UNIVERSIDADE DE BRASIacuteLIA
FACULDADE DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELEacuteTRICA
ESTUDO PARA O DESENVOLVIMENTO DE
DISPOSITIVOS FOTOVOLTAICOS ORGAcircNICOS
ELIZETE ROCHA DA SILVA
ORIENTADORA ARTEMIS MARTI CESCHIN
DISSERTACcedilAtildeO DE MESTRADO EM ENGENHARIA ELEacuteTRICA
PUBLICACcedilAtildeO 42110
BRASIacuteLIADF JUNHO ndash 2010
ii
UNIVERSIDADE DE BRASIacuteLIA
FACULDADE DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELEacuteTRICA
ESTUDO PARA O DESENVOLVIMENTO DE
DISPOSITIVOS FOTOVOLTAICOS ORGAcircNICOS
ELIZETE ROCHA DA SILVA
DISSERTACcedilAtildeO SUBMETIDA AO DEPARTAMENTO DE
ENGENHARIA ELEacuteTRICA DA FACULDADE DE TECNOLOGIA DA
UNIVERSIDADE DE BRASIacuteLIA COMO PARTE DOS REQUISITOS
NECESSAacuteRIOS PARA A OBTENCcedilAtildeO DO GRAU DE MESTRE
APROVADO POR
BRASIacuteLIADF JUNHO DE 2010
iii
FICHA CATALOGRAacuteFICA
SILVA ELIZETE ROCHA DA
Estudo para o Desenvolvimento de Dispositivos Fotovoltaicos Orgacircnicos [Distrito Federal]
2010
xviii 104p 297 mm (ENEFTUnB Mestre Engenharia Eleacutetrica 2010)
Dissertaccedilatildeo de Mestrado ndash Universidade de Brasiacutelia Faculdade de Tecnologia
Departamento de Engenharia Eleacutetrica
1 Dispositivos Fotovoltaicos 2 Ceacutelula Solar
3Poliacutemeros Condutores 4 Eletrocircnica Orgacircnica
I ENEFTUnB II Tiacutetulo (seacuterie)
REFEREcircNCIA BIBLIOGRAacuteFICA
SILVA E R (2010) Estudo para o Desenvolvimento de Dispositivos Fotovoltaicos
Orgacircnicos Dissertaccedilatildeo de Mestrado em Engenharia Eleacutetrica Publicaccedilatildeo PPGENEDM-
42110 Departamento de Engenharia Eleacutetrica Universidade de Brasiacutelia Brasiacutelia DF 104
p
CESSAtildeO DE DIREITO
AUTOR Elizete Rocha da Silva
TIacuteTULO Estudo para o Desenvolvimento de Dispositivos Fotovoltaicos Orgacircnicos
GRAU Mestre ANO 2010
Eacute concedida agrave Universidade de Brasiacutelia permissatildeo para reproduzir coacutepias desta dissertaccedilatildeo
de mestrado e para emprestar ou vender tais coacutepias somente para propoacutesitos acadecircmicos e
cientiacuteficos O autor reserva outros direitos de publicaccedilatildeo e nenhuma parte dessa dissertaccedilatildeo
de mestrado pode ser reproduzida sem autorizaccedilatildeo por escrito do autor
____________________________
Elizete Rocha da Silva
QNA 14 casa 21
72110-140 Taguatinga - DF- Brasil
iv
AGRADECIMENTOS
Agradeccedilo ao Senhor Deus por mais essa conquista em minha vida
Agrave minha orientadora Artemis Marti Ceschin pela paciecircncia dedicaccedilatildeo e trabalho
ao longo do meu mestrado
Ao Heacutelio Tiago e Heacutelio Juacutenior que sempre me apoiaram incondicionalmente
Aos professores e colegas do Laboratoacuterio de Dispositivos e Circuitos Integrados -
LDCI pelas contribuiccedilotildees e pelo oacutetimo ambiente de trabalho Em especial ao professor Drordm
Joseacute Camargo pelas contribuiccedilotildees acadecircmicas
Agrave Drordf Jussara Duratildees do Laboratoacuterio de poliacutemeros (LaBPOL) do Instituto de
Quiacutemica da Universidade de Brasiacutelia pelas contribuiccedilotildees no desenvolvimento deste
trabalho
Agrave Msc Nizamara Simenremis do Laboratoacuterio de poliacutemeros (LaBPOL) do Instituto
de Quiacutemica da Universidade de Brasiacutelia pelas imagens de AFM discussotildees e amizade ao
longo deste trabalho
Aos funcionaacuterios e colegas dos Laboratoacuterios de Engenharia Eleacutetrica do SG 11 da
Universidade de Brasiacutelia que durante este tempo foi minha segunda casa Em especial aos
colegas do DTL Valter Alvino e Silmar pelo apoacuteio emocional e psicoloacutegico e
contribuiccedilotildees prestadas durante meu mestrado
Aos meus amigos queridos que ao lerem estes agradecimentos saberatildeo o quatildeo
grande foram suas contribuiccedilotildees nesta etapa da minha vida acadecircmica Seria injusto em
esquececirc-los pois todas as pessoas que estiveram comigo seja por alguns dias ou anos
tiveram importacircncia ao longo deste processo
Ao LABPOL pelo fornecimento das soluccedilotildees com oacuteleo de Buriti
As agecircncias financiadoras Capes pelo apoacuteio financeiro
Ao projeto INCT-NAMITEC
Ao projeto CNPqUniversal CT-INFO
Muito Obrigada
v
Dedico este trabalho ao Heacutelio da Silva pelos incentivos paciecircncia e ajuda financeira aos meus
filhos Tiago Rocha e Heacutelio Junior Enfim pela contribuiccedilatildeo prestada pela minha famiacutelia
diretamente e indiretamente ao longo dos anos
vi
ldquoSe todas as pessoas procurassem ser amigas de Deus tendo intimidade espiritual
muacutetua Deus os livraria de todos aqueles que natildeo satildeo seus amigos e proveria tudo em suas
vidas Os protegeria de todo o mal que estaacute reservado para vida terrena E depois da vida
passageira de cada um iriam reinar eternamente com Deusrdquo (Salmos 23-27)
vii
RESUMO
ESTUDO PARA O DESENVOLVIMENTO DE DISPOSITIVOS
FOTOVOLTAICOS ORGAcircNICOS
Autor Elizete Rocha da Silva
Orientador Artemis Marti Ceschin
Programa de Poacutes-graduaccedilatildeo em Engenharia Eleacutetrica
Brasiacutelia junho de 2010
Este trabalho eacute dedicado agrave preparaccedilatildeo e a caracterizaccedilatildeo de dispositivos
fotovoltaicos baseados em matrizes polimeacutericas modificadas com oacuteleo de buriti (OB) O
presente desenvolvimento consiste na deposiccedilatildeo de camada do poliacutemero condutor
PEDOTPSS sobre substrato de vidro com oacutexido de zinco dopado com fluacuteor (FTO) onde
depois foi depositada a camada ativa
Ao longo da pesquisa vaacuterias camadas ativas foram testadas No iniacutecio os filmes
das amostras foram preparados por casting Agrave medida que os resultados eram obtidos
novas ideacuteias iam surgindo e novas teacutecnicas foram sendo incorporadas
Buscando fazer os filmes mais finos e obter melhores resultados os filmes
passaram a serem preparados pela teacutecnica de spin coating Os tipos de camadas ativas
foram PS puro PS OB 47 PS OB 8 PS OB 47+P3HT P3HT+OB PMAM puro e
PMAM OB 35
Para as caracterizaccedilotildees dos dispositivos usou-se para medir tensatildeo e corrente
direta multiacutemetros comuns sob iluminaccedilatildeo de lacircmpadas e luz solar Alguns dispositivos
os paracircmetros de caracterizaccedilotildees foram obtidos das curvas IndashV Os filmes tiveram suas
espessuras medidas com perfilometro suas superfiacutecies tambeacutem foram observadas com
microscopia de forccedila atocircmica (AFM)
As respostas eleacutetricas obtidas foram interessantes e promissoras por estes
resultados levam a crer que estes materiais podem ser usados nos desenvolvimentos de
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos de baixo custo acessiacuteveis e de faacutecil fabricaccedilatildeo
viii
ABSTRACT STUDY FOR DEVELOPMENT OF ORGANIC PHOTOVOLTAIC DEVICES
Author Elizete Rocha da Silva
Supervisor Artemis Marti Ceschin
Programa de Poacutes-graduaccedilatildeo em Engenharia Eleacutetrica
Brasiacutelia June 2010
This work is dedicated to the preparation and characterization of the photovoltaic
devices based on polymer matrices modified with oil buriti (OB) This development
consists in the deposition layer of conducting polymer PEDOT PSS on glass substrate
with zinc oxide doped with fluorine (FTO) which was deposited after the active layer
Throughout this study several active layers were tested At the beginning of the
film samples were prepared by casting When the results were been obtained new ideas
were emerging and new techniques were incorporated
Seeking to make the films thinner to obtain better results the films had to be
prepared by spin coating technique The types of active layers were pure PS PS OB 47
PS B 8 PS B + 47 P3HT P3HT + OB pure and PMAM PMAM OB 35
For the characterizations of the devices used to measure voltage and direct current
multimeters under common lighting of lamps and solar light Some devices the parameters
were obtained from the characterizations of I-V curves The film had its thickness
measured with profilometer their surfaces were also observed with atomic force
microscopy (AFM)
The electrical answers obtained were interesting and promising to these results that
suggests these materials can be used in the development of organic photovoltaic devices at
low cost accessible and easy to manufacture
ix
SUMAacuteRIO
1 ndash INTRODUCcedilAtildeO 2
11 ndash OBJETIVO GERAL 4
12 ndash OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS E ORGANIZACcedilAtildeO DO ESTUDO 4
2 ndash CONCEITOS BAacuteSICOS 6
21 ndash POLIacuteMEROS CONDUTORES 6
23 ndash CARACTERIZACcedilAtildeO DO DISPOSITIVO FOTOVOLTAICO 10
231ndash Eficiecircncia quacircntica externa (IPCE) 10
232 ndash Tensatildeo de circuito aberto (VOC) e Corrente de curto circuito (ISC) 11
233 ndash Curva caracteriacutestica IndashV 12
234 ndash Fator de preenchimento (FF) e Conversatildeo de Potencia () 13
24 ndash POLIacuteMEROS UTILIZADOS 14
241 ndash Polistireno (PS) 14
242 ndash Poli metacrilato de metila (PMAM) 15
244 ndash Poli (3-hexiltiofeno) (P3HT) 18
3 ndash PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS 23
31 ndash MATERIAIS 23
32 ndash EQUIPAMENTOS UTILIZADOS 23
321 ndash Multiacutemetros 23
322 ndash Spin coater 23
323 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores (Curva IndashV) 25
324 ndash Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM) 26
33 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS I 27
331 ndash Experimentos Etapa 1 27
3311 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo dos eletrodos 27
3312 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo da camada ativa 27
x
3313 ndash Formaccedilatildeo do dispositivo 28
3314 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W 28
3315 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 29
332 ndash Experimentos Etapa 2 29
3321 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras 29
3323 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 30
3331 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras 31
3332 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W 32
334 ndash Experimentos Etapa 4 33
3341 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras 34
3342 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W 34
3343 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 35
341 ndash Misturas usando P3HT 35
342 ndash Experimentos Etapa 1 36
3421 ndash Preparaccedilatildeo dos filmes por spin coater 36
3422 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W 37
3423 ndash Caracterizaccedilatildeo com luz solar direta 38
3423 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 39
343 ndash Experimentos Etapa 2 39
3431 ndash Preparando novas amostras 39
3431 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W 41
3433 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar direta 41
3434 ndash Curva caracteriacutestica de corrente versus tensatildeo aplicada (IndashV) 42
3435 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 45
35 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS III 46
351 ndash Experimentos Etapa 1 46
xi
3511 ndash Confecccedilatildeo das amostras usando PS e PMAM 1ordm grupo 46
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo usando lacircmpada de Hg 80 W 47
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar 47
3522 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar 49
3523 ndash Curva caracteriacutestica corrente versus tensatildeo (IndashV) 50
3524 ndash Medida de espessura 53
353 ndash Experimentos Etapa 3 56
3531 ndash Confecccedilatildeo das amostras com parte do FTO removido 56
3532 ndash Caracterizaccedilatildeo das curvas (IndashV ) 57
3533 - Anaacutelise e discussatildeo 61
354 Caracterizaccedilatildeo dos Materiais por Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM) 61
4 ndash CONCLUSOtildeES E RECOMENDACcedilOtildeES 68
REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 71
APEcircNDICE 1 77
Produccedilotildees Bibliograacuteficas 77
xii
LISTA DE TABELAS
Tabela 3 1 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos 29
Tabela 3 2 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos 30
Tabela 3 3 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos 32
Tabela 3 4 ndash Valores medidos de VOC e ISC com iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W para variaccedilatildeo de iluminaccedilatildeo para a amostra P4 32
Tabela 3 5 ndash Valores de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo de lacircmpada incandescente de 100 W
durante 5 minutos 35
Tabela 3 6 ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito com um ponto de
prata Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos 38
Tabela 3 7ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito de prata em forma de
trilhas com concentraccedilatildeo em um ponto Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos 38
Tabela 3 8 ndash Resultados obtidos das medidas de VOC e ISC usando luz solar direta durante
5 minutos 38
Tabela 3 9 ndash Medidas de VOC e ISC para amostras iluminadas pela lacircmpada Hg 80 W
aproximadamente cinco minutos 41
Tabela 3 10 ndash Valores de VOC e ISC para amostras iluminada sob luz solar direta expostas
durante cinco minutos cada 42
Tabela 3 11 ndash Resultados das medidas de ISC e VOC das amostras do 1ordm grupo sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpada durante 05 minutos de exposiccedilatildeo 47
Tabela 3 12 ndash Resultados para ISC e VOC sob iluminaccedilatildeo luz solar por aproximadamente
05 minutos de exposiccedilatildeo 47
Tabela 3 13 ndash Medidas realizadas para as amostras A5 A6 A7 sob iluminaccedilatildeo solar
direta durante 10 minutos 49
Tabela 3 14 ndash Medidas realizadas no dia 12052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos 50
Tabela 3 15 ndash Medidas realizadas no dia 18052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos 50
Tabela 3 16 ndash Medida dos pontos e a media medida dos filmes das camadas ativas feitos
com rotaccedilatildeo de 5000 rpm Valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M 55
Tabela 3 17 ndash Medida dos pontos e a media dos filmes das camadas ativas feitos com
rotaccedilatildeo de 6000 rpm O valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M 55
xiii
LISTA DE FIGURAS
Figura 2 1 ndash Estrutura quiacutemica do poliacetileno mostrando as ligaccedilotildees alternadas em
simples e duplas 6
Figura 2 2 ndash Formaccedilatildeo da estrutura do condutor poliacetileno (a) Formaccedilatildeo de bandas
distintas pela superposiccedilatildeo de N orbitais (b) aproximaccedilatildeo da banda riacutegida para um nuacutemero
grande de orbitais 7
Figura 2 3 ndash Estrutura de uma ceacutelula solar orgacircnica A camada ativa pode compreender
uma ou mais camadas semicondutoras uma mistura de materiais ou a combinaccedilatildeo destas
duas estruturas 8
Figura 2 4 ndash Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um dispositivo fotovoltaico feito com uma
camada de poliacutemero entre dois eletrodos 8
Figura 2 5 ndash Processos envolvidos na geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica em um dispositivo
fotovoltaico orgacircnico 9
Figura 2 6 ndash Diagrama de niacuteveis de energia de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico Sob
iluminaccedilatildeo o eleacutetron (e-) eacute jogado para o niacutevel de maior energia LUMO deixando uma
lacuna (h+) no niacutevel de menor energia HOMO (Criaccedilatildeo do eacutexciton) que seratildeo coletados
pelos eletrodos 1 funccedilatildeo trabalho do 1ordm eletrodo (transparente) 2 funccedilatildeo trabalho do
2ordm eletrodo χ eletroafinidade IP potencial de ionizaccedilatildeo e Eg energia do gap 10
Figura 2 7 ndash Diagrama esquemaacutetico do dispositivo fotovoltaico 2 poliacutemero1 no escuro
com o alinhamento dos niacuteveis de Fermi a) e sob iluminaccedilatildeo b) potencial de built-in ( Vbi)
intriacutenseco em temperatura ambiente esta proacuteximo ao valor de tensatildeo 12
Figura 2 8 ndash Curva caracteriacutestica IndashV de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico no escuro e
sob iluminaccedilatildeo Tambeacutem eacute mostrado o ponto de corrente de curto circuito e tensatildeo de
circuito aberto O retacircngulo pintado indica o fator de preenchimento (FF) 13
Figura 2 9 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PS (C8H8)n 15
Figura 2 10 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PMMA (C5O2H8)n 16
Figura 2 11 ndash Representaccedilatildeo da cadeia principal do PEDOT [25] 17
Figura 2 12 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica da interaccedilatildeo entre o PEDOT e PSS [25]
17
Figura 2 13 ndash Estrutura quiacutemica do P3HT (C10H18S)n [13] 18
Figura 2 14 ndash Foto da palmeira do Buriti (Mauritia Flexuosa) conhecida como Buritizeiro
[21] 19
Figura 2 15 ndash Ilustraccedilatildeo dos frutos maduros do Buriti (a) aspecto da casca (b) polpa de
cor amarelada [21] 19
Figura 2 16 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PS puro e PSOB [40] 20
xiv
Figura 2 17 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PMAM puro e PMAM
OB [40] 21
Figura 3 1 ndash (a)bomba de vaacutecuo (b) compressor de ar comprimido (c) vaacutelvula de controle
e (d) spin coater 24
Figura 3 2 ndash Equipamento de spin coater instalado no laboratoacuterio LDCI vista lateral e
frontal 25
Figura 3 3 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores Keithley 2400 laboratoacuterio
LDCI 25
Figura 3 4 ndash Vista frontal do AFM marca VEECO Innova 26
Figura 3 5 ndash Amostras confeccionadas com duas lacircminas de substrato de vidro recoberto
com FTO baseada no modelo de Graumltzel 28
Figura 3 6 ndash (a) Esquema da amostra confeccionada no substrato flexiacutevel de plaacutestico
(PET) (b) foto do substrato finalizado 31
Figura 3 7 ndash Amostra feita com substrato de PET apoacutes ser submetidos agrave fonte de lacircmpada
incandescente de 100 W por 20 minutos 33
Figura 3 8 ndash (a) Esquema da amostra para substrato de vidro recoberto com FTO (b) foto
da amostra finalizada 34
Figura 3 9 ndash (a) Geometria do eletrodo de Ag confeccionado em forma de ponto e (b)
geometria do eletrodo de Ag feito em forma de trilhas 37
Figura 3 10 ndash (a) Foto da amostra (b) Estruturas das camadas dos dispositivos das novas
amostras 40
Figura 3 11 ndash Ilustraccedilatildeo do experimento realizado com uma amostra tendo o contato
desenhado com a geometria em forma de trilhas camada ativa de PS OB 47 42
Figura 3 12 ndash Ilustraccedilatildeo da polarizaccedilatildeo direta para amostras com P3HT e gota de
PEDOTPSS para medidas das curvas (IndashV) 43
