p Dispositivos fotovoltaicos, também conhecidas como células solares, produzir energia elétrica quando exposto à luz, e essa tecnologia permitiu uma indústria de crescimento rápido. Os designs mais familiares usam camadas rígidas de cristal de silício. Mas recentemente, intenso interesse tem se concentrado em dispositivos fotovoltaicos orgânicos (OP) que usam materiais semicondutores orgânicos baratos imprensados ​​entre dois eletrodos de metal. Os dispositivos OP podem ser flexíveis e facilmente portáteis. Imagine uma tenda que, uma vez configurado, atua como um grande sistema solar que pode ser usado para recarregar eletrônicos portáteis e luzes para a próxima noite de acampamento. p Contudo, atualmente, os dispositivos fotovoltaicos orgânicos são prejudicados pela baixa eficiência em relação às células solares comerciais - em parte porque quantificar suas propriedades elétricas tem se mostrado um desafio. Portanto, modelos preditivos e métricas quantitativas para o desempenho do dispositivo são extremamente necessários.

p Cientistas do Laboratório de Medição Física do NIST, liderado por David Gundlach e Curt Richter da Divisão de Semicondutores e Metrologia Dimensional, junto com James Basham, um pesquisador convidado da Penn State University, desenvolveram um método que permite a previsão da curva densidade-tensão de corrente de um dispositivo fotovoltaico. ¹ Este novo método usa uma técnica de medição comum (espectroscopia de impedância) que é acessível, amplamente disponível para os fabricantes, e relativamente fácil de executar. A técnica é repetível, não destrutivo, razoavelmente rápido (≈15 min para testar um dispositivo), e - graças a uma rigorosa análise e metodologia criada por Basham - fornece uma leitura abrangente das propriedades de corrente-tensão do dispositivo que eram anteriormente ilusórias para a maioria dos pesquisadores que trabalham no campo. Finalmente, esta técnica permite que o dispositivo seja testado em condições reais.

p "Este avanço na medição deve nos permitir otimizar mais rapidamente as células solares, "Afirma Richter." Somos capazes de ver o que acontece eletronicamente em todo o dispositivo. Mais importante, quanto tempo a carga existe uma vez criada e quanto tempo leva para levar a carga fotogerada através da mistura semicondutora para os eletrodos? Quanto maior a diferença entre o tempo de vida da carga e o tempo de trânsito do dispositivo, aumenta muito a probabilidade de um dispositivo fotovoltaico ser uma fonte de energia elétrica mais eficiente. "

p Atualmente em nível de laboratório, o teste de tensão de corrente de dispositivos fotovoltaicos orgânicos é normalmente feito analisando a operação do dispositivo em qualquer um dos extremos do espectro de polarização do dispositivo, isto é, um curto-circuito ou um circuito aberto - e tentar inferir a partir desses resultados o que está acontecendo eletricamente dentro do dispositivo. Mas, quando o dispositivo não funciona como um "livro-texto" ou célula solar "ideal", a imagem do que está acontecendo no dispositivo entre esses extremos de viés torna-se rapidamente nublada.

p "Essa abordagem só funciona se a recombinação (em que os portadores de carga são eliminados em vez de continuar a fluir através do dispositivo) em uma polarização é nominalmente idêntica à geração de carga na outra, "Gundlach diz." Em um bom dispositivo, aqueles devem ser quase iguais. Em um dispositivo não ideal, eles poderiam ser muito diferentes. Com nossa técnica, podemos mapear toda a gama de características de um extremo a outro e desemaranhar a geração, transporte, e diferentes mecanismos de perda em toda a faixa de polarização. "

p O resultado dessa nova técnica é a reprodução precisa da curva de densidade de corrente do dispositivo por meio de toda a faixa de tensão entre os extremos de polarização. Isso permite que os pesquisadores identifiquem onde existem problemas no dispositivo e pode servir como um plano para o que corrigir no dispositivo.

