La motivación de este trabajo es el problema energético y éste ha sido abordado de dos maneras en esta tesis doctoral: promover un aumento de producción de energía mediante energías renovables junto con una reducción del consumo energético mediante el uso de sistemas más eficientes. Para este propósito, en esta tesis se han desarrollado dispositivos electroluminiscentes y fotovoltaicos novedosos de bajo coste y eficientes.
En concreto, el trabajo se ha focalizado en el desarrollo de células electroquímicas emisoras de luz (LECs) emisoras en el rojo e infrarrojo cercano y en la mejora de su estabilidad. Así como en la fabricación de células solares de perovskita de alta eficiencia.
Los dispositivos LECs han sido fabricados con complejos de metales de transición iónicos basados en el complejo [Ir(ppy)2(btzpy)][PF6], siendo (ppy = 2-fenilpiridinato y btzpy = 2-(piridin-2-yl)benzo[d]tiazol), manteniendo el ligando ppy constante y variando la funcionalización del ligando btzpy o el propio ligando btzpy. Los dispositivos preparados con la serie de complejos presentaron emisión electroluminiscente desde el rojo al infrarrojo cercano. A pesar de los moderados valores de luminancia máxima obtenidos, los dispositivos presentaron una extremada alta estabilidad con tiempos de vida medio entre 1000 y 6000 h, siendo los dispositivos LECs emisores en el rojo más estables publicados hasta la fecha. Los valores de EQEs obtenidos fueron moderados, pero considerables a pesar de los bajos valores de PLQY y las altas densidades de corriente pulsada empleadas. Además, se ha demostrado en este trabajo la modificación de los niveles de luminancia junto con una reducción del tiempo de encendido y sin pérdida de estabilidad cuando a los dispositivos fueron aplicados densidades de corriente muy altas.
Para el desarrollo de células solares basadas en perovskita de alta eficiencia se realizaron dos acciones: estudio del efecto del espesor de la capa absorbente de luz en el rendimiento de la célula solar y la influencia de las capas transportadoras de carga en células solares tipo p-i-n y n-i-p. Estos trabajos pudieron ser llevados a cabo debido al preciso control del espesor de las capas mediante su deposición por la técnica de evaporación a vacío.
En primer lugar se fabricaron una serie de capas de MAPbI3 a vacío con espesores entre 210 y 900 nm y posteriormente se implementaron en dispositivos tipo p-i-n. La fotocorriente generada se vio mejorada al aumentar el espesor del material absorbente de luz, pero la extracción de la carga se vio afectada, probablemente debido a la baja conductividad de la capa transportadora de huecos. La oxidación parcial de esta capa en una célula solar con capa absorbente de luz muy gruesa (900 nm) mejoró la extracción de las cargas viéndose el rendimiento de la célula solar recuperado, obteniendo valores similares al dispositivo más eficiente de la serie con capa absorbente de luz más fina. En este trabajo se demostró que con capas orgánicas no limitantes, el rendimiento fotovoltaico de células solares basadas en perovskita depositadas a vacío es independiente del espesor de la capa absorbente MAPbI3. Este trabajo también demostró que la longitud de difusión de carga en células solares cuya capa MAPbI3 ha sido evaporada a vacío es larga.
Para mejorar la extracción de la carga en los dispositivos, se fabricaron células solares basadas en perovskita tipo p-i-n y n-i-p, cuya capa absorbente de luz (MAPbI3) fue depositada entre capas intrínsecas y dopadas. En este estudio, se realizó una optimización de la concentración de dopante en las capas dopadas y se investigó la función e influencia de las capas intrínsecas y dopadas en el rendimiento de las células solares para la obtención de muy alta eficiencia. Se observó que la presencia de ambas capas es necesaria para tan altas eficiencias. Una vez optimizado el dispositivo, las células solares presentaron eficiencias de 16.5% (p-i-n) y 20% (n-i-p) sin histéresis. Estos valores son los más altos publicados en células solares basadas en perovskita depositada por evaporación en vacío y cuyo material absorbente de luz es MAPbI3.The motivation of this thesis is to reduce the energy consumption to generate illumination and the amount of fuel fossil employed in the generation of energy. For this purpose, novel, efficient and low-cost electroluminescent and photovoltaic devices need to be developed.
The work was focused on the development of red- and near-infrared LECs and the improvement of the device stability. The iTMCs studied were based on the [Ir(ppy)2(btzpy)][PF6] complex (ppy = 2-phenylpyridinate and btzpy = 2-(pyridin-2-yl)benzo[d]thiazole) and all of the complexes showed red- and near-infrared photoluminescence in the solid-state with moderate PLQYs values (<18%). The LECs prepared with the complexes also exhibit red to near-infrared electroluminescence. Although the maximum luminance values were moderate, they exhibited extremely high device stability with lifetimes in the range of 1000–6000 h, being the most stable red-emitting LECs reported up to date. The EQEs obtained were moderate (EQE<2%), however, these values were impressive in view of its low PLQY values and the high current density applied. Moreover, the possibility of tuning the luminance levels was demonstrated, having a fast response with almost no loss in device stability, maintaining its impressive characteristics by increasing the average current density.
An in-depth study of the photovoltaic efficiency by increasing the photocurrent obtained through modification of the perovskite thickness was performed. A series of vacuum-deposited MAPbI3 layers with layer thicknesses ranging from 210 to 900 nm were fabricated and implemented into p-i-n devices. The JSC was enhanced when the perovskite thickness was increased but the FF and hence the PCE was reduced due to the low mobility of the polyTPD layer. The partial oxidation of the polyTPD layer increases its conductivity and the device recovers the FF reaching a PCE of 12.7%, being the same high efficiency than the most efficient device of the series with thinner perovskite films (12%). In this work was demonstrated that with non-limiting organic layers, the PV performance of vacuum-deposited perovskite solar cells is independent on the perovskite layer thickness and that the charge carrier diffusion length is not limiting in the devices.
Fully vacuum-deposited p-i-n and n-i-p perovskite solar cells, employing a MAPbI3 perovskite layer deposited between an intrinsic and doped n- or p- type organic charge transport layers, respectively, were fabricated. The optimization of the dopant concentration was carried out and it was found that the presence of the undoped and doped charge transport layers were required for highly efficient solar cells. The optimized solar cells lead to hysteresis-free and very high efficiencies exceeding 16.5% (p-i-n) and 20% (n-i-p), the highest efficiencies reported for vacuum-deposited perovskite and for MAPbI3-based solar cells
