación electromagnética por parte de la capa activa (24) está en el intervalo de 250 nm a 450 nm.
2. El dispositivo fotovoltaico orgánico de única unión (20) de la reivindicación 1, en donde la Voc es de al menos 1,6 V.
3. El dispositivo fotovoltaico orgánico de única unión de la reivindicación 1, en donde la Voc está en el intervalo de 1,4 V a 4 V.
4. El dispositivo fotovoltaico orgánico de única unión (20) de la reivindicación 1, en donde la diferencia entre el orbital molecular ocupado más alto (HOMO) del donante orgánico de electrones y el orbital molecular desocupado más bajo (LUMO) del aceptador orgánico de electrones es de 2 eV a 4 eV.
5. El dispositivo fotovoltaico orgánico de única unión (20) de la reivindicación 1, en donde la capa activa (24) tiene una transmitancia promedio en la región de luz visible de 60 por ciento a 100 por ciento.
6. El dispositivo fotovoltaico orgánico de única unión (20) de la reivindicación 1, en donde la capa activa (24) absorbe radiación electromagnética en el intervalo de 300 nm a 620 nm.
7. El dispositivo fotovoltaico orgánico de única unión (20) de la reivindicación 1, en donde uno o ambos, el donante orgánico de electrones y el aceptador orgánico de electrones, se seleccionan de coronenos sustituidos.
8. El dispositivo fotovoltaico orgánico de única unión (20) de la reivindicación 7, en donde los coronenos sustituidos comprenden un núcleo de coroneno anulado con fracciones heteroaromáticas, y opcionalmente en donde las fracciones heteroaromáticas se seleccionan del grupo que consiste en benzofurano, benzotiofeno y piridina.
9. El dispositivo fotovoltaico orgánico de única unión (20) de la reivindicación 7, en donde los coronenos sustituidos comprenden un núcleo de coroneno anulado con restos aromáticos halogenados.
10. El dispositivo fotovoltaico orgánico de única unión (20) de la reivindicación 1 que comprende además una capa de transporte de orificios (23) colocada entre el ánodo (22) y la capa activa (24), y opcionalmente en donde la capa de transporte de orificios (23) comprende un óxido de metal de transición.
11. El dispositivo fotovoltaico orgánico de única unión (20) de la reivindicación 10 que comprende además una capa de transporte de electrones (25) colocada entre el cátodo (26) y la capa activa (24).
12. El dispositivo fotovoltaico orgánico de única unión (20) de la reivindicación 1, en donde el ánodo (22) o el cátodo (26) o ambos exhiben una transmitancia promedio en la región de luz infrarroja de 80 por ciento a 100 por ciento.
13. El dispositivo fotovoltaico orgánico de única unión (20) de la reivindicación 1, en donde el ánodo (22) o el cátodo (26) o ambos exhiben una transmitancia promedio en la región de luz visible de 80 por ciento a 100 por ciento.
14. El dispositivo fotovoltaico orgánico de única unión (20) de la reivindicación 1, en donde la capa activa (24) no tiene poros.
15. Un dispositivo electrocrómico que comprende:
un conjunto electrocrómico; y un dispositivo fotovoltaico orgánico en comunicación eléctrica con el conjunto electrocrómico para conmutar el conjunto electrocrómico entre los estados de luz y oscuridad mediante la aplicación de una fototensión, caracterizado por que el dispositivo fotovoltaico orgánico es un dispositivo fotovoltaico orgánico de única unión (20), según la reivindicación 1 o la reivindicación 2.
16. El dispositivo electrocrómico de la reivindicación 15, en donde el conjunto electrocrómico comprende una sola capa electrocrómica y una capa de equilibrio de carga.
17. El dispositivo electrocrómico de la reivindicación 15, en donde el conjunto electrocrómico comprende una pluralidad de capas electrocrómicas.
18. El dispositivo electrocrómico de la reivindicación 15, en donde una o más capas electrocrómicas del conjunto electrocrómico comprenden un material polimérico electrocrómico.
19. El dispositivo electrocrómico de la reivindicación 15, en donde una o más capas electrocrómicas del conjunto electrocrómico comprenden un óxido metálico o un óxido metálico mixto.
20. El dispositivo electrocrómico de la reivindicación 15, en donde el dispositivo fotovoltaico orgánico de única unión (20) se integra verticalmente con el conjunto electrocrómico, y opcionalmente además comprende uno o más dispositivos fotovoltaicos orgánicos de única unión adicionales (20) integrados verticalmente con el conjunto electrocrómico asamblea.
21. El dispositivo electrocrómico de la reivindicación 15, en donde el dispositivo fotovoltaico orgánico de única unión (20) se espacia del conjunto electrocrómico.
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