p "Combinando as propriedades físicas, existências, e concentrações de portadores com uma imagem precisa em nanoescala da microestrutura do filme semicondutor realmente dá uma imagem completa de como o dispositivo opera e o que limita esses dispositivos de atingir seus limites de desempenho teoricamente previstos, "Gundlach explica." Nossos colegas do Laboratório de Medição de Materiais do NIST avançaram muito no conhecimento de campo deste último. Agora estamos em uma posição muito melhor para colocar todas as informações juntas, e então podemos desenvolver modelos de dispositivos mais precisos fisicamente, diretrizes de design de materiais mais bem informadas, e, por fim, conectar mais estreitamente as propriedades dos materiais com os métodos de processamento e o desempenho da célula solar. "

p E uma vez que o processo físico que rege a fotovoltaica orgânica é muito semelhante a outros semicondutores orgânicos (diodos emissores de luz orgânicos, por exemplo, que são predominantes em displays eletrônicos), futuras aplicações desta técnica para outras indústrias parecem diretas.

p "Muito do entendimento que está sendo desenvolvido aqui também pode ser aplicado para fazer melhores diodos emissores de luz orgânicos, "Richter explica. As amostras fotovoltaicas orgânicas usadas neste estudo foram desenvolvidas internamente no NIST. O dispositivo de 100 nm de espessura tem uma estrutura de três camadas - um eletrodo semitransparente superior, o fotovoltaico orgânico, e um eletrodo inferior - colocado em um pedaço de vidro de 1 polegada.

p Para as medições de espectroscopia de impedância, a amostra foi instalada sob uma luz branca LED de banda larga, calibrado para uma iluminação solar (luz solar natural).

p A medição em si é conceitualmente simples:"Estamos aplicando uma tensão oscilante no dispositivo e medindo a corrente que sai, "Richter explica." Nós fazemos isso sob a luz solar simulada. Matematicamente, estamos olhando para a mudança de fase da corrente de saída em relação à tensão de entrada. "

p Esses resultados, combinado com a análise e metodologia de Basham, fornecem uma medição relativamente barata que tem um valor tremendo na compreensão dos mecanismos de perda dominante em toda a faixa de polarização de um dispositivo.

p "Agora, uma pequena empresa iniciante pode sair e comprar um espectrômetro de impedância e fazer essa medição com nosso papel em mãos porque ele diz como, "Gundlach afirma.

p "Também podemos fazer essas mesmas medições sem a fonte de luz ao longo da mesma faixa de voltagem, "Gundlach continua, "e você não obtém exatamente a mesma resposta. Algumas partes da comunidade argumentaram que você pode fazer essas medições escuras e obter a mesma resposta."

p Mais recentemente, Gundlach e Basham, em colaboração com o Laboratório de Medição de Materiais do NIST, usou esta técnica em combinação com a técnica de medição separada chamada Large Perturbation Transient Photovoltage (LPTP). ² Em LPTP, a amostra fotovoltaica orgânica é iluminada com um pulso de laser, o que resulta em uma alta tensão temporária que decai ao longo do tempo de nanossegundos para segundos. A tensão é medida, e uma curva de dados é produzida com base no tempo que leva para a voltagem cair de volta ao seu estado escuro. Esses dados resultantes fornecem informações adicionais sobre os efeitos de recombinação no dispositivo que a espectroscopia de impedância é incapaz de fornecer.

p As comparações do tempo de vida da carga fotogerada em função da densidade de carga ao longo de uma grande faixa de densidade de carga produzida por ambos os métodos foram as mesmas, confirmando que ambas as técnicas podem medir com sensibilidade e precisão os processos de geração e recombinação de uma forma consistente.

p "Essa é uma validação importante dessas técnicas de medição e métodos de análise que não foi explicitamente mostrado antes para esses dispositivos; apenas assumido, "Gundlach afirma.