Figura 3 13 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47 Corrente e
tensatildeo observadas 003 uA e 09 Volts respectivamente 44
Figura 3 14 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de OB puro + P3HT Corrente
e tensatildeo observadas 0013 uA e 002 Volts respectivamente 44
Figura 3 15 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47+P3HT
Corrente e tensatildeo observadas 0012 uA e 11 volts respectivamente 45
Figura 3 16 ndash Estruturas das camadas e do contato de Ag dos dispositivos fotovoltaicos
orgacircnicos usado para o 2 ordm grupo de amostras 49
Figura 3 17 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PS puro No escuro e sob
iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 51
xv
Figura 3 18 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PSOB 47 No escuro e
sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 52
Figura 3 19 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAM puro No escuro
e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 52
Figura 3 20 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAMOB 35 No
escuro e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 53
Figura 3 21 ndash Risco feito no filme da amostra onde a ponta do perfilocircmetro executou a
varredura 54
Figura 3 22 ndash Medindo a diferenccedila da altura entre os cursores (R - reference) e (M -
measurement) para determinar a espessura do filme 54
Figura 3 23 ndash Geometria da lacircmina de vidro apoacutes corrosatildeo do FTO 56
Figura 3 24 ndash Geometria das camadas do dispositivo 57
Figura 3 25 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PS puro
e PS OB 47 58
Figura 3 26 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PMAM
puro e PMAMOB 35 59
Figura 3 27 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PSOB
47 no claro e escuro 60
Figura 3 28 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de
PMAMOB 35 no claro e escuro 60
Figura 3 29 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS puro obtida por AFM no modo
contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 62
Figura 3 30 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS OB 47 por AFM modo
contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 63
Figura 3 31 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PMAM puro obtida por microscopia
de forccedila atocircmica no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 64
Figura 3 32 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PAMAM OB 35 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 64
Figura 3 33 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HTOB puro obtida por AFM no
modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 65
Figura 3 34 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HT+PS OB 47 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 66
xvi
LISTA DE SIacuteMBOLOS NOMENCLATURA E ABREVIACcedilOtildeES
Ag ndash Prata
BC ndash Banda de conduccedilatildeo
BV ndash Banda de valecircncia
CHCL3 ndash Clorofoacutermio
C7H8 ndash Tolueno
Eg ndash Energia de gap (Energia de banda proibida)
FTO ndash Oacutexido de estanho dopado com fluacuteor termo em inglecircs Tin Oxide doped with
Fluorine
FF ndash Fator de preenchimento termo em inglecircs fill factor
GPIB ndash General Purpose Interface Bus
HOMO ndash Orbital molecular mais alto ocupado termo em inglecircs highest occupied
molecular orbital
ITO ndash Oacutexido de iacutendio estanho termo em inglecircs Indium Tin Oxide
IPCE ndash Eficiecircncia de conversatildeo de foacutetons incidentes em eleacutetrons Eficiecircncia quacircntica
externa termo em inglecircs Incident Photon Converted in Electron Efficiency
I0 ndash Intensidade de luz incidente em W m2
ISC ndash Corrente de curto circuito termo em inglecircs current short circuit
IndashV ndash Corrente versus tensatildeo aplicada
JSC ndash Densidade de fotocorrente de curto circuito termo em inglecircs photocurrent density
short circuit
LUMO ndash Orbital molecular mais baixo desocupado termo em inglecircs lowest unoccupied
molecular orbital
OB ndash Oacuteleo de Buriti
OLED ndash Diodo emissor de luz orgacircnico termo em inglecircs Organic light emitting devices
OPV ndash Ceacutelulas orgacircnicas fotovoltaicas termo em inglecircs Organic Photovoltaic
PET ndash Poli (Tereftalato de Etila)
xvii
PEDOT ndash Poli (34-etileno dioxitiofeno)
PS ndash Poliestireno
PSSndash Poli (Estireno-Sulfonato)
PMAM ndash Poli Metacrilato de Metila
P3HT ndash Poli (3-hexil tiofeno)
rpm ndash Rotaccedilatildeo por minuto
TO - Oacutexido de estanho termo em inglecircs Tin Oacutexide
Tm ndash Temperatura de fusatildeo cristalina
Tg ndash Temperatura de transiccedilatildeo viacutetrea
UV ndash Ultravioleta
VIS ndash Visiacutevel
VOC ndash Tensatildeo circuito aberto termo em inglecircs Open-circuit voltage
V bi ndash Potencial de built-in
ndash eficiecircncia de conversatildeo de potecircncia
λ ndash comprimento de onda
π ndash orbital ligante
πndash orbital antiligante
ndash Funccedilatildeo trabalho do material
Capiacutetulo I
Introduccedilatildeo
2
1 ndash INTRODUCcedilAtildeO
Atualmente um assunto muito debatido na esfera mundial eacute o problema da emissatildeo
de gases que provocam o efeito estufa Essa questatildeo relaciona-se por exemplo com o
desvio do curso de um rio para formar barragem para construccedilatildeo de hidreleacutetrica ou o uso
de carvatildeo ou diesel para o funcionamento de geradores de energia eleacutetrica todas essas
accedilotildees tecircm forte contribuiccedilatildeo para mudanccedilas no ambiente natural
Uma maneira eficaz de amenizar o impacto de tais accedilotildees sobre o meio ambiente
consiste no aproveitamento da energia solar que eacute uma fonte de energia renovaacutevel tanto
como fonte de calor quanto de luz O sol eacute responsaacutevel direta ou indiretamente pela
maioria das fontes de energia utilizadas atualmente a energia do sol eacute responsaacutevel pela
evaporaccedilatildeo a radiaccedilatildeo solar induz as circulaccedilotildees atmosfeacutericas causando ventos necessaacuterios
para a obtenccedilatildeo de energia eoacutelica [1] A energia luminosa pode ser transformada em
energia eleacutetrica por meio das ceacutelulas solares Na atualidade eacute uma das alternativas
energeacuteticas mais promissoras para enfrentar os desafios dos proacuteximos anos
Por ser uma energia captada diretamente a partir da incidecircncia dos raios solares a
energia produzida por ceacutelulas fotovoltaicas eacute uma tecnologia que natildeo emite gases
poluentes na atmosfera e natildeo produz ruiacutedos nem vibraccedilotildees durante o processo de
conversatildeo
Embora seja uma tecnologia relativamente antiga a produccedilatildeo de energia por ceacutelulas
fotovoltaicas natildeo teve ainda grande expansatildeo comercial devido ao elevado preccedilo de
implantaccedilatildeo do sistema Com a existecircncia de grupo gerador movido a diesel mais barato
haacute um maior uso desse tipo de sistemas em lugares que natildeo satildeo atendidos pela rede de
energia puacuteblica [23]
Tendo em vista esse cenaacuterio soacutecio econocircmico e tambeacutem ambiental existe a
necessidade de se buscar novas tecnologias para a produccedilatildeo de ceacutelulas fotovoltaicas a
custos mais acessiacuteveis viabilizando assim sua execuccedilatildeo tendo em vista que a energia solar
eacute importante na preservaccedilatildeo do meio ambiente por apresentar vantagens sobre as outras
formas de obtenccedilatildeo de energia [4] Para cada metro quadrado de coletor solar instalado
evita-se a inundaccedilatildeo de cinquumlenta e seis metros quadrados de terras feacuterteis para a
construccedilatildeo de novas usinas hidreleacutetricas
A energia solar fotovoltaica eacute a energia da conversatildeo direta da luz em eletricidade
(Efeito Fotovoltaico) que consiste no aparecimento de uma diferenccedila de potencial nos
3
extremos de uma estrutura de material semicondutor produzido pela absorccedilatildeo da luz A
ceacutelula fotovoltaica eacute a unidade fundamental no processo de conversatildeo [5]
As ceacutelulas solares orgacircnicas necessitam de muito menos energia para serem
fabricadas que as de siliacutecio convencional ie o consumo de energia gasto para fabricaccedilatildeo
de uma ceacutelula solar orgacircnica eacute muito pequeno de forma que a energia por ela gerada seraacute
muito maior do que a gasta para a sua fabricaccedilatildeo A ceacutelula solar de siliacutecio possui um
processo de fabricaccedilatildeo com preccedilos elevados inviabilizando sua fabricaccedilatildeo em larga escala
devido aos gastos elevados de energia em sua produccedilatildeo O impacto final no balanccedilo de
energia natildeo eacute positivo ou seja se gasta muito mais energia para produzir a ceacutelula que a
energia que ela eacute capaz de gerar em curto prazo
A partir de uma reflexatildeo sobre este cenaacuterio observou-se que semicondutores
orgacircnicos baseados em pequenas moleacuteculas conjugadas e poliacutemeros oferecem a
oportunidade de produzir dispositivos com larga aacuterea e baixo custo sobre substratos
plaacutesticos flexiacuteveis [67] Nesse campo as misturas de poliacutemeros (blendas polimeacutericas) ou a
aditivaccedilatildeo de poliacutemeros produzem resultados interessantes Um exemplo eacute o poliestireno
(PS) e o poli-metacrilato de metila (PMAM) misturado com oacuteleo de buriti (Mauritia
flexuosa) o material modificado tem alta absorccedilatildeo entre 250 nm a 700 nm com o maacuteximo
em 320 nm [8] Isto o torna um candidato promissor para os estudos fotovoltaicos A partir
da descoberta dos poliacutemeros condutores e suas propriedades as investigaccedilotildees sobre a
possibilidade de empregaacute-los como mateacuteria prima na construccedilatildeo de dispositivos
fotovoltaicos foram intensificadas
Com base nessas observaccedilotildees optou-se por investigar misturas de PS e PMAM
com oacuteleo de buriti a fim de construir e caracterizar dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos
Tais dispositivos podem ser construiacutedos sobre substratos plaacutesticos e em temperatura
ambiente desta forma sendo flexiacuteveis e com baixo custo [9] Entre os diversos materiais
potencialmente interessantes para esse fim encontra-se tambeacutem o Poli (3-hexiltiofeno)
(P3HT) Com base em vaacuterias referecircncias [1011] sobre o uso do P3HT misturado com
nanopartiacuteculas e com C60 (Fulereno) resolveu-se testar a mistura P3HT com oacuteleo de Buriti
Este trabalho consiste no estudo para o desenvolvimento e caracterizaccedilatildeo de
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos baseados no oacuteleo de buriti que apresenta propriedades
oacutepticas de absorccedilatildeo misturado com poliacutemeros isolantes (PS e PMAM) e com o poliacutemero
semicondutor P3HT
4
11 ndash OBJETIVO GERAL
O objetivo do presente trabalho eacute o desenvolvimento e a caracterizaccedilatildeo de
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos a partir de poliacutemero semicondutor ou de poliacutemeros
isolantes modificados pelo oacuteleo de buriti
12 ndash OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS E ORGANIZACcedilAtildeO DO ESTUDO
1 Fazer deposiccedilatildeo de filmes finos de blendas polimeacutericas a partir de
mistura de poliacutemeros isolantes PS e PMAM e do poliacutemero
semicondutor P3HT com oacuteleo de buriti
2 Montagem dos dispositivos em substratos de vidro e de plaacutestico
3 Caracterizaccedilatildeo eleacutetrica dos dispositivos desenvolvidos atraveacutes de
medidas diretas sob iluminaccedilatildeo de lacircmpadas e luz solar direta
Medidas das curvas IndashV no escuro e com iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio
4 Caracterizaccedilatildeo morfoloacutegica dos filmes depositados por spin coater
Medir as espessuras dos filmes e aacuterea ativa
Ao longo desta pesquisa seraacute mostrada a confecccedilatildeo dos dispositivos que
apresentaram algum comportamento fotovoltaico ou aqueles que tiveram resultados
interessantes Vaacuterias tentativas foram feitas a fim de buscar aquelas que apresentassem
resultados e comportamento satisfatoacuterio para um dispositivo fotovoltaico orgacircnico
Este trabalho foi dividido em quatro capiacutetulos No capiacutetulo dois seraacute feita uma
revisatildeo de alguns conceitos importantes sobre dispositivos orgacircnicos materiais utilizados
e equipamentos de caracterizaccedilatildeo No capiacutetulo trecircs seratildeo descritos os procedimentos
experimentais e resultados os quais seratildeo subdivididos em dados experimentais I II e III e
em alguns casos subdivididos em etapas Seratildeo abordadas as teacutecnicas utilizadas nas
construccedilotildees e caracterizaccedilotildees dos dispositivos No capiacutetulo quatro seratildeo apresentadas as
conclusotildees e recomendaccedilotildees para trabalhos futuros
5
Capiacutetulo II
Conceitos Baacutesicos
6
2 ndash CONCEITOS BAacuteSICOS
21 ndash POLIacuteMEROS CONDUTORES
O termo poliacutemero eacute usado para designar macromoleacuteculas formadas pela repeticcedilatildeo
de unidades chamadas de monocircmeros Alguns poliacutemeros ocorrem naturalmente outros satildeo
sintetizados Os poliacutemeros sinteacuteticos tiveram seu grande desenvolvimento no iniacutecio do
seacuteculo 20 poreacutem a grande maioria dos poliacutemeros desenvolvidos nessa eacutepoca era isolante
Na deacutecada de 50 surgiram os primeiros poliacutemeros condutores extriacutensecos que eram
poliacutemeros isolantes incorporados com materiais portadores de cargas eleacutetricas
Nos anos 70 a equipe de Hideki Shirakawa et al [12] do instituto de Tecnologia de
Toacutequio produziu um filme de poliacetileno ([CH]n) de coloraccedilatildeo prateada e que conduzia
corrente depois Shirakawa produziu um outro filme condutor de poliacetileno de
coloraccedilatildeo dourada e com maior condutividade apoacutes dopagem com iodo Apoacutes as primeiras
descobertas vaacuterios outros poliacutemeros condutores foram desenvolvidos A descoberta das
propriedades eleacutetricas do poliacetileno laureou Heeger McDiarmid e Shirakwa com o
precircmio Nobel de quiacutemica em 2000 [12]
Os poliacutemeros condutores tambeacutem satildeo chamados de metais sinteacuteticos por possuiacuterem
propriedades eleacutetricas oacutepticas e magneacuteticas semelhantes aos metais e semicondutores
Os semicondutores orgacircnicos satildeo poliacutemeros cuja estrutura principal eacute composta por
carbono Satildeo semicondutores porque possuem ligaccedilotildees simples e duplas alternadas A
figura 21 mostra a estrutura quiacutemica do condutor orgacircnico poliacetileno cuja estrutura eacute a
mais simples
A sobreposiccedilatildeo de dois niacuteveis eletrocircnicos (orbitais) cria separaccedilotildees nos niacuteveis de
energia formando um orbital ligante (π) e um antiligante (π) que podem ser chamados de
banda de valecircncia e banda de conduccedilatildeo respectivamente Os orbitais podem ser
classificados de duas formas orbital molecular mais baixo desocupado (LUMO) e orbital
molecular mais alto ocupado (HOMO)
Figura 2 1 ndash Estrutura quiacutemica do poliacetileno mostrando as ligaccedilotildees alternadas em
simples e duplas
7
Semelhante aos semicondutores inorgacircnicos os semicondutores orgacircnicos possuem
dois eleacutetrons em cada niacutevel de energia com spin oposto formando ao longo da cadeia os
orbitais π e π com banda similar aos inorgacircnicos [13] Na figura 22 o orbital π
corresponde agrave banda de valecircncia (BV) e o orbital π a banda de conduccedilatildeo (BC)
Em temperatura de 0K todos os estados eletrocircnicos da banda BV estatildeo ocupados
enquanto que os da BC estatildeo desocupados O espaccedilo entre a BC (LUMO) e BV (HOMO) eacute
chamado de Energia de banda proibida (Eg)
Figura 2 2 ndash Formaccedilatildeo da estrutura do condutor poliacetileno (a) Formaccedilatildeo de bandas
distintas pela superposiccedilatildeo de N orbitais (b) aproximaccedilatildeo da banda riacutegida para um nuacutemero
grande de orbitais
22 ndash DISPOSITIVOS FOTOVOLTAICOS ORGAcircNICOS
Os dispositivos fotovoltaicos transformam energia luminosa em energia eleacutetrica
Satildeo divididos em duas classes de acordo com a aplicaccedilatildeo tecnoloacutegica Detectores de luz
como os fotodetectores e fotocondutores e ceacutelulas solares que convertem luz em energia
eleacutetrica [14 15] A conversatildeo da luz solar em energia eleacutetrica nas ceacutelulas solares depende
da geraccedilatildeo de cargas positivas e negativas e da captura das mesmas pelos eletrodos antes
das recombinaccedilotildees dos pares eleacutetrons ndash lacunas
O dispositivo fotovoltaico orgacircnico eacute composto de uma camada ativa
ensanduichada entre dois eletrodos com diferentes funccedilotildees trabalho Para melhor captaccedilatildeo
da luz um dos eletrodos tem que ser transparente Os materiais mais usados como eletrodo
8
transparente satildeo o oacutexido de estanho (TO) o oacutexido de estanho iacutendio (ITO) e oacutexido de
estanho dopado com fluacuteor (FTO) [14] O outro eletrodo pode ser feito de alumiacutenio caacutelcio
ouro prata cobre etc A figura 23 mostra o esquema de um dispositivo fotovoltaico
orgacircnico (ceacutelula solar orgacircnica)
Figura 2 3 ndash Estrutura de uma ceacutelula solar orgacircnica A camada ativa pode compreender
uma ou mais camadas semicondutoras uma mistura de materiais ou a combinaccedilatildeo destas
duas estruturas
Quando a camada ativa eacute iluminada por alguma fonte de luz atraveacutes do eletrodo
transparente a energia luminosa eacute transferida aos eleacutetrons que estatildeo no niacutevel HOMO Os
eleacutetrons absorvem a energia do foacuteton e satildeo promovidos para o niacutevel LUMO criando assim
uma lacuna no niacutevel HOMO O eacutexciton eacute definido como o par eleacutetron-lacuna ligado pela
atraccedilatildeo Coulombiana e eacute chamado de ―eacutexciton Wannier ―[16]
A figura 24 mostra a seccedilatildeo transversal de um dispositivo fabricado da maneira
mais simples contendo uma camada de poliacutemero entre dois eletrodos A aacuterea ativa eacute a
parte da sobreposiccedilatildeo do filme da camada ativa com o filme do eletrodo de contato de
prata Um dos eletrodos deve ser transparente agrave entrada de luz neste caso o FTO
Figura 2 4 ndash Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um dispositivo fotovoltaico feito com uma
camada de poliacutemero entre dois eletrodos
9
O processo de geraccedilatildeo de fotocorrente em dispositivos orgacircnicos fotovoltaicos
