Estudo e desenvolvimento de materiais para aplicações em células solares híbridas

Abstract

Este trabalho tem como objetivo estudar e desenvolver materiais para aplicações em células solares de terceira geração. Os materiais sintetizados são derivados de fulereno, óxido de titânio e nanopartículas híbrido (óxido@polímero). Os polímeros derivados de fulereno, de tipo n, foram planejados para conter C60 na cadeia principal. Três produtos diferentes foram obtidos, variando o comprimento da cadeia alquílica do co-monômero utilizando uma nova rota de polimerização. Os dispositivos fotovoltaicos foram preparados utilizando a configuração de heterojunção no volume e a maior eficiência alcançada foi de 1,84 %, o que representa um desempenho promissor para um novo material. As nanopartículas de dióxido de titânio foram sintetizadas usando a técnica hidrotermal assistida por micro-ondas em diferentes condições reacionais, tais como pH, temperatura e tempo, de modo a obter a morfologia nano dimensionada bem definida, rendimentos elevados e alta área superficial. Além disso, estudou-se a influência dos íons Na+ no crescimento cristalino dos óxidos e em sua morfologia, onde foram obtidas nanopartículas, estruturas tipo agulas e estruturas tipo nanotubos. As nanopartículas híbridas foram sintetizadas utilizando os óxidos sintetizados e um polímero, P3HT, funcionalizado de modo a ligar-se covalentemente aos óxidos. As nanopartículas foram opticamente caracterizadas e concluímos que estas podem ser utilizadas para estudar a transferência de carga em sistemas híbridos.

This work aims to study and develop materials for applications in third generation solar cells. The synthesized materials are fullerene derivatives, titanium oxide, and hybrid (polymer@oxide) nanoparticles. The fullerene derivatives, n-type polymers, were designed to contain C60 in the main chain. Different products were obtained, varying the comonomer alkyl length using a new polymerization route discovery in this work. The photovoltaic devices were prepared using the bulk heterojunction configuration and the highest efficiency reached was 1.84 %, representing a very promising performance for a novel material. The titanium dioxide nanoparticles were synthesized using microwave assisted hydrothermal technique in different reaction condition, such as pH, temperature and time, in order to obtain well defined nano-sized morphologies, high yields and high surface areas. Also, it was investigated the influence of the Na+ ions on the crystalline growth and morphologies of the oxides, where nanoparticles, needles and nanotube-like structures were obtained. The hybrid nanoparticles were synthesized using the prepared oxides and a P3HT functionalized in order to bond covalently with the oxides. The nanoparticles were optically characterized and concluded to be possible to use for studies of charge transfer in hybrid systems.

Ce travail vise à étudier et à développer des matériaux pour des applications dans les cellules solaires de troisième génération. Les matériaux synthétisés sont des dérivés de fullerène, l'oxyde de titane et des nanoparticules hybride (polymère@oxyde). Les polymères dérivés de fullerène, de type n, ont été conçues pour contenir C60 dans la chaîne principale. Trois produits différents ont été obtenus, en faisant varier la longueur du comonomère en utilisant une nouvelle voie de polymérisation. Les dispositifs photovoltaïques ont été préparés en utilisant la configuration à hétérojonction en vrac et le rendement le plus élevé atteint était de 1,84 %, ce qui représente une performance prometteuses pour un nouveau matériau. Les nanoparticules de dioxyde de titane ont été synthétisés en utilisant la technique hydrothermique assistée par micro-ondes dans différentes conditions de réaction, tels que le pH, la température et le temps, afin d'obtenir ainsi défini nanométrique morphologie, avec des rendements élevés et une grande surface spécifique. En outre, on a étudié l'influence des ions Na+ sur la croissance cristalline des oxydes et morphologies des oxydes, où c'etait obtenu des nanoparticules, des aiguilles et des structures ressemblant des nanotubes. Les nanoparticules hybrides ont été synthétisés en utilisant l'oxyde synthétisé et un polymére, P3HT, fonctionnalisés afin de lier de manière covalente avec les oxydes. Les nanoparticules sont optiquement caractérisés et ont conclu à être possible d'utiliser pour les études de transfert de charge dans les systèmes hybrides.