Designing of small organic molecules as hole transporting material in photovoltaic devices

Resumen

Los sistemas fotovoltaicos (PV) de tercera generación han demostrado reunir todos los requisitos para reemplazar a las células solares inorgánicas convencionales basadas en silicio debido a sus características atractivas, como son su fácil procesabilidad, su bajo coste y su reducido uso de materiales. En particular, las células solares orgánicas se han investigado intensamente durante las últimas décadas, ya que pueden conducir a dispositivos sostenibles, asequibles y flexibles. Sin embargo, es necesario abordar su baja eficiencia para allanar el camino hacia una comercialización a gran escala. Últimamente, el mayor avance entre la tecnología PV se logró con la introducción de células solares inorgánicas híbridas de perovskita, gracias a las asombrosas propiedades de este material, tales como la amplia absorción de luz, su facilidad de fabricación, la versatilidad de sus procesos de deposición y su alta eficiencia (power conversion efficiency, PCE). En solo unos años se han alcanzado eficiencias certificadas de >22% PCE, lo que representa un aumento sorprendente desde su aparición en 2009, y una escalada sin precedentes dentro de la tecnología fotovoltaica. Estos resultados llevaron a la perovskita a ser el centro de atención, convirtiéndose en una apuesta segura para la futura tecnología fotovoltaica. Aunque se han logrado avances considerables en este campo durante los últimos años, aún quedan algunos problemas por abordar, como el alto coste de los materiales y la estabilidad de los dispositivos, que siguen representando una importante limitación para su producción a gran escala. El uso de material de transporte de huecos (hole transporting materials, HTMs) es indispensable para fabricar un dispositivo eficiente. Spiro-OMeTAD (2,2',7,7'-tetrakis(N,N-di-p-metoxifenilamina)-9,9’-espirobifluoreno) representa el estado del arte entre los HTMs, que funciona como material de tipo p. Sin embargo, su alto precio debido a su complejo proceso de síntesis y su difícil purificación impiden el avance hacia la comercialización de la tecnología fotovoltaica basada en perovskita. Además, necesita dopantes y aditivos para extraer y conducir los huecos a través de los dispositivos de manera eficiente, debido a su baja movilidad y conductividad. El uso de dichos dopantes y aditivos en la capa de transporte de huecos reduce la resistencia en serie, debido a una mejora en la inyección de los huecos. Sin embargo, la estabilidad a largo plazo de los dispositivos sigue siendo motivo de estudio, ya que el uso de dopantes altamente higroscópicos, como las sales de litio, puede disolver la perovskita, que es muy sensible a la humedad. En el presente trabajo, se abordaron tres objetivos principales para superar los inconvenientes citados. En primer lugar, se han diseñado y sintetizado nuevas moléculas orgánicas de bajo peso molecular, y se han implementado de manera efectiva en dispositivos solares basados en perovskita como nuevos y más económicos HTMs. Las moléculas diseñadas presentan un núcleo basado en tiofeno y unos sustituyentes derivado de trifenilamina o carbazol. Las propiedades optoelectrónicas de las nuevas moléculas se midieron y se ajustaron para la optimización de los parámetros fotovoltaicos, haciéndolos aptos para la fabricación de dispositivos más eficientes. Además, se implementaron y se estudiaron dos moléculas basadas en ftalocianina. Las ventajas, tales como una síntesis sencilla, un bajo coste y unos resultados prometedores, representan una alternativa para remplazar el costoso Spiro-OMeTAD. En segundo lugar, algunas de las nuevas moléculas basadas en tiofeno se implementaron en células solares orgánicas de heterounión planar basadas en DBP/C70, en su aplicación como capa de bloqueo de excitones. La mejora en la fotocorriente demostró una eficiente integración de las nuevas moléculas, lo que permitirá diseñar e integrar en el futuro nuevas moléculas en la capa de bloqueo de excitones. Finalmente, líquidos iónicos basados en piridina e imidazolio se introdujeron como dopantes únicos e hidrofóbicos de tipo p, con el objetivo de aumentar la conductividad y la movilidad de los huecos del Spiro-OMeTAD, evitando así el uso de materiales aditivos higroscópicos y corrosivos, y mejorando la estabilidad a largo plazo de las celdas solares. Los estudios realizados demuestran la efectividad del uso del líquido iónico hidrofóbico a base de piridinio como dopante novedoso y único para PSCs, utilizado en una cantidad muy pequeña. Los impresionantes resultados preparan el camino para el uso de una gama de semiconductores orgánicos como dopantes hidrofóbicos, capaces de funcionar como dopantes efectivos para HTM y puedan mejorar efectivamente la vida útil de los dispositivos de PSC.