segue os seguintes passos mostrados na figura 25
Figura 2 5 ndash Processos envolvidos na geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica em um dispositivo
fotovoltaico orgacircnico
Apesar dos poliacutemeros conjugados apresentarem alto coeficiente de absorccedilatildeo em
torno de 105 cm
-1 somente parte da luz eacute absorvida e seraacute convertida em pares eleacutetrons-
lacunas Esses pares eleacutetrons - lacunas contribuiratildeo para a fotocorrente a qual ainda
depende da espessura da camada ativa polimeacuterica
O comprimento de difusatildeo de um eacutexciton em poliacutemeros conjugados eacute cerca de 10
nm devido a isso a espessura da camada ativa possui influecircncia direta sobre o
funcionamento do dispositivo Dispositivo com camada ativa muito espessa apresenta
resistecircncia agrave movimentaccedilatildeo dos portadores de cargas impedindo que as cargas positivas e
negativas sejam coletadas em seus respectivos eletrodos
Para ter um dispositivo com bom desempenho deve se construir camada ativa na
ordem de dezenas de nanocircmetros Os eacutexcitons devem ser criados nas proximidades das
interfaces do metalcamada ativa (regiatildeo ativa mostrado na figura 24) onde possa existir
maior efeito de alto campo eleacutetrico favorecendo assim a dissociaccedilatildeo dos eacutexcitons [17]
Para haver uma diferenccedila de potencial eacute necessaacuterio que os portadores sejam
coletados pelos respectivos eletrodos antes de se recombinarem A dissociaccedilatildeo do eacutexciton
ocorre em regiatildeo de alto campo eleacutetrico geralmente na interface metal-poliacutemero A figura
26 mostra um diagrama de energia para o dispositivo fotovoltaico orgacircnico sob
iluminaccedilatildeo
10
Figura 2 6 ndash Diagrama de niacuteveis de energia de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico Sob
iluminaccedilatildeo o eleacutetron (e-) eacute jogado para o niacutevel de maior energia LUMO deixando uma
lacuna (h+) no niacutevel de menor energia HOMO (Criaccedilatildeo do eacutexciton) que seratildeo coletados
pelos eletrodos 1 funccedilatildeo trabalho do 1ordm eletrodo (transparente) 2 funccedilatildeo trabalho do
2ordm eletrodo χ eletroafinidade IP potencial de ionizaccedilatildeo e Eg energia do gap
23 ndash CARACTERIZACcedilAtildeO DO DISPOSITIVO FOTOVOLTAICO
Para fazer comparaccedilotildees e caracterizar os dispositivos alguns paracircmetros satildeo
importantes para determinar a eficiecircncia entre os diferentes tipos de camada ativa dos
dispositivos Por meio do espectro dinacircmico ou resposta espectral teremos a eficiecircncia
quacircntica externa (IPCE) Para obterem-se os valores de tensatildeo circuito abeto (VOC)
corrente de curto circuito (ISC) fator de preenchimento (FF) e eficiecircncia de conversatildeo de
potecircncia () foram usados os valores retirados das curvas caracteriacutesticas I ndashV no escuro e
sob iluminaccedilatildeo [18]
231ndash Eficiecircncia quacircntica externa (IPCE)
Para se obter a resposta espectral ou espectro dinacircmico a amostra eacute submetida a
um feixe de luz monocromaacutetica de vaacuterios comprimentos de onda sem a aplicaccedilatildeo de
11
tensatildeo A eficiecircncia quacircntica externa eacute a razatildeo entre a densidade de fotocorrente de curto
circuito (JSC) medida e a intensidade de luz monocromaacutetica que incide sobre a amostra
conforme mostra a equaccedilatildeo 21
IPCE()=
(21)
Onde
JSC eacute a densidade de fotocorrente de curto circuito dada em microAcm2
λ eacute o comprimento de onda em nm
I0 eacute a intensidade de luz incidente em W m2
1024 eacute o fator de conversatildeo de energia em comprimento de onda [18]
Portanto o IPCE eacute um valor de medida de eficiecircncia para os dispositivos
fotovoltaicos
232 ndash Tensatildeo de circuito aberto (VOC) e Corrente de curto circuito (ISC)
Quando os materiais orgacircnicos das camadas ativas satildeo colocados em contato com o
eletrodo inorgacircnico existe um balanceamento de cargas entre os materiais de diferentes
funccedilotildees trabalhos ateacute que o equiliacutebrio seja atingido Nesta situaccedilatildeo haacute um nivelamento dos
niacuteveis de energia de Fermi dos materiais e um campo eleacutetrico intriacutenseco eacute criado na
interface do dispositivo
Em um dispositivo sob iluminaccedilatildeo depois da dissociaccedilatildeo dos eacutexcitons as cargas
satildeo transportadas para os eletrodos pelo campo eleacutetrico intriacutenseco que iraacute aumentar a
energia do eletrodo de menor funccedilatildeo trabalho (1) e diminuir a energia de Fermi do
eletrodo de maior funccedilatildeo trabalho (2) quase atingindo a condiccedilatildeo de banda plana
criando uma diferenccedila de potencial definida como tensatildeo de circuito aberto VOC
A figura 27 mostra o diagrama esquemaacutetico de um dispositivo fotovoltaico A
tensatildeo de circuito aberto VOC pode ser obtida da curva caracteriacutestica IndashV de um dispositivo
sob iluminaccedilatildeo quando a corrente eacute zero
12
Figura 2 7 ndash Diagrama esquemaacutetico do dispositivo fotovoltaico 2 poliacutemero1 no escuro
com o alinhamento dos niacuteveis de Fermi a) e sob iluminaccedilatildeo b) potencial de built-in ( Vbi)
intriacutenseco em temperatura ambiente esta proacuteximo ao valor de tensatildeo
Em temperaturas baixas a iluminaccedilatildeo poderaacute trazer a condiccedilatildeo de banda plana e a
tensatildeo de circuito aberto VOC seraacute igual ao potencial de built in (Vbi) Este potencial eacute
definido como a diferenccedila de funccedilatildeo trabalho entre os eletrodos em temperatura ambiente
pois a condiccedilatildeo de banda plana natildeo eacute totalmente atingida e uma pequena correccedilatildeo deve ser
adicionada ao VOC para obter o Vbi [14]
O valor da corrente eleacutetrica maacutexima que atravessa o dispositivo quando iluminado
sem nenhuma tensatildeo aplicada eacute chamado de corrente de curto circuito (ISC)
Para definir a densidade de fotocorrente (JSC) utiliza-se o valor de ISC dividido pela
aacuterea ativa do dispositivo
233 ndash Curva caracteriacutestica IndashV
Atraveacutes da curva IndashV temos a resposta eleacutetrica do dispositivo fotovoltaico A figura
28 mostra a curva caracteriacutestica IndashV no escuro e sob iluminaccedilatildeo de um dispositivo ideal
fotovoltaico No escuro a curva de resposta eacute semelhante agrave de um diodo retificador quando
a corrente soacute aparece para a tensatildeo direta Sob iluminaccedilatildeo a curva de ISC desce para o
terceiro e quarto quadrante Na polarizaccedilatildeo direta o eletrodo de maior funccedilatildeo trabalho eacute
polarizado positivamente e o de menor funccedilatildeo trabalho eacute polarizado negativamente
[1819]
13
Figura 2 8 ndash Curva caracteriacutestica IndashV de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico no escuro e
sob iluminaccedilatildeo Tambeacutem eacute mostrado o ponto de corrente de curto circuito e tensatildeo de
circuito aberto O retacircngulo pintado indica o fator de preenchimento (FF)
234 ndash Fator de preenchimento (FF) e Conversatildeo de Potencia ()
A quantidade maacutexima de energia eleacutetrica extraiacuteda do dispositivo fotovoltaico eacute
determinada pelo fator de preenchimento (FF) ou seja eacute a razatildeo entre a potecircncia maacutexima
fornecida pelo dispositivo fotovoltaico e a potecircncia nominal do mesmo Na figura 8 o fator
de preenchimento eacute representado pela razatildeo entre as aacutereas do retacircngulo cinza (representa a
potecircncia maacutexima que o dispositivo fornece) pela aacuterea do retacircngulo azul (representa a
potecircncia nominal) Assim a equaccedilatildeo 22 mostra a relaccedilatildeo matemaacutetica para a obtenccedilatildeo do
FF
(22)
Onde Vm e Im satildeo as intersecccedilotildees da curva IndashV com a potecircncia maacutexima do
retacircngulo
14
Para aplicaccedilatildeo de um dispositivo fotovoltaico como ceacutelulas solares um dos focos
de interesse eacute a potecircncia eleacutetrica extraiacuteda que eacute determinada pela eficiecircncia de conversatildeo
de potecircncia () Para encontrar este valor divide-se o valor da potecircncia maacutexima gerada
pela ceacutelula (P) pela potecircncia da luz incidente (Pin) A expressatildeo para o caacutelculo de eacute
mostrada na equaccedilatildeo 23
=
(23)
Onde I0 eacute a intensidade de luz incidente sobre a ceacutelula solar Usando a equaccedilatildeo 22
para calculara o FF temos a equaccedilatildeo 24
(24)
24 ndash POLIacuteMEROS UTILIZADOS
Os poliacutemeros sinteacuteticos satildeo produtos quiacutemicos obtidos sinteticamente que
apresentam cadeias longas e dentre eles podemos encontrar materiais importantes para o
uso em engenharia
As propriedades dos poliacutemeros dependem muito do tipo de monocircmero que o
originaram Outros fatores que influenciam suas propriedades satildeo o tipo de reaccedilatildeo
empregada para sua obtenccedilatildeo e a teacutecnica de preparaccedilatildeo Podemos citar trecircs tipos de reaccedilotildees
a partir das quais se podem produzir um poliacutemero a poliadiccedilatildeo policondensaccedilatildeo e a
modificaccedilatildeo quiacutemica de outro poliacutemero [20]
241 ndash Polistireno (PS)
O PS eacute uma resina termoplaacutestica foi descoberto em 1831 Apesar de ter sido
proposto para uso logo apoacutes sua descoberta demorou a ser colocado no comeacutercio Isto
ocorreu porque a polimerizaccedilatildeo do monocircmero natildeo era controlada e ocorria muito
rapidamente dificultando o carregamento e a estocagem dos monocircmeros A representaccedilatildeo
da estrutura quiacutemica do PS pode ser vista na figura 29 [21]
15
Figura 2 9 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PS (C8H8)n
O PS eacute um dos plaacutesticos mais utilizados no Brasil cuja aplicaccedilatildeo pode se estender a
diversos tipos de utensiacutelios para uso domeacutesticos Em uso na fabricaccedilatildeo de objetos tais
como brinquedos escovas embalagens riacutegidas para cosmeacuteticos no isolamento ao frio na
embalagem de equipamentos em pranchas flutuantes em paineacuteis para a induacutestria
automobiliacutestica e produtos para a induacutestria de eletro-eletrocircnico etc
Suas caracteriacutesticas marcantes satildeo rigidez semelhante ao vidro alta resistecircncia
quiacutemica baixa resistecircncia a solventes orgacircnicos baixa resistecircncia a intempeacuteries boa
condiccedilatildeo de isolamento teacutermico e eleacutetrico relevante sensibilidade agrave luz incolor e
transparente [21] Frente ao calor eacute classificado como termoplaacutestico de uso geral Trata-se
de um poliacutemero de baixo custo e de faacutecil aquisiccedilatildeo No Brasil os principais fabricantes satildeo
a BASF do Brasil que produz o PS com o nome comercial de Plystirol e a Monsanto do
Brasil que o fabrica com o nome comercial de Lustrex Possui temperatura de fusatildeo
cristalina (Tm) 235 degC e temperatura de transiccedilatildeo viacutetrea (Tg) de 100 degC [20]
242 ndash Poli metacrilato de metila (PMAM)
Eacute um poliacutemero amorfo linear sua siacutentese eacute por adiccedilatildeo e requer um centro ativo
como iniciador Possui caracteriacutesticas oacutepticas e mecacircnicas resistentes aos aacutecidos orgacircnicos
[21 22] A representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica pode ser vista na figura 210
16
Figura 2 10 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PMMA (C5O2H8)n
Tambeacutem conhecido como plaacutestico acriacutelico esse termoplaacutestico eacute um poliacutemero
sinteacutetico de origem petroquiacutemica assim como o PS cujas principais caracteriacutesticas satildeo
transparecircncia boa resistecircncia quiacutemica resistente a impactos e a intempeacuteries
Eacute um poliacutemero considerado de baixo custo e de faacutecil aquisiccedilatildeo No Brasil
destacam-se como fabricantes a CP Bahia e a Rohm amp Haas que produzem
respectivamente o Acrigel e o Acryloid
O PMAM eacute usado em placas para sinalizaccedilatildeo de traacutefego em estradas nas induacutestrias
automobiliacutesticas de aviaccedilatildeo e na construccedilatildeo civil Eacute vastamente empregado na fabricaccedilatildeo
de fibras oacutepticas e em eletro-eletrocircnicos aleacutem disso o PMAM tem sido utilizado na
ortopedia desde sua siacutentese Pesquisa na aacuterea da eletrocircnica orgacircnica estaacute sendo
desenvolvida [2223] e tambeacutem na aacuterea da medicina como na esteacutetica e em outras
aplicaccedilotildees na aacuterea da sauacutede [2425]
Possui temperatura de fusatildeo cristalina (Tm) 160 degC e temperatura de transiccedilatildeo viacutetrea
(Tg) de 105 degC[20]
243 ndash Poli(34-Etileno Dioxitiofeno)Poli(Estireno-Sulfonato) (PEDOTPSS)
As pesquisas sobre poliacutemeros condutores tecircm atraiacutedo cientistas e grandes empresas
Ao longo desta deacutecada grandes descobertas foram realizadas em relaccedilatildeo aos poliacutemeros
condutores [26]
Cientistas da Bayer AG [27 28] contribuiacuteram para o desenvolvimento do Poli (34-
etileno dioxitiofeno) (PEDOT) que apresenta propriedades e caracteriacutesticas interessantes
mesmo em seu estado dopado A cadeia principal estaacute representada na figura 211
17
Figura 2 11 ndash Representaccedilatildeo da cadeia principal do PEDOT [28]
O PEDOT possui alta condutividade contudo natildeo eacute soluacutevel em aacutegua Para tornaacute-lo
soluacutevel foi adicionado o poli (estireno sulfonado) (PSS) assim as altas taxas de
condutividade foram perdidas no processo de dopagem Apesar disto a combinaccedilatildeo do
PEDOTPSS ilustrado na figura 212 resultou em um poliacutemero com caracteriacutesticas e
condiccedilotildees favoraacuteveis tornando simples a deposiccedilatildeo dos filmes
O PEDOTPSS eacute apresentado em soluccedilatildeo azul escuro e possui condutividade
maacutexima de 10 S cm (depende da espessura e do processo de confecccedilatildeo do filme) Mostra
alta taxa de absorccedilatildeo luminosa entre 900 nm e 2000 nm [28]
Figura 2 12 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica da interaccedilatildeo entre o PEDOT e PSS [28]
O PEDOTPSS eacute um exemplo de poliacutemero condutor comercial que atraiu usuaacuterios e
pesquisadores em vaacuterios paiacuteses Atualmente existem vaacuterios estudos de dispositivos
orgacircnicos para aplicaccedilotildees em ceacutelulas solares que utilizam o PEDOTPSS [30-32] Seu uso
18
em pesquisas se estende a outros dispositivos orgacircnicos como OLEDs sensores
transistores etc [32 33]
244 ndash Poli (3-hexiltiofeno) (P3HT)
O P3HT eacute um poliacutemero sinteacutetico semicondutor tipo p fabricado e comercializado
pela Aldrichreg possui alto peso molecular Sua estrutura com grades reacutegio-regulares
favorece os estudos para aplicaccedilotildees em ceacutelulas fotovoltaicas orgacircnicas (OPV) Possui
propriedades fotoluminescentes na faixa de comprimento de onda 450 nm e 575 nm [34]
Tambeacutem pode ser combinado com outro tipo de poliacutemeros para aplicaccedilotildees em ceacutelulas
solares [35-37] O transporte de cargas majoritaacuterio eacute de lacunas
A Soluccedilatildeo do P3HT pode ser solubilizada em clorofoacutermio (CHCL3) Aleacutem deste
solvente o P3HT pode ser diluiacutedo em tolueno (C7H8) tri-cloro-benzeno cloro-benzeno e
xyleno soluacutevel A estrutura quiacutemica pode ser vista na figura 213
Figura 2 13 ndash Estrutura quiacutemica do P3HT (C10H18S)n
245 ndash Oacuteleo de Buriti (Mauritia Flexuosa L) ndash OB
A palmeira do buriti (Mauritia flexuosa L) aparece em regiotildees de vaacuterzea e brejo e eacute
comumente encontrada na regiatildeo da Amazocircnia A figura 214 ilustra a foto da palmeira do
buritizeiro Tanto as palmeiras como os frutos satildeo muito utilizados pelas pessoas que
moram nas regiotildees ribeirinhas por exemplo para fazer coberturas de casas com as folhas
ou para extrair a polpa dos frutos para o uso na alimentaccedilatildeo
19
Figura 2 14 ndash Foto da palmeira do Buriti (Mauritia Flexuosa) conhecida como Buritizeiro
[21]
A palmeira do buritizeiro costuma ter altura de ateacute cinquumlenta metros A meacutedia de
frutos colhidos em todos os cachos varia de quinhentos a oitocentos frutos O fruto do
buriti apresenta forma arredondada e eliacuteptica mede aproximadamente de quatro a seis
centiacutemetros de diacircmetro com peso variando entre vinte e cinco a quarenta gramas A
figura 215 ilustra o fruto do buritizeiro tambeacutem pode ser observada a cor amarelada da
polpa
Figura 2 15 ndash Ilustraccedilatildeo dos frutos maduros do Buriti (a) aspecto da casca (b) polpa de
cor amarelada [21]
Estudos desenvolvidos por Moreira et al [38- 40] mostram propriedades oacutepticas de
absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica na faixa do ultravioleta e do visiacutevel solar (UV-VIS)
20
Duratildees et al [39] estudando as soluccedilotildees do OB diluiacuteda em clorofoacutermio observaram
grau de absorccedilatildeo de radiaccedilatildeo UV-VIS na faixa de 245 248 e 276 nm Tambeacutem foram
avaliadas a incorporaccedilatildeo do OB em matrizes de PMAM e PS que apresentaram niacuteveis de
absorccedilatildeo em comprimentos de onda maiores do que 276 nm
A figura 216 mostra os espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo ultravioleta (UV) dos
filmes de PS e PS com OB nas proporccedilotildees estudadas Observa-se nesses espectros que o
filme de PS sem o OB apresenta absorccedilatildeo insignificante nessa regiatildeo do espectro
eletromagneacutetico Esse material mostra uma pequena banda de absorccedilatildeo entre 250 nm Nos
espectros do material polimeacuterico misturado com OB percebe-se um aumento da absorccedilatildeo
da radiaccedilatildeo como consequumlecircncia do aumento do teor de OB nas amostras Esta absorccedilatildeo eacute
indicada por uma banda larga e intensa entre 275 nm e 375 nm que se desloca para
comprimentos de onda maiores agrave medida que a concentraccedilatildeo do oacuteleo aumenta nos
materiais compostos [40]
Figura 2 16 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PS puro e PSOB [40]
A figura 217 mostra os espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes de
PMAM puro e PMAM OB nas proporccedilotildees estudadas O estudo de espectroscopia por
absorccedilatildeo na regiatildeo do UV mostrou que o OB proporcionou uma elevaccedilatildeo de ateacute 400 na
absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo pelo PMAM misturado com OB Este aumento ocorreu regularmente
21
