Mestrado em Ciência e Engenharia dos MateriaisNeste trabalho são estudadas células solares híbridas formadas por poli(3-
hexiltiofeno-2,5-diyl) (P3HT) como condutor orgânico de buracos e
nanocristais de silício (Si-NCs) como conductor de electrões inorgânico.
Células solares híbridas têm atraído muita atenção nos últimos anos
devido ao facto de serem potencialmente fabricadas a baixo custo, a sua
flexibilidade e baixo peso. As possibilidades de processamento em solução
e ajuste da região espectral de absorção, a baixa toxicidade, e a
abundância fazem dos Si-NCs um material atractivo para aplicação em
células solares. Si-NCs de elevada qualidade podem hoje em dia ser
produzidos em larga escala a partir da fase gasosa através da
decomposição de silano num plasma. Embora a superfícies destes Si-NCs
seja terminada com ligações Si-H durante a sua síntese, estes
desenvolvem uma camada de óxido na superfície quando são expostos ao
ar. Até agora, células híbridas de Si-NC/P3HT foram fabricadas com Si-
NCs que não foram expostos ao ar após a sua síntese e foram
posteriormente estudadas em condições de atmosfera inerte, devido à
expectativa de que a exposição ao ar resulta na sua degradação. No
entanto, o processamento de dispositivos em atmosfera inerte impõe
limitações em termos técnicos e custo. Nesta tese estudamos o efeito do
processamento em atmosfera de ar na performance e degradação de
células solares híbridas de Si-NC/P3HT. As células foram fabricadas em ar
e em atmosfera de azoto e caracterizadas à temperatura ambiente e
condições de exposição ao ar. Para produzir a células solares foram
usados Si-NCs que foram expostos ao ar após a síntese e que por isso
contêm uma camada de óxido na sua superfície. Para remover esta
camada, nós usamos um método de erosão química com uma solução
diluída de ácido hidroflurico (HF). Células solares fabricadas com uma
mistura de 1:1 em percentagem de peso (wt.%) de Si-NC:P3HT não
revelaram qualquer efeito fotovoltaico. Dispositivos fabricados com uma
mistura de 2:1 wt.% de Si-NC:P3HT mostraram efeito fotovoltaico, devido
à formação de uma rede interpenetrara de Si-NC e P3HT em toda a
extensão do filme foto activo, tal como revelado em imagens de
microscopia electrónica de varrimento. Dispositivos fabricados em
atmosfera inerte não revelaram uma performance melhorada em relação
aos dispositivos produzido em atmosfera de ar, indicando que a fabricação
das células solares em ar não é o factor determinante da performance das
nossas células solares. Células solares que mostraram um efeitos
fotovoltaico degradaram-se rapidamente por exposição ao ar. Em contrate,
filmes de P3HT e de misturas Si-NC/P3HT, estudados em experiências
separadas, não revelaram uma degradação significativa por exposição ao
ar. Estes resultados indicma que a degradação das células solares não
deve resultar da degradação da camada foto activa de Si-NC/P3HT, mas
poderá resultar da degradação de interfaces entre as varias camadas que
compõem as células. Medidas de ressonância paramagnética electrónica
(RPE) foram levadas a cabo com os Si-NCs usados nas nossas células e
com Si-NCs usados para fabricar as células estudadas em trabalhos
publicados anteriormente por outros grupos. Estas medidas revelaram que
o número de defeitos superficiais por nanocristal nos nossos Si-NCs é
cerca de três ordens de grandeza superior ao número encontrado nos Si-
NCs usados anteriormente. Este facto poderá explicar a baixa
performance fotovoltaica os nossos dispositivos.We study-air-processed organic-inorganic hybrid solar cells, which
incorporate poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) as organic hole
conductor and silicon nanocrystals (Si-NCs) as inorganic electron
conductor. Hybrid solar cells have received a lot of attention in recent years
due to their low cost, flexibility and lightweight. Solution processability, nontoxicity,
abundance and tunable absorption spectral range of Si-NCs make
them attractive materials for application in solar cells. High quality Si-NCs
can now a days be produced in large amounts from the gas phase
decomposition of silane in a plasma. Although the surface of these Si-NCs
is terminated with Si-H bonds immediately after synthesis, they develop an
insulating native oxide shell after being exposed to air. So far, Si-NC/P3HT
hybrid solar cells have only been fabricated using Si-NCs that have not
been exposed to air after synthesis and afterwards characterized under
inert atmosphere conditions due to the expectation that air exposure of the
devices leads to their degradation. However, inert atmosphere processing
has some technical and cost efficiency limitations. In this thesis, we study
the effect of air-processing on the performance and degradation of solar
cells based on Si-NC/P3HT. Hybrid solar cells were fabricated in air and
under nitrogen ambient and characterized at room temperature under
atmospheric air. To produce our solar cells we use Si-NCs that have been
stored in air after plasma synthesis and, therefore, contain a native oxide at
their surface. To remove this oxide layer we apply wet etching with a dilute
hydrofluoric acid (HF) solution. Solar cells made from 1:1 wt.% (HF-etched
Si-NC:P3HT) composition did not show detectable photovoltaic effect. A
very small photovoltaic effect has been observed for devices made from
2:1 wt.% (HF-etched Si-NC:P3HT) composition as a result of the formation
of an interpenetrated network throughout the photoactive film at higher NC
concentration as seen from scanning electron microscopy. Device
fabrication under inert atmosphere did not result in improved solar cell
performance. This shows that fabrication of the devices in air was not the
main reason for the poor performance of the hybrid solar cells. Moreover,
solar cells that exhibited a photovoltaic effect were found to degrade within
one day of air exposure. In contrast to this, the conductivity of P3HT,
(unetched Si-NC)/P3HT and (HF-etched Si-NC)/P3HT films, studied in
separate experiments, did not show significant degradation upon air
exposure. These results indicate that the degradation of the solar cells is
not due to degradation of individual photoactive layers, but could rather
originate from degradation of interfaces between the different layers.
Electron paramagnetic resonance measurements carried out with our Si-
NCs and with Si-NCs used in previous investigations of Si-NC/P3HT solar
cells revealed that the number of surface defects per NC is about three
orders of magnitude larger in our NCs than in those used in the previous
investigations. This could be a reason for the poor performance of our Si-
NC/P3HT hybrid solar cells