com o teor do dopante exceto para o material com maior percentual do oacuteleo onde
provavelmente a sua maior quantidade tenha dificultado a incorporaccedilatildeo no PMAM
Como consequumlecircncia da incorporaccedilatildeo do OB na matriz de PMAM foi observada
uma banda larga de absorccedilatildeo entre 260 nm e 380 nm que sofreu deslocamento para
comprimentos de onda maiores acompanhando o aumento no teor de oacuteleo das amostras
Nota-se portanto que o comportamento das amostras de PMAM OB eacute semelhante ao dos
materiais PS OB com exceccedilatildeo da inversatildeo de absorccedilatildeo dos filmes feitos com percentuais
do OB de 3455 e 4681 nos filmes de PMAM
Figura 2 17 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PMAM puro e PMAM
OB [40]
22
Capiacutetulo III
Procedimentos Experimentais e
Resultados
23
3 ndash PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS
31 ndash MATERIAIS
Escolheu-se trabalhar com substrato de vidro por que eacute transparente fornece
sustentaccedilatildeo mecacircnica natildeo se degrada com o calor permite a entrada de luz no dispositivo
e possui uma camada condutora com resistecircncia relativamente baixa As resistecircncias das
lacircminas foram medidas com multiacutemetro digital comum e apresentaram um valor em torno
de 41-70 Ω A resistecircncia desses substratos muda de acordo com o processo de
deposiccedilatildeo dos filmes de FTO [41 42] Tambeacutem foram usados substratos flexiacuteveis de
plaacutestico (PET) no tamanho de 2 cm x 3 cm
Os poliacutemeros condutores usados foram o PEDOTPSS e o P3HT Usou-se o PEDOT
PSS para fazer um dos eletrodos O P3HT foi usado misturado com o oacuteleo de buriti para
fazer um tipo de camada ativa Trabalhou-se com misturas de poliacutemeros isolantes PS e
PMAM com OB preparadas no Laboratoacuterio de Poliacutemeros do Instituto de Quiacutemica da UnB
Usou-se misturas com concentraccedilotildees de 8 e 47 de OB na matriz de PS e misturas com
35 de OB na matriz de PMAM conforme descrito por JR Duratildees em [40]
Para fazer o eletrodo superior usou-se a tinta condutora de prata marca INK
SILVER (tinta 100 prata) com pureza da prata 99 e tamanho da partiacutecula de prata 05
a 70 m dissolvidas em solvente e um verniz de alta aderecircncia (NOS002) Em algumas
amostras usou-se tambeacutem o grafite de um laacutepis HB
32 ndash EQUIPAMENTOS UTILIZADOS
321 ndash Multiacutemetros
Para fazer as medidas eleacutetricas diretas de ISC empregou-se o uso do multiacutemetro
analoacutegico ET-3021 porque possuiacutea escala de ateacute micro ampeacutere Para as medidas diretas de
resistecircncia seacuterie e de VOC usou-se o multiacutemetro digital modelo ET-2042C
322 ndash Spin coater
Os filmes finos foram preparados utilizando um conjunto de equipamento que
compotildee o spin coater (Laureal modelo WS- 400B-6NPPLITE) do Laboratoacuterio de
Dispositivo e Circuitos Integrados da UnB (LDCI) mostrado na figura 31
24
Figura 3 1 ndash (a)bomba de vaacutecuo (b) compressor de ar comprimido (c) vaacutelvula de
controle e (d) spin coater
O equipamento de spin coater consiste em um conjunto composto de bomba de
vaacutecuo compressor de ar comprimido regulador de pressatildeo e o spin coater que possui
compartimento feito de teflon Acoplado ao spin coater haacute um display de cristal liquido
(LCD) para visualizaccedilatildeo dos programas realizados
Tem-se ateacute 20 programas de processamentos (A ateacute T) contendo ateacute 51 etapas cada
um que podem ser armazenados definitivamente na memoacuteria caso haja possibilidade de
modificar o programa posteriormente Cada etapa do programa inclui tempo total de
duraccedilatildeo da deposiccedilatildeo velocidade de rotaccedilatildeo do substrato em rpm e
aceleraccedilatildeodesaceleraccedilatildeo Satildeo possiacuteveis rotaccedilotildees de ateacute 11000 rpm
Na figura 32 haacute uma foto mostrando a lateral e parte da frente do compartimento
onde o substrato eacute colocado no momento da centrifugaccedilatildeo Ao lado do spin coater pode ser
visualizado o display de LCD programaacutevel acoplado
25
Figura 3 2 ndash Equipamento de spin coater instalado no laboratoacuterio LDCI vista lateral e
frontal
323 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores (Curva IndashV)
As curvas IndashV das amostras foram obtidas com um sistema de caracterizaccedilatildeo de
semicondutores Keithley modelo 2400 mostrado na figura 33 o qual permite aplicar
tensotildees entre 1 μV e 1100 V e medir a corrente entre 10 pA e 105 A
Figura 3 3 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores Keithley 2400 laboratoacuterio
LDCI
26
Todo o processo de medidas eacute controlado atraveacutes de um microcomputador que eacute
conectado aos equipamentos atraveacutes de uma interface paralela (General Purpose Interface
Bus (GPIB) que controla os equipamentos coleta e armazena os dados O programa usado
para este fim eacute o software LABVIEW 61
324 ndash Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM)
A caracterizaccedilatildeo morfoloacutegica dos filmes das camadas ativas foi obtida em um
equipamento de medidas de microscopia de forccedila atocircmica AFM marca VEECO DInnova
(figura 34) com ponteira de nitrato de siliacutecio (forma em V) com constante de mola de
058 Nm Todas as imagens foram obtidas em modo contato (512 x 512 pixel) e taxa de
varredura de 1 Hz
Figura 3 4 ndash Vista frontal do AFM marca VEECO Innova
27
Os filmes caracterizados por AFM consistiram em camadas ativas feitas com
soluccedilotildees de PS puro PSOB 47 PMAM puro PMAMOB 35 P3HTOB puro e
P3HT PS OB 47 depositadas sobre substrato de vidro recoberto com FTO por spin
coating e com rotaccedilatildeo de 7000 rpm por 40 segundos
33 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS I
331 ndash Experimentos Etapa 1
Nesta etapa utilizou-se a metodologia adaptada a partir da descriccedilatildeo da montagem da
ceacutelula solar de Graumltzel [43] Essa ceacutelula eacute tambeacutem conhecida como ceacutelula solar de corante
Nessa ceacutelula a geraccedilatildeo de energia eacute produzida por um efeito eletroquiacutemico [44] Para cada
amostra foram usadas duas lacircminas de vidro tamanho 1 cm x 25 cm recoberto com FTO
Os substratos foram utilizados conforme retirados das embalagens ou seja natildeo passaram
por nenhum tipo de limpeza
3311 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo dos eletrodos
Para um dos eletrodos usou-se o grafite que foi obtido a partir de um laacutepis para
desenho HB No lado do substrato contendo o FTO pintou-se a lacircmina com o laacutepis Para o
outro eletrodo foi usado uma soluccedilatildeo PEDOT PSS As amostras foram confeccionadas
manualmente e as deposiccedilotildees foram feitas com pincel comum A soluccedilatildeo de PEDOT PSS
ficou agitando durante 2 horas antes da deposiccedilatildeo sobre o substrato a fim de obter-se uma
soluccedilatildeo mais homogecircnea Devido o filme de PEDOTPSS ser espesso o processo de
secagem a temperatura ambiente foi demorado Assim apoacutes a pintura se fez necessaacuterio a
secagem das amostras na estufa durante 8 horas a 80 ordmC e para concluir o processo
ficaram em temperatura ambiente por mais 24 horas
3312 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo da camada ativa
Antes de fazer a deposiccedilatildeo do filme da camada ativa de PSOB 8 a mistura foi
agitada durante 30 minutos com intuito de obter-se uma dissoluccedilatildeo completa da soluccedilatildeo
28
Sobre o eletrodo de PEDOTPSS foi depositada por casting uma quantidade da soluccedilatildeo de
PSOB 8
3313 ndash Formaccedilatildeo do dispositivo
Para formar o dispositivo as duas lacircminas de vidro foram juntadas uma com
grafite e a outra com PEDOTPSS e a camada ativa de PSOB 8 As duas foram juntadas
antes que a camada ativa estivesse seca de modo a ajudar na colagem das mesmas Para
garantir a uniatildeo fiacutesica das lacircminas foi usado um clipe conforme mostrado na figura 35 A
aacuterea ativa eacute da ordem de 1 cm2
Figura 3 5 ndash Amostras confeccionadas com duas lacircminas de substrato de vidro
recoberto com FTO baseada no modelo de Graumltzel
3314 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
A fonte de iluminaccedilatildeo utilizada na caracterizaccedilatildeo dos dados experimentais e
resultados I consistiu em uma lacircmpada incandescente comum de 100 W ligada em seacuterie
com um varivolt de 240 volts
Foram feitas quatro amostras (CS1 CS2 CS3 e CS4) da forma como descrito
acima As medidas eleacutetricas foram tomadas usando-se dois multiacutemetros um digital e outro
analoacutegico As amostras foram iluminadas com a lacircmpada incandescente de 100 W e foram
observados valores de ISC e VOC nos multiacutemetros a partir de uma tensatildeo de 240 volts na
lacircmpada Todas as amostras ficaram expostas durante aproximadamente 5 minutos Os
valores de ISC e VOC obtidos satildeo mostrados na tabela 31
29
Tabela 3 1 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W) Tensatildeo da
lacircmpada
CS1 mdash mdash mdash 240
CS2 03 09 027 240
CS3 06 05 030 240
CS4 02 01 020 240
3315 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Pode-se observar o aparecimento de VOC e tambeacutem de ISC em trecircs das amostras
confeccionadas com tensatildeo de alimentaccedilatildeo na fonte de iluminaccedilatildeo de 240 volts Os
valores de VOC e ISC satildeo um pouco diferentes entre as trecircs amostras apesar de elas terem
sido confeccionadas seguindo os mesmos procedimentos Isto pode ter sido devido agrave
dificuldade em se controlar a espessura das camadas ativas Os resultados obtidos para VOC
e ISC satildeo menores do que os reportados na literatura [4344] Contudo os materiais usados
satildeo diferentes dos relatados na literatura Neste dispositivo o OB estaacute se comportando
como um corante e promovendo o processo eletroquiacutemico de transformaccedilatildeo de energia
luminosa em energia eleacutetrica Assim uma mudanccedila na concentraccedilatildeo de oacuteleo poderaacute
modificar os resultados obtidos ateacute aqui
332 ndash Experimentos Etapa 2
3321 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras
Na segunda etapa foram confeccionadas quatro amostras (CS5 CS6 CS7 e CS8)
utilizando a mesma metodologia do experimento da Etapa 1 mudando apenas a
concentraccedilatildeo do OB de 8 para 47 No lugar do clipe para unir as duas lacircminas usou-se
fita adesiva
3322 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
As medidas das amostras foram realizadas usando os mesmos equipamentos jaacute
citados e descritos anteriormente Duas destas amostras natildeo tiveram medidas de ISC nem
30
VOC Para as demais soacute foram observadas medidas de VOC e ISC apoacutes a tensatildeo da lacircmpada
atingir 200 volts Todas as amostras ficaram expostas durante 5 minutos Os valores de ISC
e VOC obtidos satildeo mostrados na tabela 32
Tabela 3 2 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W) Tensatildeo da
lacircmpada
CS5 ndash ndash ndash 240
CS6 18 09 162 240
CS7 ndash ndash 240
CS8 09 03 027 240
3323 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Os valores de VOC e ISC obtidos nesta etapa satildeo maiores que os obtidos na Etapa1
Isto pode estar relacionado ao efeito corante do OB Nesta etapa mudou-se a concentraccedilatildeo
de 8 de OB para 47 de OB esse paracircmetro foi o uacutenico a ser mudado entre as duas
etapas Estas amostras bem como as da Etapa 1 natildeo puderam ter seus valores de VOC e ISC
medidos novamente porque as amostras descolavam os eletrodos danificando os
dispositivos Assim estas estruturas natildeo foram repetidas
333 ndash Experimentos Etapa 3
Nesta etapa mudou-se o tipo de substrato e a configuraccedilatildeo das amostras A
configuraccedilatildeo de construccedilatildeo baseada na estrutura dos dispositivos desenvolvidos por
Graumltzel natildeo foi mais usada O substrato de vidro foi substituiacutedo por um substrato de
plaacutestico de Poli (Tereftalato de Etila) (PET) a fim de desenvolver amostras flexiacuteveis e de
menor custo As camadas ativas tiveram a concentraccedilatildeo do OB de 47 O substrato de
PET foi limpo com clorofoacutermio acetona e aacutegua deionizada Apoacutes o processo de limpeza os
substratos foram secos a temperatura ambiente por 2 horas Para substituir a camada
condutora de FTO e construir um dos eletrodos utilizou-se leit-C e leit-C diluente
adquirido da FLUKA esses dois elementos produzem a pasta de carbono O PEDOTPSS
31
foi utilizado para formar um filme sobre o eletrodo de carbono E por uacuteltimo foi usada a
Ag para fazer o eletrodo superior
3331 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras
Com o substrato recortado no tamanho de 2 cm x 3 cm inicia-se o processo de
limpeza As folhas de PET foram imersas em clorofoacutermio durante 30 minutos em soluccedilatildeo
de acetona por mais 30 minutos e por ultimo foram enxaguadas com aacutegua deionizada O
processo de secagem foi realizado em temperatura ambiente dentro da estufa
A pasta de carbono foi preparada para ser o eletrodo inferior Essa foi espalhada
manualmente com ajuda de uma espaacutetula sobre toda a folha do PET Com o substrato
preparado e tendo a superfiacutecie recoberta com um filme de carbono jaacute seco a soluccedilatildeo de
PEDOT PSS foi pintada sobre o filme de carbono com um pincel de cerdas macias
comum Antes da deposiccedilatildeo a soluccedilatildeo de PEDOT PSS foi agitada durante 2 horas
Apoacutes a pintura do filme de PEDOTPSS as amostras foram colocadas na estufa agrave
temperatura de 50 degC durante 8 horas e permaneceram por mais 24 horas em temperatura
ambiente dentro da estufa A camada ativa foi depositada usando uma pipeta contendo 001
uL de PSOB 47 Para formar o contato inferior uma pequena parte do filme de
PEDOTPSS foi deixado visiacutevel
Apoacutes a deposiccedilatildeo da camada ativa as amostras ficaram em temperatura ambiente
por 24 horas para concluir o processo de secagem O eletrodo superior foi pintado com
tinta de Ag sobre uma pequena aacuterea da camada ativa A secagem do eletrodo superior foi
em temperatura ambiente A aacuterea ativa destas amostras eacute da ordem de 05 cm2 A figura 36
a) mostra o esquema final da amostra e a figura 36 b) uma foto do dispositivo finalizado
Figura 3 6 ndash (a) Esquema da amostra confeccionada no substrato flexiacutevel de plaacutestico
(PET) (b) foto do substrato finalizado
32
3332 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
Nesta etapa foram confeccionadas cinco amostras chamadas de P1 P2 P3 P4 e
P5 As medidas eleacutetricas foram realizadas usando os equipamentos jaacute descritos nas etapas
anteriores Os valores de VOC e ISC foram medidos apoacutes a tensatildeo da lacircmpada atingir 200
volts Todas as amostras ficaram expostas sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada durante cinco
minutos As amostras tiveram as resistecircncias medidas Pois os substratos utilizados aqui
eram isolantes e o filme condutor foi construiacutedo manualmente As resistecircncias das
amostras satildeo mostradas na tabela 33 juntamente com os valores de ISC VOC e potecircncia
calculada
Todas as amostras apresentaram valores de VOC e ISC para tensatildeo de iluminaccedilatildeo da
lacircmpada acima de 220 volts exceto a amostra P4 A amostra P4 mostrou valores
mensuraacuteveis de VOC e ISC a partir de iluminaccedilatildeo da lacircmpada com tensatildeo de 110 volts Os
valores desta variaccedilatildeo satildeo mostrados na tabela 34
Tabela 3 3 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (W) Tensatildeo da
Lacircmpada
Resistecircncia
Ohms
P1 ndash ndash ndash 240 540
P2 09 01 09 240 890
P3 15 07 105 240 550
P4 09 06 054 240 1500
2000 P5 24 09 216 240
Tabela 3 4 ndash Valores medidos de VOC e ISC com iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W para variaccedilatildeo de iluminaccedilatildeo para a amostra P4
Variaccedilatildeo das tensotildees VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W)
110 04 01 04
160 06 02 012
220 07 03 021
240 09 06 054
33
3333 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Na tabela 33 natildeo foi observada nenhuma ligaccedilatildeo direta dos valores de ISC e VOC
com as resistecircncias medidas das amostras Em relaccedilatildeo agraves amostras feitas nas Etapas 1 e 2
pode-se notar valores de ISC e VOC maiores
Foi observado que em todas as amostras confeccionadas no substrato de PET apoacutes
alguns minutos de aquecimento pela fonte de luz (lacircmpada de 100 w) as amostras se
deformavam Agrave medida que os testes eram repetidos as amostras se retorciam e em
algumas amostras os filmes ressecaram e se soltaram dos substratos Apesar destes
comportamentos ao se repetir os testes os valores de VOC e ISC permaneciam inalterados
para as amostras que os filmes natildeo estavam completamente rompidos A figura 37
apresenta a foto de uma amostra apoacutes ser submetida agrave fonte iluminaccedilatildeo de lacircmpada
incandescente de 100 W por 20 minutos Devido aacute sua deformaccedilatildeo e degradaccedilatildeo com o
calor este tipo de substrato foi descartada
Figura 3 7 ndash Amostra feita com substrato de PET apoacutes ser submetidos agrave fonte de lacircmpada
incandescente de 100 W por 20 minutos
334 ndash Experimentos Etapa 4
Devido ao retorcimento e agrave deterioraccedilatildeo das amostras confeccionadas com
substrato de PET nesta etapa voltou-se a utilizar o substrato de vidro recoberto com FTO
A prata foi usada para construir o eletrodo superior das amostras Para a camada ativa
continuou-se com uso do PSOB 47 Seguindo o mesmo esquema utilizado anteriormente
34
para confecccedilatildeo das amostras de PET mudou-se apenas o substrato O esquema do
dispositivo pode ser visto na figura 38
3341 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras
As resistecircncias dos substratos de vidro de 1 cm x 25 cm estatildeo entre 89 a 115 Ω
Os substratos foram limpos com clorofoacutermio acetona e aacutegua deionizada
Apoacutes o processo de limpeza todos os substratos foram secos a temperatura
ambiente por 2 horas
O eletrodo de PEDOTPSS foi pintado sobre o filme de FTO do substrato Em
seguida as amostras foram colocadas na estufa a 80 degC durante 24 horas
Apoacutes a secagem da camada de PEDOTPSS foi realizada a deposiccedilatildeo da camada
ativa com o auxilio de uma pipeta contendo 001 ml de soluccedilatildeo de PSOB 47 O
processo de secagem foi em temperatura ambiente por 24 horas
Por uacuteltimo foi feito o contato superior de tinta de Ag sobre a camada ativa de PS
OB 47 utilizando um pincel fino de cerdas comuns A aacuterea ativa foi estimada e ficou em
torno de 025 cm2 A figura 38 a) mostra o esquema que foi usado para confeccionar as
amostras e a figura 38 b) ilustra a amostra finalizada
Figura 3 8 ndash (a) Esquema da amostra para substrato de vidro recoberto com FTO (b) foto
da amostra finalizada
3342 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
Nesta etapa foram confeccionadas 10 amostras que foram nomeadas de v1 v2 v3
v4 v5 v6 v7 v8 v9 e v10 A tabela 35 mostra os valores daquelas que apresentaram
melhores desempenhos de VOC e ISC As medidas eleacutetricas foram realizadas usando os
equipamentos jaacute descritos nas etapas anteriores As medidas obtidas satildeo inferiores agravequelas
jaacute conseguidas nos itens anteriores Valores de VOC e ISC significativos ocorreram apoacutes a
tensatildeo da lacircmpada atingir 220 volts Todas as amostras ficaram expostas sob a luz da
lacircmpada durante 10 minutos As amostras foram iluminadas atraveacutes do vidroFTO
35
Tabela 3 5 ndash Valores de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo de lacircmpada incandescente de 100 W
durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W) Tensatildeo lacircmpada
v3 06 02 012 240
v5 05 01 050 240
v7 11 09 099 240
3343 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Apesar das amostras terem sido feitas seguindo os mesmos procedimentos os
valores de VOC e ISC obtidos satildeo diferentes Isto pode ter ocorrido devido agraves diferenccedilas nas
espessuras das camadas ativas que natildeo puderam ser controladas e tambeacutem no tamanho das
aacutereas ativas que podem ser levemente diferentes Aqui natildeo se pode falar em comparaccedilatildeo
com as outras amostras feitas anteriormente porque a aacuterea da camada ativa foi bastante
reduzida e as estruturas satildeo diferenciadas Desta forma os valores obtidos mesmo
menores ainda satildeo vaacutelidos
34 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS II
341 ndash Misturas usando P3HT
Nesta etapa foi proposto um estudo sobre diferentes misturas para a construccedilatildeo das
camadas ativas sempre incorporando o uso do OB Tipos de camadas ativas utilizadas
PSOB 47 P3HT+OB puro e PSOB 47 + P3HT
Para os trecircs tipos de dispositivos aqui investigados foi usado substrato de vidro
recoberto com FTO sobre o qual foi depositado por spin coating um filme de
PEDOTPSS que serviu como eletrodo inferior As camadas ativas foram depositadas
sobre o eletrodo de PEDOTPSS usando a teacutecnica de spin coating O eletrodo superior foi
pintado com tinta condutiva de Ag A figura 38 mostra o esquema do dispositivo que foi
utilizado para a confecccedilatildeo destas amostras
Para as medidas diretas de VOC e ISC foram usados dois tipos de iluminaccedilatildeo
artificial com lacircmpada de mercuacuterio Spektrallamp 80 W e iluminaccedilatildeo natural solar
36
342 ndash Experimentos Etapa 1
Nas etapas anteriores os filmes das amostras foram produzidos manualmente por
casting mas os resultados obtidos nas medidas iniciais natildeo foram satisfatoacuterios A fim de
buscar melhores resultados e tendo jaacute disponiacutevel no laboratoacuterio o equipamento de spin
coater para produzir filmes mais finos e homogecircneos a metodologia de confecccedilatildeo dos
filmes foi mudada Os filmes finos foram preparados em rotaccedilotildees variadas a fim de se
obter um filme adequado
3421 ndash Preparaccedilatildeo dos filmes por spin coater
Para preparar o primeiro grupo de amostras usaram-se substratos de vidro
recobertos com FTO Todos os substratos foram lavados em aacutegua deionizada e colocados
em estufa a 80degC para secar Para fazer o filme de PEDOTPSS inicialmente foi usada
rotaccedilatildeo de 500 rpm durante 25 segundos para espalhar a soluccedilatildeo uniformemente em todo
o substrato em seguida usou-se uma rotaccedilatildeo de 3000 rpm durante 40 segundos para
finalizar a confecccedilatildeo do filme
O filme de PEDOTPSS obtido dessa forma ficou bastante fino de modo que a
amostra saia do spin coater quase seca A fim de eliminar-se qualquer vestiacutegio do
solvente que no caso do PEDOT PSS usou-se agrave aacutegua as amostras foram colocadas na
estufa em temperatura de 50 degC por 1 hora Antes de depositar a camada ativa uma parte
do filme de PEDOTPSS foi protegido com fita onde foi construiacutedo o eletrodo inferior
Foram preparados trecircs tipos de soluccedilotildees para formar a camada ativa A primeira foi
uma soluccedilatildeo jaacute preparada de PS OB 47 no LABPOL do instituto de Quiacutemica UnB [41]
A segunda uma mistura de PS OB 47 mais o P3HT na proporccedilatildeo de 11 e a terceira foi
uma soluccedilatildeo de 1 ml de P3HT com 001 ml de OB puro As trecircs soluccedilotildees foram agitadas
durante 2 horas antes de serem depositadas por spin coating Os filmes da camada ativa
foram feitos com rotaccedilatildeo de 4000 rpm durante 40 segundos
Como o clorofoacutermio eacute um solvente que tem evaporaccedilatildeo raacutepida a deposiccedilatildeo da
camada ativa foi feita com o substrato jaacute girando no spin coater A deposiccedilatildeo foi realizada
com ajuda de uma pipeta As secagens das camadas ativas foram em temperatura ambiente
dentro da estufa para proteger as amostras de impurezas tais como poeira e contaminaccedilotildees
em geral
37
Por fim foi pintado no topo das amostras o eletrodo de Ag Foram construiacutedas duas
geometrias para se observar a influecircncia na quantidade de cargas coletadas e tambeacutem a
influecircncia do tamanho da aacuterea ativa As geometrias satildeo mostradas nas figuras 39 (a) e 39
(b)
Figura 3 9 ndash (a) Geometria do eletrodo de Ag confeccionado em forma de ponto e (b)
geometria do eletrodo de Ag feito em forma de trilhas
3422 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W
A fonte de iluminaccedilatildeo utilizada na caracterizaccedilatildeo dos dados experimentais e
resultados II consistiu em uma lacircmpada Hg spektrallamp de 80 W ligada a uma fonte de
alimentaccedilatildeo DROSSEL FUumlR SPEKTRALLAMP POWER SUPPLY FOR SPECTRAL
LAMPS
As medidas eleacutetricas das amostras foram realizadas usando os mesmos
equipamentos jaacute citados nos dados experimentais e resultados I
Cada amostra ficou exposta agrave radiaccedilatildeo direta da lacircmpada de Hg aproximadamente
por 5 minutos Para estas medidas natildeo foram considerados interferecircncia acircngulo de
inclinaccedilatildeo da amostra ou da lacircmpada Os valores de VOC e ISC obtidos para os dois tipos de
contatos para as geometrias desenhadas em forma de ponto e em trilha satildeo mostrados nas
tabelas 36 e 37 respectivamente
38
Tabela 3 6 ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito com um ponto de
prata Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PSOB 47 02 001 2
OB puroP3HT 06 002 12
PSOB 47P3HT 06 002 12
Tabela 3 7ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito de prata em forma de
trilhas com concentraccedilatildeo em um ponto Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PSOB 47 12 006 72
OB puroP3HT 11 005 55
PSOB 47P3HT 11 005 55
3423 ndash Caracterizaccedilatildeo com luz solar direta
As amostras com geometria de contato em forma de trilhas foram escolhidas para
serem caracterizadas pela luz solar direta Pois este grupo de amostra apresentou melhores
desempenhos quando submetidas agrave luz da lacircmpada espectral de Hg em relaccedilatildeo agraves amostras
confeccionadas com eletrodos em forma de ponto As medidas foram realizadas em dia de
sol intenso nos horaacuterios entre onze horas e doze horas Para realizar estas medidas foi
utilizada uma lente convergente [45] Isso foi feito para concentrar os raios solares sobre as
amostras Todas as amostras deste grupo ficaram expostas por aproximadamente 5 minutos
cada Os resultados satildeo mostrados na tabela 38
Tabela 3 8 ndash Resultados obtidos das medidas de VOC e ISC usando luz solar direta durante
5 minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PSOB 47 22 002 44
OB puroP3HT 18 002 36
PSOB 47P3HT 17 001 17
39
3423 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Para as amostras com contato de prata com a geometria desenhada em forma de
trilhas foram observados valores de VOC e ISC maiores do que aqueles com contato de
prata desenhado em forma de ponto Isto indica que realmente a geometria das trilhas
favorece a coleta das cargas geradas Neste caso tambeacutem existe uma aacuterea ativa maior o
que contribuiu para uma maior absorccedilatildeo da luz e consequumlentemente um aumento na
quantidade de cargas
As amostras com a camada ativa de PSOB 47 mostraram VOC e ISC superiores agraves
outras que continham a mistura do P3HT em sua camada ativa
Quando as amostras foram submetidas agrave luz solar direta houve um aumento
significativo de VOC contudo tivemos valores de ISC reduzidos em relaccedilatildeo aos valores
obtidos com a iluminaccedilatildeo da lacircmpada Hg Isto pode ser devido ao calor gerado pelo sol
que promoveu um espalhamento das cargas Pode-se notar que a potecircncia fornecida
tambeacutem diminuiu quando a luz solar foi usada como fonte de luz para caracterizaccedilatildeo das
amostras
343 ndash Experimentos Etapa 2
Para fazer uma investigaccedilatildeo em funccedilatildeo da espessura da camada ativa foram
confeccionadas novas amostras Continuou-se o uso dos trecircs tipos de soluccedilotildees para as
camadas ativas PSOB 47 OB puro+P3HT e PSOB 47 +P3HT Com a teacutecnica de
spin coating quanto maior a velocidade de rotaccedilatildeo menores satildeo as espessuras dos filmes
Para se obter filmes com espessuras adequadas os seguintes paracircmetros devem ser
observados viscosidade da soluccedilatildeo velocidade de rotaccedilatildeo e tempo de rotaccedilatildeo
3431 ndash Preparando novas amostras
Nesta etapa utilizou-se apenas rotaccedilatildeo de 3000 rpm para confeccionar o filme de
PEDOTPSS A deposiccedilatildeo foi feita com o auxiacutelio de uma conta gotas sendo que para cada
filme foram usadas duas pequenas gotas (001ml) Essa quantidade de soluccedilatildeo foi
suficiente para conseguir um espalhamento satisfatoacuterio e obter um filme fino e uniforme
Depois da deposiccedilatildeo os substratos satildeo colocados na estufa a 100 degC durante 15 minutos
para concluir o processo de secagem
40
Os trecircs tipos de camadas ativas foram preparadas seguindo o procedimento citado
na etapa 1 dos dados experimentais e resultados II Para esse grupo de amostra foi usado
um programa para o espalhamento do filme da camada ativa com uma rotaccedilatildeo fixa de 6000
rpm durante 25 segundos
Para depositar a mistura da camada ativa usou-se uma pipeta com 01 ml de
soluccedilatildeo Primeiramente depositou-se a mistura e em seguida colocou-se o spin coater
para girar atraveacutes do programa de rotaccedilatildeo previamente programado Esse procedimento
garante a uniformidade do filme As amostras foram levadas para a estufa a 100 degC por 20
minutos
O eletrodo superior foi pintado agrave matildeo O esquema usado para a confecccedilatildeo dos
dispositivos e a foto de uma amostra satildeo mostrados na figura 310 As amostras foram
confeccionadas seguindo o esquema mostrado na figura 310 (b) Todas as amostras deste
grupo tiveram um desenho semelhante ao da foto da figura 310 (a) Pois existem
variaccedilotildees nas espessuras dos contatos de Ag pois foram feitos a matildeo livre e sem muito
controle Isso pode ser um problema pois este eleacutetrodo pode aumentar a resistecircncia da
amostra fazendo diminuir as correntes coletadas das cargas geradas pelo dispositivo
Figura 3 10 ndash (a) Foto da amostra (b) Estruturas das camadas dos dispositivos das
novas amostras
41
3431 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W
Usou-se para este grupo de amostras os mesmos procedimentos de caracterizaccedilotildees
para as medidas de o VOC e ISC descrito na etapa 1 dos dados experimentais e resultados II
Para cada medida as amostras ficaram expostas sob o feixe de luz da lacircmpada de Hg que
foi focalizada diretamente na aacuterea ativa por aproximadamente cinco minutos
A aacuterea ativa foi estimada em torno de 05 cmsup2 Foram confeccionadas nove
amostras e os valores de VOC e ISC das amostras que apresentaram melhores desempenhos
satildeo apresentadas na tabela 39
Tabela 3 9 ndash Medidas de VOC e ISC para amostras iluminadas pela lacircmpada Hg 80 W
aproximadamente cinco minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) P (nW)
PS OB 47 21 009 189
OBP3HT 18 002 36
PSOB 47P3HT 17 001 17
3433 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar direta
O mesmo grupo de amostras foi exposto sob luz solar direta em horaacuterio de sol
intenso entre onze horas e doze horas Todas as amostras tiveram um tempo de exposiccedilatildeo
de aproximadamente cinco minutos Os valores de VOC e ISC medidos podem ser vistos na
tabela 310 Nestes experimentos a lente convergente tambeacutem foi utilizada Poreacutem natildeo
foram observados acircngulos de incidecircncia e nem mudanccedila da irradiaccedilatildeo solar As medidas de
VOC e ISC foram realizadas em dia de sol forte e sempre no mesmo horaacuterio A figura 311
mostra como as medidas foram realizadas Para concentrar os raios solares usou-se uma
lente de aumento As medidas foram aferidas com uso de multiacutemetro digital descrito
anteriormente com cabos e garras de jacareacute comuns
42
Figura 3 11 ndash Ilustraccedilatildeo do experimento realizado com uma amostra tendo o contato
desenhado com a geometria em forma de trilhas camada ativa de PS OB 47
Para manter um padratildeo para todas as medidas a distacircncia entre a lente e a amostra
foram padronizadas a fim de que a intensidade de luz solar concentrada sobre cada
dispositivo fosse aproximadamente agrave mesma
Tabela 3 10 ndash Valores de VOC e ISC para amostras iluminada sob luz solar direta expostas
durante cinco minutos cada
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PS OB 47 62 009 558
OBP3HT 33 003 99
PSOB 47P3HT 25 002 50
3434 ndash Curva caracteriacutestica de corrente versus tensatildeo aplicada (IndashV)
A partir desta etapa as caracterizaccedilotildees eleacutetricas dos dispositivos tambeacutem foram
realizadas atraveacutes das medidas das curvas IndashV As medidas foram realizadas no escuro e
sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio Para estes experimentos foram usados os trecircs tipos de
camadas ativas jaacute mencionadas para confeccionar os dispositivos
Os experimentos das medidas foram realizados em sala com temperatura e pressatildeo
atmosferica ambiente e iluminaccedilatildeo de lacircmpadas comuns Tambeacutem foram realizados testes
43
usando a lacircmpada de Hg iluminando diretamente a parte superior da amostra Contudo
natildeo foram observadas mudanccedilas significativas nas medidas para este grupo de amostras
Figura 3 12 ndash Ilustraccedilatildeo da polarizaccedilatildeo direta para amostras com P3HT e gota de
PEDOTPSS para medidas das curvas (IndashV)
Para evitar que a agulha perfurasse o filme fino de PEDOTPSS e atingisse o filme
de FTO uma gota mais espessa de PEDOTPSS foi colocada sobre o filme no ponto onde
a agulha fazia o contato conforme mostra a figura 312
As amostras foram submetidas a uma tensatildeo que variou de um valor maacuteximo a um
valor miacutenimo com passo conhecido e constante de 002 Com os dados coletados nesse
experimento os graacuteficos de corrente versus tensatildeo aplicada foram gerados Este graacutefico eacute
conhecido como curva caracteriacutestica do dispositivo Os resultados obtidos satildeo mostrados
nas figuras 313 314 e 315 foram obtidas sob iluminaccedilatildeo comum do laboratorio LDCI
A figura 313 mostra a curva caracteriacutestica do dispositivo com a camada ativa de
PSOB 47 A iluminaccedilatildeo foi realizada com a lacircmpada do equipamento Keither 2400 e
iluminaccedilatildeo ambiente do laboratoacuterio LDCI (ambas satildeo luz branca) Para polarizaccedilatildeo direta
de -2 a 2 V foram observados valores de VOC de 09 volts enquanto que a corrente de 003
A foi negativa
A figura 314 mostra a curva IndashV para amostra com camada ativa usando
P3HT+OB puro Para essa amostra os valores de VOC = 002 V e ISC 0013 A foram
obtidos
A figura 315 mostra a curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PSOB
47 +P3HT Os valores de VOC = 11 V e ISC 00124 A foram observados neste graacutefico
44
Figura 3 13 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47 Corrente e
tensatildeo observadas 003 uA e 09 Volts respectivamente
Figura 3 14 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de OB puro + P3HT Corrente
e tensatildeo observadas 0013 uA e 002 Volts respectivamente
45
Figura 3 15 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47+P3HT
Corrente e tensatildeo observadas 0012 uA e 11 volts respectivamente
3435 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Aqui jaacute eacute possiacutevel notar um progresso nas medidas em relaccedilatildeo agraves amostras das
etapas anteriores que possuiacuteam camada ativa mais espessa Os valores de VOC e ISC obtidos
com o multiacutemetro digital foram maiores para os dois tipos de iluminaccedilotildees lacircmpada Hg e
luz solar Estes resultados podem ser observados nas tabelas 39 e 310 Os resultados
mostram que o comportamento das amostras com camada ativa de PSOB 47
apresentaram melhores resultados Nota-se que a potecircncia fornecida pelas amostras
iluminadas pela luz solar natural eacute significantemente maior que quando iluminadas pela
lacircmpada de Hg
Nas amostras confeccionadas com blenda de OB puro+P3HT e PSOB 47
+P3HT foram observados resultados semelhantes tanto para VOC quanto para ISC
As trecircs amostras apresentaram comportamento distinto sendo que a amostra com
camada ativa feita com o PSOB 47 o resultado eacute mais parecido com o efeito
fotovoltaico e por isso eacute mais relevante
46
Para as proacutexinas amostras natildeo seraacute mais empregado o uso do P3HT Pois como foi
mostrado nos resultados seu uso natildeo favoreceu melhoras nas medidas Apesar dos
resultados apresentados e conseguidos ateacute aqui serem pequenos ainda assim podem ser
considerados satisfatoacuterios e promissores Pois se trabalhou com materiais novos e estaacute
empregando poliacutemeros isolantes de baixo custo usando oacuteleo vegetal como dopante
Reforccedilando a motivaccedilatildeo para o uso destes materiais no desenvolvimento em dispositivos
fotovoltaicos orgacircnicos
35 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS III
351 ndash Experimentos Etapa 1
Nesta etapa as pesquisas foram centralizadas em misturas de poliacutemeros isolantes
dopados com OB Aleacutem da mistura do PS com OB estudado anteriormente tambeacutem foi
incorporado agrave pesquisa a mistura do PMAM com OB Estudos recentes de Duratildees et al [8]
sobre a absorccedilatildeo de luz destes materiais na faixa de ultravioleta e luz visiacutevel mostraram
que quando o OB eacute adicionado agraves matrizes de PS e de PMAM um aumento significante
na absorccedilatildeo da luz eacute observado
As amostras dos dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos consistiram em camada ativa
contendo PS puro PS com 47 OB PMAM puro e PMAM com 35 de OB
As amostras foram ensanduichadas entre dois eletrodos PEDOT PSS e Ag A
caracterizaccedilatildeo eleacutetrica para as medidas de VOC e ISC foi realizada com a iluminaccedilatildeo da
lacircmpada de Hg 80 W e luz solar As curvas IndashV foram mensuradas usando um sistema de
caracterizaccedilatildeo de semicondutores Keithey 2400
3511 ndash Confecccedilatildeo das amostras usando PS e PMAM 1ordm grupo
Os dispositivos foram preparados sobre um substrato de vidro recoberto com
camada de FTO a resistecircncia da lacircmina eacute de aproximadamente 41-60 Ω
Os filmes de PEDOT PSS foram confeccionados com rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante
25 segundos e secos em estufa a 80 degC por 15 minutos Apoacutes os filmes das camadas ativas
das amostras serem feitos usando rotaccedilatildeo de 5000 rpm por 40 segundos foram secos em
estufa a 100 Cdeg por 15 minutos
47
Por fim foi usada a tinta de Ag para fazer o eletrodo superior Esse eletrodo foi
pintado com pincel comum de cerdas finas O contato superior foi pintado em forma de
linhas sobre o filme da camada ativa conforme mostrado na Figura 310
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo usando lacircmpada de Hg 80 W
As mesmas formas descritas anteriormente de caracterizaccedilatildeo foram utilizadas aqui
para fazer as medidas de VOC e ISC Os resultados obtidos com iluminaccedilatildeo da lacircmpada de
Hg durante cinco minutos de exposiccedilatildeo para o 1ordm grupo de amostra satildeo mostrados na
tabela 311
Tabela 3 11 ndash Resultados das medidas de ISC e VOC das amostras do 1ordm grupo sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpada durante 05 minutos de exposiccedilatildeo
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W)
PS puro 02 000 00
PSOB 47 08 003 0024
PMAM puro 02 000 00
PMAMOB 35 06 002 0012
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar
Foram usados os mesmos procedimentos e instrumentos descritos anteriormente
para obter as medidas de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo de luz solar direta usando-se lentes
convergentes durante cinco minutos de exposiccedilatildeo A tabela 312 mostra os valores
obtidos
Tabela 3 12 ndash Resultados para ISC e VOC sob iluminaccedilatildeo luz solar por aproximadamente
05 minutos de exposiccedilatildeo
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W)
PS puro 11 001 0011
PSOB 47 39 006 0234
PMAM puro 09 002 0018
PMAMOB 35 27 004 0108
48
3512 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Como pode ser visto nas tabelas 311 e 312 os valores de VOC e ISC para as
amostras contendo PS puro e PMAM puro mostraram desempenhos inferiores que aquelas
com adiccedilatildeo do OB Nas caracterizaccedilotildees sob luz solar os desempenhos das amostras foram
superiores quando comparados com os valores obtidos sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada de Ag
Apesar da amostra com camada ativa da mistura de PMAMOB 35 ter mostrado valores
mais baixos quando comparados agrave amostras contendo camada ativa com a mistura de
PSOB 47 ela ainda tem valores superiores agravequeles mostrados quando a camada ativa
era composta por misturas de PSOB 47 +P3HT
352 ndash Experimentos Fase 2
3521 ndash Confecccedilatildeo das amostras do 2ordm grupo
Para o 2ordm grupo de amostras foram confeccionadas quinze unidades sendo que
foram reproduzidas mais de uma amostra para cada tipo de camada ativa Isto foi feito para
observar a reprodutibilidade das amostras e a repetibilidade das medidas As amostras
foram nomeadas de A5 a A19 Todas as amostras seguiram os mesmos criteacuterios de
confecccedilatildeo jaacute mencionados anteriormente Para este grupo foi usada uma rotaccedilatildeo maior no
spin coater
Para fazer o filme de PEDOTPSS foi usada uma rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante
trinta segundos Para a deposiccedilatildeo da camada ativa foi usada uma rotaccedilatildeo de 6000 rpm
durante sessenta segundos Neste caso as amostras foram secas em temperatura ambiente
Este conjunto de amostras deve possuir filmes mais finos que os filmes das amostras
anteriores devido ao aumento da rotaccedilatildeo do spin coater durante a deposiccedilatildeo
Para medir a aacuterea ativa com mais precisatildeo para este grupo de amostras os contatos
superiores de Ag foram desenhados em apenas um ponto A confecccedilatildeo dos dispositivos
seguiu a configuraccedilatildeo das camadas e a geometria do eletrodo de Ag conforme o esquema
mostrado na figura 316 O contato de prata foi pintado em forma de retacircngulo que
representa a aacuterea ativa e ficou em torno de 010cm2
49
Figura 3 16 ndash Estruturas das camadas e do contato de Ag dos dispositivos fotovoltaicos
orgacircnicos usado para o 2 ordm grupo de amostras
3522 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar
Este grupo de amostras foi submetido somente agrave caracterizaccedilatildeo de luz solar direta
As medidas foram realizadas em dias diferentes a fim de observar a repetibilidade das
medidas dos dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos confeccionados
Os dados da tabela 313 mostram medidas de VOC e ISC realizadas entre dez e onze
horas da manhatilde sob sol intenso e usando lentes convergentes Para estas amostras o
tempo de exposiccedilatildeo foi de aproximadamente dez minutos Com tempo de exposiccedilatildeo
maior e usando lentes convergentes as amostras A5 A6 A7 e A8 se aqueceram muito e
se danificaram Contudo valores de VOC obtidos foram bem superiores
Foram realizadas medidas em dois dias usando as amostras A9 A10 A11 A13
A14 A15 A16 A17 A18 e A19 para observar a repetibilidades das medidas As tabelas
14 e 15 mostram medidas de VOC e ISC realizadas nos dias 12052009 e 18052009
respectivamente entre dez e onze horas da manhatilde sob sol forte e usando lentes
convergentes para concentrar os raios solares na camada ativa da amostra
Tabela 3 13 ndash Medidas realizadas para as amostras A5 A6 A7 sob iluminaccedilatildeo solar
direta durante 10 minutos
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W) Amostra
PS puro 18 004 0072 A5
PS OB 47 49 008 0392 A6
PMAM puro 11 001 0011 A7
PMAMOB 35 48 005 024 A8
50
Tabela 3 14 ndash Medidas realizadas no dia 12052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W) Amostra
PS OB 47 11 003 0033 A9
PS puro 08 0 0 A10
PS puro 1 001 001 A11
PS OB 47 19 003 0057 A13
PS OB 47 11 003 0033 A14
PS OB 47 12 002 0024 A15
PMAM puro 09 001 0009 A16
PMAM puro 07 001 0007 A17
PMAMOB 35 11 001 0011 A18
PMAMOB 35 14 005 007 A19
Tabela 3 15 ndash Medidas realizadas no dia 18052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W) Amostra
PS OB 47 12 004 0048 A9
PS puro 06 01 006 A10
PS puro 08 001 008 A11
PS OB 47 21 004 0084 A13
PS OB 47 15 003 0045 A14
PS OB 47 10 002 002 A15
PMAM puro 07 001 00007 A16
PMAM puro 08 001 00008 A17
PMAMOB 35 12 003 0036 A18
PMAMOB 35 13 005 0065 A19
3523 ndash Curva caracteriacutestica corrente versus tensatildeo (IndashV)
Foram realizadas medidas das curvas IndashV usando o sistema de caracterizaccedilatildeo de
semicondutores Os procedimentos adotados foram descritos anteriormente Para estas
amostras foram usadas quatro tipos de camada ativa PS puro PSOB 47 PMAM puro e
51
PMAMOB 35 As medidas das curvas IndashV foram realizadas no escuro e sob iluminaccedilatildeo
natural do laboratoacuterio LDCI
Natildeo foram observadas grandes influecircncias sobre o efeito da iluminaccedilatildeo nas
amostras pois as curvas IndashV obtidas no escuro e no claro apresentaram valores parecidos
para VOC e ISC
Para a camada ativa confeccionada com o poliacutemero PS puro (figura 317) a curva
IndashV realizada no escuro e no ambiente iluminado mostra uma superposiccedilatildeo das curvas
O dispositivo com camada ativa feita de PSOB 47 mostrada na (figura 318)
natildeo se observa diferenccedila significativa nas curvas obtidas no escuro e com iluminaccedilatildeo do
laboratoacuterio O mesmo pode ser observado na (figura 319) onde a camada ativa eacute feita de
PMAM puro Contudo observou-se uma leve diferenccedila nas curvas mostradas na (figura
320) para a amostra confeccionada com camada ativa da mistura de PMAMOB 35
Onde houve um pequeno deslocamento para a corrente
Figura 3 17 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PS puro No escuro e sob
iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
52
Figura 3 18 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PSOB 47 No escuro e
sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
Figura 3 19 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAM puro No escuro
e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
53
Figura 3 20 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAMOB 35 No
escuro e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
3524 ndash Medida de espessura
As espessuras dos filmes foram medidas usando um Perfilocircmetro Dektak 150
VEECO Os filmes de PEDOTPSS depositados pela teacutecnica de spin coating usando
rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante quarenta segundos apresentaram espessuras na ordem de 180
nanocircmetros
Os procedimentos para medir as espessuras consistiram em medir vales e
superfiacutecie Para realizar as medidas dos filmes um risco foi feito usando a ponta de um
estilete conforme mostra a figura 321 O risco foi percorrido com a ponta do perfilocircmetro
com distacircncia de 500 m no sentido transversal Para obter a espessura do filme mede-se
entatildeo a diferenccedila de altura entre um ponto de referecircncia R fundo do vale e M superfiacutecie do
filme conforme mostrado na figura 322 Os procedimentos foram realizados em trecircs
diferentes regiotildees da amostra onde foi obtido um valor meacutedio da espessura do filme
54
Figura 3 21 ndash Risco feito no filme da amostra onde a ponta do perfilocircmetro executou a
varredura
Figura 3 22 ndash Medindo a diferenccedila da altura entre os cursores (R - reference) e (M -
measurement) para determinar a espessura do filme
Todos os quatro tipos de filmes usados para formar as camadas ativas dos
dispositivos que foram depositados por spin coating tiveram suas espessuras medidas Para
cada amostra foram feitos trecircs riscos em pontos alternados a fim de se verificar a
uniformidade na espessura Os riscos seguiram o exemplo ilustrado na figura 321 Os
resultados das trecircs medidas e o seu valor meacutedio para cada filme satildeo mostrados nas tabelas
316 e 317
A tabela 316 mostra os resultados das medidas de espessuras de filmes depositados
com rotaccedilatildeo de 5000 rpm durante 60 segundos A tabela 317 mostra os valores das
afericcedilotildees das espessuras para os filmes depositados com rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante 60
segundos Pode-se observar que os filmes feitos com rotaccedilotildees maiores apresentaram
valores de espessuras menores Tambeacutem eacute observado que a adiccedilatildeo do OB nas matrizes
polimeacutericas isolantes tende a camadas mais espessas mesmo para um mesmo valor de
rotaccedilatildeo quando comparada com os filmes sem o OB
55
Tabela 3 16 ndash Medida dos pontos e a media medida dos filmes das camadas ativas feitos
com rotaccedilatildeo de 5000 rpm Valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M
Camada ativa 1deg Ponto (nm) 2deg Ponto (nm) 3deg Ponto (nm) Meacutedia (nm)
PS puro 194 202 189 195
PS OB 47 283 305 296 2946
PMAM puro 127 90 105 1073
PMAM OB 35 235 269 259 2543
Tabela 3 17 ndash Medida dos pontos e a media dos filmes das camadas ativas feitos com
rotaccedilatildeo de 6000 rpm O valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M
Camada ativa 1deg ponto (nm) 2deg ponto (nm) 3deg ponto (nm) Meacutedia (nm)
PS puro 126 130 128 128
PS OB 47 221 218 208 2156
PMMA puro 76 113 97 953
PMMA OB 35 196 163 180 1796
3524 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Pode-se observar nestas medidas que as amostras contendo misturas de PSOB
47 em sua camada ativa mostraram resultados melhores que as outras amostras
analisadas Tambeacutem foi comprovado que as amostras podem ser reproduzidas sendo que
suas medidas foram repedidas As amostras que foram feitas em duplicatas ou triplicadas
possuem valores de VOC e ISC muito parecidos confirmando assim a reprodutibilidade na
sua fabricaccedilatildeo Atraveacutes das tabelas 314 e 315 pode ser observado que os valores obtidos
satildeo repetidos em dias diferentes mesmo assim natildeo ocorreram diminuiccedilotildees nos valores
medidos de VOC e ISC
Para as curvas IndashV coletadas no laboratoacuterio no escuro e sob iluminaccedilatildeo ambiente
para os dispositivos com camadas ativas com misturas das matrizes polimeacutericas de PSOB
47 e PMAM OB 35 (figuras 318 319 319 e 320) natildeo foram detectadas variaccedilotildees
relevantes entre os diferentes tipos de camadas ativas sob diferentes condiccedilotildees de
iluminaccedilatildeo O intrigante nestas medidas eacute que o mesmo efeito que aparece no claro
aparece tambeacutem no escuro As curvas tendem a um comportamento com resistecircncia de
56
diferencial negativa proacuteximo a tensotildees mais baixas Talvez isso aconteccedila devido agrave
caracteriacutestica intriacutenseca dos materiais utilizados nas confecccedilotildees das amostras
353 ndash Experimentos Etapa 3
3531 ndash Confecccedilatildeo das amostras com parte do FTO removido
Nesta etapa os dispositivos tambeacutem foram preparados sobre substrato de vidro o
mesmo tipo usado anteriormente Poreacutem aqui antes de fazer a deposiccedilatildeo dos filmes parte
do FTO foi removida do substrato de vidro A corrosatildeo do FTO foi feita utilizando uma
tinta homogecircnea preparada com poacute de zinco (Zn)
Para conservar parte do FTO no substrato foi utilizada fita adesiva sendo tambeacutem
possiacutevel utilizar tinta ou esmalte [46] Com parte do FTO protegido o substrato foi
mergulhado em soluccedilatildeo diluiacuteda de aacutecido cloriacutedrico (HCI)
Apoacutes a etapa de corrosatildeo as lacircminas passaram por um processo de limpeza Os
substratos foram limpos para retirar gorduras e resiacuteduos quiacutemicos
A corrosatildeo se fez necessaacuteria para evitar curto circuito entre os eletrodos de contato
do dispositivo Mudou-se a geometria dos substratos porque em algumas medidas de
curvas IndashV que foram obtidas em algumas amostras obteve-se curvas do tipo ocirchmico Isto
pode ter ocorrido porque o eletrodo de FTO estava ocupando toda a superfiacutecie do
substrato de vidro e pode ter ocorrido que na hora das medidas a agulha do equipamento
de medidas pode ter perfurado os filmes das camadas do dispositivo medindo apenas o
filme de FTO que apresenta curva puramente ocirchmica Assim com parte do FTO retirado
garante que a corrente flua apenas pelas camadas dos filmes do dispositivo A geometria
da lacircmina de vidro apoacutes a corrosatildeo pode ser visualizada na figura 323
Figura 3 23 ndash Geometria da lacircmina de vidro apoacutes corrosatildeo do FTO
57
Com o substrato limpo e seco e com a nova geometria desenvolvida segue para a
etapa da deposiccedilatildeo do poliacutemero condutor PEDOTPSS que serviu de um dos eletrodos A
deposiccedilatildeo foi realizada sobre toda a lacircmina de vidro conforme mostra o esquema da figura
324 O filme foi feito usando a teacutecnica de spin coating com rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante
cinquumlenta e cinco segundos o filme foi seco em estufa a 50 degC por 15 minutos
Os materiais utilizados como camada ativa foram PS puro PSOB 47 PMAM
puro e PMAMOB 35 Os diferentes tipos de camadas ativas foram depositados sobre a
estrutura vidroFTOPEDOTPSS usando a teacutecnica de spin coating com rotaccedilatildeo de 7000
rpm durante quarenta segundos Os filmes das camadas ativas foram secos em temperatura
ambiente
O outro eletrodo foi pintado sobre a camada ativa com tinta condutora de Ag A
estrutura vidroFTOPEDOT PSScamada ativaAg do dispositivo final pode ser vista na
figura 324 A regiatildeo ativa tem aacuterea de aproximadamente 009 cm2
Figura 3 24 ndash Geometria das camadas do dispositivo
3532 ndash Caracterizaccedilatildeo das curvas (IndashV )
As amostras foram caracterizadas atraveacutes das curvas IndashV Na figura 325 satildeo
mostradas comparaccedilotildees entre resultados obtidos para camadas ativas com o PS puro e
PSOB 47 Na figura 326 satildeo mostradas comparaccedilotildees entre resultados obtidos para
camadas ativas com o PMAMOB 35 Foi observado que para as camadas ativas sem o
OB o comportamento da curva Indash V eacute puramente ocirchmico ou seja linear Pode-se ressaltar
58
um comportamento resistivo para o filme utilizado nessa camada ativa enquanto que para
o filme da camada ativa com OB as curvas natildeo satildeo lineares
Outro detalhe a ser notado foi que para os filmes de PS puro e PSOB 47 as
correntes obtidas satildeo maiores que para os filmes confeccionados com PMAM puro e
PMAMOB 35 isto concorda com os resultados obtidos atraveacutes da iluminaccedilatildeo onde os
valores de VOC e ISC tambeacutem se apresentaram maiores
O dispositivo feito com o PS puro apresenta uma resistecircncia maior que o
dispositivo feito com PMAM puro isto talvez aconteccedila devido agraves diferenccedilas nas
espessuras das camadas ou nas propriedades intriacutensecas do material
Como pode ainda ser observadas nas figuras 325 e 326 quando se usou camada
ativa contendo o OB em sua mistura mudanccedilas ocorreram nos comportamentos das curvas
IndashV O comportamento da curva natildeo eacute mais linear e apresenta simetria para as duas
polarizaccedilotildees aplicadas (-V+V) Nos casos das curvas observadas para as camadas ativas
contento OB observou-se curvas semelhantes agrave curva de um diodo do tipo metal isolante
metal (MIM) [47]
Figura 3 25 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PS puro
e PS OB 47
59
Figura 3 26 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PMAM
puro e PMAMOB 35
Para quase todas as amostras que confeccionamos nas condiccedilotildees descritas acima
teve-se respostas nas medidas eleacutetricas para as caracterizaccedilotildees das curvas IndashV realizadas
no laboratoacuterio LDCI Foi observado que os dispositivos contendo OB apresentaram um
efeito fotovoltaico em temperatura ambiente As medidas foram realizadas no escuro e
com iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio Nas figuras 327 e 328 satildeo mostradas as curvas IndashV para
os dispositivos confeccionados com camadas ativas de PSOB 47 e PMAMOB 35
respectivamente
Em quase todas as amostras que foram realizadas as medidas das curvas IndashV o
efeito fotovoltaico foi observado Pode-se observar nesses resultados um aumento da
fotocorrente quando as amostras foram iluminadas
60
Figura 3 27 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PSOB
47 no claro e escuro
Figura 3 28 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de
PMAMOB 35 no claro e escuro
61
3533 - Anaacutelise e discussatildeo
Paras esses dispositivos natildeo foram apresentados os caacutelculos da eficiecircncia ( nem o
valor de IPCE porque para determinar tais paracircmetros dos dispositivos fotovoltaicos seraacute
necessaacuterio conhecer a I0 e mencionados no capiacutetulo II Poreacutem para as medidas
realizadas nesta pesquisa natildeo foram considerados o coeficiente de massa de ar o acircngulo
de inclinaccedilatildeo da luz incidente na amostra nem o comprimento de onda Paracircmetros que soacute
seratildeo determinados usando-se um sistema utilizado para caracterizaccedilatildeo de dispositivo
fotovoltaico No momento natildeo havendo disponibilidade de tal equipamento no laboratoacuterio
Observou-se que a inserccedilatildeo de OB em matrizes polimeacutericas isolantes tais como a
de PMAM e PS promoveram a absorccedilatildeo de foacutetons e portanto a formaccedilatildeo de eacutexciton Os
VOC foram de 008 V para o PMAMOB 35 e 03 V para PSOB 47 No caso do valor
de VOC obtidos para o PSOB 47 o nuacutemero eacute aproximadamente o mesmo valor da
diferenccedila da funccedilatildeo trabalho entre o PEDOTPSS (49 eV ) e a Ag (46 eV) No entanto
para o PMAMOB 35 este nuacutemero eacute inferior agrave diferenccedila da funccedilatildeo trabalho entre
PEDOTPSS e a Ag Aqui vale a pena ressaltar que as funccedilotildees trabalho do PEDOTPSS
podem variar entre 48 e 49 eV e a funccedilatildeo trabalho da prata podem variar de 452 eV e
474 eV dependendo da interface entre os materiais da camada ativa Assim pegou-se o
valor de 474 eV para a funccedilatildeo trabalho da prata e de 48 eV para o PEDOTPSS obteve-se
um valor de 006 eV o qual estaacute bastante proacuteximo do valor de 008 eV que eacute a tensatildeo de
circuito aberto obtida para a amostra de PMAMOB 35 Os valores de VOC satildeo limitados
pelo potencial de contato ou pelas diferenccedilas entre a funccedilatildeo trabalho dos eletrodos Sendo
assim neste sistema natildeo eacute possiacutevel conseguir tensotildees de VOC maiores Entretanto se for
utilizado materiais onde as funccedilatildeo trabalho dos eletrodos sejam muito diferentes poderaacute
obter VOC ainda maiores Os resultados obtidos nesse trabalho satildeo menores que os
relatados em trabalhos publicados [48-52] Contudo trabalhou-se com novos materiais
abundantes e baratos Aleacutem de se ter usado oacuteleo vegetal que eacute um material natural e que se
acredita no seu potencial para em breve obter melhores resultados
354 Caracterizaccedilatildeo dos Materiais por Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM)
Um dos paracircmetros importantes nos filmes polimeacutericos eacute a topologia pois a partir
dela se se pode inferir a uniformidade das camadas A questatildeo da uniformidade da
superfiacutecie dos materiais em Eletrocircnica Orgacircnica eacute importante porque permite conhecer o
62
desempenho eletrocircnico dos filmes Fatores como injeccedilatildeo e o transporte de cargas podem
ser facilitados ou bloqueados dependendo da espessura da camada polimeacuterica e da sua
regularidade fiacutesica ou quiacutemica [53] Neste sentido eacute importante investigar a topografia dos
materiais para que se possam entender fenocircmenos de transporte eletrocircnico que podem
ocorrer ou natildeo sob influecircncia da morfologia
As imagens por microscopia de forccedila atocircmica (AFM) revelaram diferenccedilas entre
filmes com as matrizes polimeacutericas puras e filmes com as matrizes modificadas com OB
O PS puro mostrou uma superfiacutecie suave com alguns relevos dispersos na aacuterea de
varredura (Figura 329) A presenccedila de oacuteleo de buriti nesta matriz polimeacuterica modificou
significativamente a superfiacutecie do material Houve formaccedilatildeo de pequenos e numerosos
gloacutebulos que ocorrem em um periacuteodo de espaccedilo muito pequeno resultando em uma
superfiacutecie aparentemente rugosa (Figura 330) Para o material PSOB 47 eacute possiacutevel
observar uma maior ocorrecircncia de picos regiotildees mais claras confirmando a possibilidade
da rugosidade do material
Figura 3 29 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS puro obtida por AFM no modo
contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
63
Figura 3 30 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS OB 47 por AFM modo contato
Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
A superfiacutecie do PMAM ao contraacuterio da superfiacutecie do PS apresentou possiacutevel
protuberacircncia ou gloacutebulos esfeacutericos em toda aacuterea de varredura (Figura 331) Haacute aacutereas onde
existe uma grande incidecircncia de vales identificados na figura por regiotildees mais escuras
Essas podem ser localizadas nas extremidades da amostra enquanto que no centro da
superfiacutecie haacute grandes nuacutemeros de picos indicando a possibilidade de ser um material com
bastante rugosidade
64
Figura 3 31 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PMAM puro obtida por microscopia
de forccedila atocircmica no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
Figura 3 32 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PAMAM OB 35 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
65
A presenccedila de OB na concentraccedilatildeo de 35 na matriz de PMAM resultou em
pequenas mudanccedilas na topografia do material (Figura 332) Natildeo houve grandes mudanccedilas
na morfologia da superfiacutecie do filme que possa ser determinada visualmente Entretanto a
geometria dos gloacutebulos foi alterada de uma forma arredondada (Figura 331) para uma
forma pontiaguda (Figura 332)
Outro material estudado foi o P3HT com OB puro e o P3HT + PSOB 47 A
superfiacutecie do filme de P3HTOB puro (Figura 334) tambeacutem mostrou um material com
possiacuteveis rugosidade em sua superfiacutecie entretanto a diferenccedila entre esta superfiacutecie e a
topografia do material P3HT+ PSOB 47 (figura 335) estaacute no tamanho das estruturas
que compotildeem a superfiacutecie de ambos os materiais
Figura 3 33 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HTOB puro obtida por AFM no
modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
66
Figura 3 34 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HT+PS OB 47 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
A Figura 333 revela estruturas menores que consequumlentemente ocupam um
espaccedilo menor dentro da aacuterea de varredura e por isso se apresentam em grande nuacutemero
resultando a possibilidade de rugosidade mais alta
A Figura 334 mostra estruturas do material P3HT+PS OB 47 que apresentam
geometrias similares agrave do material P3HTOB puro contudo com dimensotildees maiores
Desta forma estas estruturas ocupam um espaccedilo maior dentro da aacuterea de varredura e se
apresentam em menor quantidade proporcionando possiacuteveis rugosidades em tamanhos
menores que o P3HT OB puro
67
Capiacutetulo IV
Conclusotildees e Recomendaccedilotildees
68
4 ndash CONCLUSOtildeES E RECOMENDACcedilOtildeES
Atraveacutes destes estudos preliminares em linhas gerais os dispositivos projetados
construiacutedos e as medidas obtidas neste trabalho permitem direcionar para a construccedilatildeo e
caracterizaccedilatildeo de dispositivos fotovoltaicos baseados no uso do OB como dopante Os
dados obtidos satildeo bastante promissores e sinalizam para o alcance do sucesso na
construccedilatildeo desses dispositivos a partir de matrizes modificadas com OB
Os resultados apresentados no capiacutetulo III no toacutepico referente aos dados
experimentais e resultados I foram dos dispositivos desenvolvidos baseados no modelo
dos dispositivos fotovoltaicos desenvolvidos por Graumltzel com o propoacutesito de observar o
OB como eletroacutelito da camada ativa Medidas de VOC e ISC para as amostras
confeccionadas foram mensuradas embora os resultados obtidos fossem baixos quando
comparados com a literatura Contudo os materiais empregados satildeo novos e mostraram
promissores
No contexto dos dados experimentais e resultados I apresentou-se o
desenvolvimento de dispositivos usando o substrato de PET desenvolvendo a
configuraccedilatildeo de dispositivo fotovoltaico orgacircnico monocamada direcionados na busca de
substratos flexiacuteveis de menor custo no propoacutesito de substituir o substrato de vidro
recoberto com FTO Para estes dispositivos consegui-se obter valores de VOC e ISC sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpada usando um multiacutemetro para as referidas medidas Entretanto esse
tipo de substrato apresentou diversas inviabilidades conforme relatado nesta pesquisa
Novamente trabalhou-se com substrato de vidro recoberto com FTO com
configuraccedilatildeo de dispositivo fotovoltaico orgacircnico monocamada Acredita-se que as
espessuras dos filmes das camadas ativas possam ter influenciado nos baixos resultados
obtidos Ateacute essa etapa dos experimentos as camadas ativas eram construiacutedas
manualmente proporcionando assim camadas ativas espessas
Os resultados apresentados no toacutepico referente aos dados experimentais e resultados
II abordaram a configuraccedilatildeo monocamada em substrato de vidro recoberto com FTO onde
se fez o uso de camadas ativas com poliacutemero semicondutor P3HT misturado com OB Para
efeito de comparaccedilatildeo construiu-se camada ativa usando o PS um poliacutemero isolante
misturado com 47 de OB A partir destes experimentos os filmes dos dispositivos foram
confeccionados com spin coater o que proporcionou a construccedilatildeo de filmes mais finos
As caracterizaccedilotildees foram realizadas usando lacircmpadas e luz solar direta para
medidas de VOC e ISC com o multiacutemetro tambeacutem foram realizadas caracterizaccedilotildees com
69
curvas I-V sob a luz ambiente do laboratoacuterio As curvas levantadas mostraram efeitos
semelhantes ao efeito fotovoltaico para os materiais das camadas ativas pesquisadas Pelos
resultados obtidos nessa etapa do trabalho observou-se que as amostras confeccionadas
com o poliacutemero isolante misturado com o OB apresentaram melhores desempenhos
Embora jaacute existam resultados na literatura usando o semicondutor P3HT para fazer
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos com desempenho relativamente alto nas pesquisas
desenvolvidas nesse trabalho o uso do P3HT natildeo sinalizou vantagens em relaccedilatildeo ao uso
do poliacutemero isolante PS
Nesse trabalho as pesquisas foram focadas apenas em materiais de baixo custo
que proporcionaram resultados animadores usando o poliacutemero PS misturado com OB
Os resultados apresentados nos toacutepicos que abrangem os dados experimentais e
resultados III abordaram o uso dos poliacutemeros isolantes PS e PMAM modificados com OB
na configuraccedilatildeo de dispositivo fotovoltaico em monocamada usando substrato de vidro
recoberto com FTO Foram realizadas medidas eleacutetricas diretas dos dispositivos sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpadas e iluminaccedilatildeo solar fazendo-se uso de multiacutemetro para as medidas
Tendo respostas interessantes com estes experimentos pois as medidas foram realizadas
com multiacutemetros comuns com cabos que apresentam impedacircncias que agregaram perdas
substanciais das tensotildees e correntes geradas pelos dispositivos Mesmo assim obtiveram-
se as medidas de VOC e ISC
Os resultados mais empolgantes foram os caracterizados com curvas I-V
desenvolvidos com substratos tendo parte do FTO removidas no qual se permitiu
visualizar as curvas de tensatildeo e corrente apenas dos filmes sem a interferecircncia do filme
condutor de FTO Em vaacuterias amostras pocircde-se observar um efeito fotovoltaico entretanto
com valores bem abaixo aos relatados pela literatura vigente sobre o assunto
Nesse trabalho apresentou-se um material novo e promissor na aacuterea de pesquisa
dos dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos como tambeacutem o uso de oacuteleos vegetais como
dopante de poliacutemeros para o desenvolvimento de dispositivo de baixo custo com
tecnologia de faacutecil domiacutenio e acessiacutevel
Os resultados apresentados sugerem os seguintes trabalhos futuros
1 Desenvolvimento de dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos agrave base de poliacutemeros
isolantes com camadas ativas mais finas na ordem de nanocircmetros a fim de facilitar
a dissociaccedilatildeo dos eacutexcitons nas interfaces dos materiais O uso de novas teacutecnicas de
deposiccedilatildeo para conseguir filmes nesta ordem de grandeza
70
2 Desenvolvimento de novas estruturas usando os PSOB 47 e PMAMOB 35
em novas arquiteturas como os dispositivos em bicamadas e heterojunccedilatildeo para
melhorar os resultados jaacute obtidos
3 Siacutentese de novas misturas com poliacutemeros usando outros oacuteleos vegetais abundantes
na natureza que apresentaram absorccedilatildeo na faixa do espectro visiacutevel
4 Construccedilatildeo de novos eletrodos de contatos usando teacutecnicas de evaporaccedilatildeo com o
intuito de diminuir as resistecircncias dos contatos e melhorando a coleta das correntes
geradas
5 Caracterizar as amostras usando o simulador solar Caracterizar os filmes usando
perfilocircmetro e AFM buscando filmes com menos rugosidades Correlacionar
medidas das curvas I ndashV com as medidas de AFM
71
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[53] - Duratildees J A dispositivos Eletrocircnicos Orgacircnicos Baseados no Oacuteleo de Buriti
(Mauritia Flexuosa L) Tese de Doutorado Instituto de Quiacutemica Universidade de Brasiacutelia
Brasiacutelia DF 2008
75
APEcircNDICES
77
APEcircNDICE 1
Produccedilotildees Bibliograacuteficas
Artigo Publicado
Silva E R Ceschin A M J A Duratildees A possible organic solar cell based on Buriti
oil In 24th Symposium on Microelectronics Technology and Devices SBMicro 2009
Natal - RN The Electrochemical Society (ECS) the society for solid-state and
electrochemical science and Technology EUA Pennigton 2009 v 23 P 553-556
(2009)
Artigo Aceito
Silva E R Romariz A R S Ceschin A M Study of organic MIM junctions for use
in photovoltaic devices In 25th Symposium on Microelectronics Technology and
Devices SBMicro 2010 Satildeo Paulo - SP The Electrochemical Society (ECS) the society
for solid-state and electrochemical science and Technology EUA Pennigton artigo
aceito (2010)
Resumo Publicado
Silva E R Ceschin A M Photovoltaic effect observed in junctions based on Buriti
oil In 11 th International Conference on Advanced Materials (ICAM2009) 2009 Rio
de Janeiro 11 th International Conference on Advanced Materials 2009
78
A possible Organic Solar Cell Based on Buriti Oil
E R da Silva a J A Duratildees
b and A M Ceschin
a
a Departamento de Engenharia Eleacutetrica - Laboratoacuterio de Dispositivos e Circuito
Integrado Universidade de Brasiacutelia CP 4386 CEP 70904-970 Brasiacutelia DF - Brasil b Instituto de Quiacutemica ndash Laboratoacuterio de Pesquisa em Poliacutemeros Universidade de
Brasiacutelia
CEP 70904-970 Brasiacutelia DF ndash Brasil
This work proposes a new approach - the possible production of
organic solar cells based on Buriti oil We propose the
formation of an active layer three types of mixture always
exploring the use of Buriti oil The active layers were deposited
by spin coating the mixture of Buriti oil polystyrene (PS) Buriti
oil poly (3- hexylthiophene) (P3HT) and blend Buriti oil PS
plus P3HT For the three devices investigated here we use a
glass substrate coated with fluoride-doped tin oxide (FTO) An
electrode of poly (34-ethylenedioxythiophene) poly (4-
styrenesulfonate) (PEDOT PSS) was deposited by spin coating
The other electrode was painted on top with silver conductive
ink (Ag) We show two different illuminations for the
characterization of the devices For the acquisition of measures
resistance () open circuit voltage (VOC) and the short circuit
current (ISC) a common digital multimeter was used
Introduction
Organic solar cells are being investigated for their potential use in the cheap and
clean conversion of abundant solar energy In addition polymer solar cells have
attracted considerable attention because of their potential use in low-cost lightweight
solution processable and flexible large-area panels (1) In the best performing solid state
organic solar cells reported to date (23) a conjugated polymer is blended with an
electron accepting material to form the bulk-heterojunction structure for efficient
exciton dissociation (34) Academic attention has focused on blends of poly (3-
hexylthiophene) (P3HT) and [66]-phenyl C61-butyc acid methyl ester (PCBM) since
these two materials show the highest power conversion efficiency in their bulk-
heterojunction which is around 5 The combination of unique semiconducting
electronic property and mechanical aspects similar to conventional plastics is an
attractive feature in spite of the lower efficiencies prevailing in these systems Each
polymer has unique properties and responds differently to different stimulus However
its characteristics can be improved by blending two polymers or by adding some
compounds called additives producing interesting results As an example we can take a
polystyrene (PS) matrix mixed with Buriti oil this modified material shows a very
broad absorption between 150 to 400 nm with a maximum at 320 nm (67) Figure 1
shows the spectrum of absorption for four types of concentration of Buriti oil in PS
matrix
79
Figure 1 Spectra of absorption of UV radiation of PS films and PS- Buriti oil (7)
This feature makes it a promising candidate for photovoltaic studies Based on
this result we decided to investigate Buriti oil P3HT Buriti oilPS and Buriti
oilPSP3HT mixtures in solar cell fabrication Thus the possible fabrication of the
Buriti oil solar cell and its results are reported and discussed here
Sample Preparation
The devices consist basically of an active layer made of Buriti oilPS or Buriti
oilP3HT films or Buriti oilPSP3HT material placed in-between the bottom
electrode of poly(34-ethylenedioxythiophene)poly(4-styrenesulfonate) (PEDOTPSS)
and the top silver (Ag) electrode Devices were assembled on glass substrates covered
with fluoridedoped tin oxide (FTO) with planar resistance in order of 30 _ cm without
further treatment The actives layer and the bottom electrode were deposited by spin
coating (6000 and 5000 rpm respectively) while the silver electrode was painted
PEDOT PSS was used in order to smooth the FTO surface and to decrease the hole
barrier A first kind of active layer was prepared through deposition (6000 rpm spin
coating) of a solution prepared by dissolving appropriate amounts of PS and Buriti oil
4681 wt (extracted with supercritical CO2) at room temperature in analytical grade
reagent chloroform The second kind of active layer was prepared through deposition of
Buriti oil and P3HT mix dissolved in analytical grade reagent toluene The last active
layer was prepared by mixing Buriti oilPS with P3HT dissolved in an analytical grade
reagent chloroform
After each spin coating deposition the films were dried in a stove at 100 0C for
about 15 minutes Devices of active area A~ 20 cm2 were obtained Figure 2 shows a
schematic view of the finished device
80
Figure 2 Structure of the Buriti oil solar cell
Characterization
The measurements were obtained using a common digital multimeter model
ET-2042C Minipa The samples were subjected to direct irradiation of an Hg spectral
lamp (80 W) for five minutes For such measures we did not consider neither
interference of the illumination nor the samplersquos angle of inclination The series
resistance of the device was also collected as this is one that has a direct relation with
the value of this measure as shown in Table 1 the lower the resistance the greater the
current collected All the results are shown in Table 1
Table 1 VOC and ISC for the different solar cell illuminated with an Hg spectral
lamp (80W)
VOC (mV) ISC (mA) R (cm2)
Buriti oil PS 21 009 740
Buriti oil P3HT 18 002 369
Buriti oil PS+P3HT 17 001 717
To observe a real situation the same sample group was exposed to direct
sunlight in hours of intense sun between 1100 am and 0100 pm taking into account
that all samples had an exposure time of approximately five minutes In this step a
convergent lens was used to concentrate the solar light on the device (8 and 9) In this
experiment angle of incidence and the solar irradiation were not measured The results
are shown in Table 2
Table 2 VOC and ISC for the different solar cell illuminated by direct solar light
VOC (mV) ISC (mA) R (cm2)
Buriti oil PS 62 009 740
Buriti oil P3HT 33 003 369
Buriti oil PS+P3HT 25 002 717
Results and analysis
Based on the values of VOC and ISC obtained for the samples it can be clearly
observed that sunlight exposure provided better results when compared to the artificial
81
illumination The main reason for such a situation could be related to the use of Hg
lamp that is not appropriated In spite of this the devices based-on Buriti oil presented
good performances in both cases This effect may be due to the lower resistance value
of the first samples When the illumination is promoted by the sun the VOC increases
but the ISC remains the same maybe as a consequence of the resistance value or
because the samples becomes hotter For the samples made with Buriti oil P3HT and
Buriti oil PS P3HT materials and illuminated by the spectral lamp similar results for
VOC and ISC were observed Under sunlight illumination the values of VOC and ISC
are greater than that obtained for the spectral lamp lighting
Conclusions
In this paper we show that Buriti oilPS and Buriti oil P3HT materials can be
used as an active layer for solar cells The behavior of the samples based-on Buriti
oilPS showed better results for the two types of illumination It is important to
emphasize tha these results are just a part of the devices characterization which still
requests the fulfillment factor (FF) as well as cell efficiency determination Such
calculations are on process but all the obtained data are satisfactory and promising
because our main aim is to develop solar cells using more accessible organic materials
such as the Buriti oil PS blend
Acknowledgments
The authors gratefully acknowledge CNPq and NAMITECMilenio Institute for
financial support
References
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Dissertaccedilatildeo de mestrado do Instituto de Quiacutemica da Universidade de Brasiacutelia (2004)
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82
Study of organic MIM junctions for use in photovoltaic devices
E R Silva A R S Romariz and A M Ceschin
Departamento De Engenharia Eleacutetrica Laboratoacuterio de Dispositivos e Circuito
Integrado (LDCI) Universidade de Brasiacutelia Campus Darcy Ribeiro Brasiacutelia CP
4386 CEP 70904-970 Brasiacutelia ndash DF Brasil
We report here photovoltaic effects on Buriti oil (Mauritia
flexuosa) mixed in an insulating polymers matrix The samples
studied here consist of an active layer based on polystyrene (PS)
and poly (methilmethacrilate) (PMMA) mixed with Buriti Oil
(BO) The structure of the device was glassFTO Poly (3 4-
ethylenedioxythiophene) (PEDOT) poly (styrenesulfonate)
(PSS) active layer Ag These mixtures are promising materials
in the fabrication of organic photovoltaic devices The advantage
of these mixtures is their low cost of production and ease in
fabrication Electrical measurements were obtained in both a lit
room and in the dark We can observe photovoltaic effects in all
samples mixed with OB This effect is very interesting because
we are working with an insulating polymer instead of the
semiconductor polymer In this work we have been developing a
junction of the metalndash insulatorndashmetal (MIM) diode that acts like
a photovoltaic device
Introduction
In the past years various new materials and mixtures for fabricating
photovoltaic devices have been proposed for higher conversion efficiencies and lower
cost processes (1 2) Organic solar cells are being investigated for their potential use in
the clean conversion of solar energy through large-area solar panels (3 4 and 5)
Academic attention has focused on blends of poly (3-hexylthiophene) (P3HT) and [6
6]-phenyl C61-butyc acid methyl ester (PCBM) since these two materials show the
highest power conversion efficiency in their bulkheterojunction which is around 5
(6)
Each polymer has unique properties and responds differently to different stimuli
However its characteristics can be improved by blending two polymers or by adding
some compounds called additives thus producing interesting results As an example we
can take the BO mixed in a PS matrix and one mixed in a PMMA matrix This modified
material shows a very broad absorption between 250 to 400 nm with a maximum at 320
nm (7) Based on this result we decided to investigate the OB mixtures in the fabrication
of photovoltaic devices One possible way to enhance the quantum efficiency of a
photovoltaic device is to add dyes that have high absorption efficiency to the host
materials (8) The addition of BO in the PS and PMMA matrices increases this
efficiency The OB is added with the polymers to improve the efficiency on the active
layers of the insulating materials In this paper we will present photovoltaic parameters
on devices based on insulating polymers mixed with BO deposited on a substrate
83
covered with fluorine doped tin oxide (FTO) The devices were fabricated by the spin
coating technique the open circuit voltage (VOC) and short-circuit current density (JSC)
of the BOPS device are 03V and 039 nAcm2 respectively which is 0212V higher
than BOPMMA devices The fill factor (FF) that defines power extraction efficiency of
BOPS devices is 026 against 020 in the BOPMMA devices
Experimental
Our devices were based on previous studies about insulating polymers mixed
with BO (7) The material for the active layer BOPS and BOPMMA of the MIM
junction was chosen because this materials posses two regionrsquos absorption the first
range in 250 at 400 nm that has a peak at 320 nm and the second in the range of 500 at
700 nm The fact these materials absolve in visible region allow to realization of study
about applications in photovoltaic devices (9) We were still able to get good results
from the investigation of BO for make photovoltaic devices
The samples were assembled on glass substrates covered with FTO The
resistance of the plate is asymp 41-60 Ω Prior to depositing the layers part of the FTO
substrate was removed the FTO was corroded using a homogenous ink prepared with
powdered zinc (Zn) Additionally it is possible to use tape or enamel in order to save
part of the FTO After these procedures the substrate is dipped in a diluted solution of
hydrochloric acid (HCI) After the corrosion stage the substrate goes through a cleaning
process that was also performed before corrosion The substrates are cleaned to remove
grease and residual chemicals Corrosion is necessary to avoid short circuits between
the devicersquos electrode contacts (10) The devices were fabricated in a typical
sandwiched structure with the active layers sandwiched between two electrodes the
bottom electrodes consist of conducting polymer film deposition of (PEDOT PSS)
purchased from Bayer This forms the anode that was deposited on the FTO We use it
in order to increase the positive carrier collection of the active layer The film was made
using the spin coating technique with 6000 rotations per minute (rpm) for 55 seconds
Next it was dried in an oven at a temperature of 50 deg C for 15 minutes The cathode was
made with a conductive ink of silver (Ag) acquired from Silver Ink having 99 purity
with painting done by hand because more precise techniques were not available The
materials used in the active layer were pure PS PS mixed with 47 BO pure PMMA
and PMMA mixed with 35 BO Four types of active layers were used All the
mixtures were made with an appropriate quantity of the analytical reagent chloroform at
room temperature Before the deposition the solutions were stirred with magnetic
agitate for 30 minutes in order to ensure greater uniformity for the mix A schematic
view finished device (glass FTO PEDOT PSS active layer Ag) is shown in figure
1 The film thicknesses of the active layers were measure using a Dektak 150
profilometer These values are about 1μm We could not obtain a thinner device because
of the high viscosity of the material In our final device the active area is approximately
009 cm2
Figure 1 Schematic of the finished Device
84
Results and Discussion
The devices with different active layers were prepared following the procedure
described above at room temperature The currentndashvoltage (I-V) characteristics were
measured using a Keithley 2400 programmable software semiconductor measuring
system In all samples without oil devices using only insulating polymer like PS and
PMMA ohmic behavior was observed for bias voltage between -2 and 2 V The device
with pure PS has greater resistance than the one with pure PMMA Perhaps this happens
due to differences in layer thickness or intrinsic material properties But when BO is
added to the mixture we get a different behavior for I-V curves in the two cases We
observed that the sample of PS BO had larger current than PMMABO Figure 2
shows the curves for the PS mixture with and without BO 47 In Figure 3 we have
curves for the PMMA mixture with and without BO 35 In these two cases we
observed curves that look like MIM diode characteristic curves
Figure 2 The I-V Curves characteristics of ohmic behavior and MIM diode for
the PMMA
Figure 3 The I-V Curves characteristics of ohmic behavior and MIM diode for the PS
85
We also noticed a photovoltaic effect in the junctions based in BO at room
temperature Measurements were taken both in the dark and with the room fluorescent
light on In all observations we saw slight photovoltaic effects in all devices made using
insulating polymers with BO mixtures in the active layer In Figure 4 this effect is
shown for PSBO and in Figure 5 for PMMABO
Figure 4 Curve characteristics PS dark and light
Figure 5 Curve characteristics PMMA dark and light
86
For such measures we did not consider either air mass coefficient or the
samplersquos inclination angle for these characterizations because we donrsquot have
characterization equipments Thus we are unable to calculate the conversion efficiency
() The voltage bias was varied from -1 to 1 V but here it is shown with a smaller
interval to better visualize this slight effect In Table 1 the values are shown for the
samples insulating polymer mixed with BO for Voc Jsc and fill factor FF In summary
these parameters are important for characterizing our devices The FF is the ratio that
determines the maximum operating current and voltage of the photovoltaic device and
was calculated as FF = VpIpVocIsc (11) All the values are extracted from the curves
Table 1 Summary of the photovoltaic devices performance with and without light
Active Layer VOC
(mV)
JSC
(nAcm2)
FF
PSBO 47 300 039 026
PMMABO 35 86 216 020
We have seen that the insertion of BO at the matrices of insulating polymers
such as PMMA and PS promote the absorption of photons and therefore the formation
of excitons However we do not have a maximum absorption because of the peak of
absorption of the active layers is in range of 200 to 400 nm while the illumination used
was in the visible region The excitons generated were dissociates and the charges
created were collected in their respective electrodes to form the short-circuit Current
(ISC) This current is small due to the film thickness of the active layer Thus carriersrsquo
recombination could be occurring before they reach their respective electrodes
The measured VOC was 008 V to PMMABO and 03 V to PSBO For the
PSBO this number is roughly the same as the difference in work function between
PEDOT PSS and Ag However for the PMMABO this number is lower than the
difference in work function between PEDOTPSS and Ag All this contributed for the
values low ISC VOC and FF The results obtained here are very below that reported in
recent papers (12 13)
Conclusion
We have been working with polymer insulating with additions of material cheap
an abundant of in nature We presented preliminary results for the MIM junction diode
We used BO mixed with insulating polymer to form the active layers This way we get a
value for ISC VOC and FF but we can observe photovoltaic effect in the majority of the
samples with the BO The active layers have a region of absorption outside of the solar
spectrum and the thickness was thick Because of the collection the carrier was hindered
before to reach the collectorrsquos electrode The devices shown here is very easy to make
and can be made in a large area
Acknowledgments
87
The authors gratefully for the financial support received from National Counsel
of Technological and Scientific Development (CNPq) National Institute of Science and
Technology of Micro and Nanoelectronics Systems (NAMITEC) This paper was
partially supported from a scholarship granted by Coordenaccedilatildeo de Aperfeiccediloamento de
Pessoal de Niacutevel Superior (CAPES) for the first author that also wishes to thank for this
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797ndash801
88
ii
UNIVERSIDADE DE BRASIacuteLIA
FACULDADE DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELEacuteTRICA
ESTUDO PARA O DESENVOLVIMENTO DE
DISPOSITIVOS FOTOVOLTAICOS ORGAcircNICOS
ELIZETE ROCHA DA SILVA
DISSERTACcedilAtildeO SUBMETIDA AO DEPARTAMENTO DE
ENGENHARIA ELEacuteTRICA DA FACULDADE DE TECNOLOGIA DA
UNIVERSIDADE DE BRASIacuteLIA COMO PARTE DOS REQUISITOS
NECESSAacuteRIOS PARA A OBTENCcedilAtildeO DO GRAU DE MESTRE
APROVADO POR
BRASIacuteLIADF JUNHO DE 2010
iii
FICHA CATALOGRAacuteFICA
SILVA ELIZETE ROCHA DA
Estudo para o Desenvolvimento de Dispositivos Fotovoltaicos Orgacircnicos [Distrito Federal]
2010
xviii 104p 297 mm (ENEFTUnB Mestre Engenharia Eleacutetrica 2010)
Dissertaccedilatildeo de Mestrado ndash Universidade de Brasiacutelia Faculdade de Tecnologia
Departamento de Engenharia Eleacutetrica
1 Dispositivos Fotovoltaicos 2 Ceacutelula Solar
3Poliacutemeros Condutores 4 Eletrocircnica Orgacircnica
I ENEFTUnB II Tiacutetulo (seacuterie)
REFEREcircNCIA BIBLIOGRAacuteFICA
SILVA E R (2010) Estudo para o Desenvolvimento de Dispositivos Fotovoltaicos
Orgacircnicos Dissertaccedilatildeo de Mestrado em Engenharia Eleacutetrica Publicaccedilatildeo PPGENEDM-
42110 Departamento de Engenharia Eleacutetrica Universidade de Brasiacutelia Brasiacutelia DF 104
p
CESSAtildeO DE DIREITO
AUTOR Elizete Rocha da Silva
TIacuteTULO Estudo para o Desenvolvimento de Dispositivos Fotovoltaicos Orgacircnicos
GRAU Mestre ANO 2010
Eacute concedida agrave Universidade de Brasiacutelia permissatildeo para reproduzir coacutepias desta dissertaccedilatildeo
de mestrado e para emprestar ou vender tais coacutepias somente para propoacutesitos acadecircmicos e
cientiacuteficos O autor reserva outros direitos de publicaccedilatildeo e nenhuma parte dessa dissertaccedilatildeo
de mestrado pode ser reproduzida sem autorizaccedilatildeo por escrito do autor
____________________________
Elizete Rocha da Silva
QNA 14 casa 21
72110-140 Taguatinga - DF- Brasil
iv
AGRADECIMENTOS
Agradeccedilo ao Senhor Deus por mais essa conquista em minha vida
Agrave minha orientadora Artemis Marti Ceschin pela paciecircncia dedicaccedilatildeo e trabalho
ao longo do meu mestrado
Ao Heacutelio Tiago e Heacutelio Juacutenior que sempre me apoiaram incondicionalmente
Aos professores e colegas do Laboratoacuterio de Dispositivos e Circuitos Integrados -
LDCI pelas contribuiccedilotildees e pelo oacutetimo ambiente de trabalho Em especial ao professor Drordm
Joseacute Camargo pelas contribuiccedilotildees acadecircmicas
Agrave Drordf Jussara Duratildees do Laboratoacuterio de poliacutemeros (LaBPOL) do Instituto de
Quiacutemica da Universidade de Brasiacutelia pelas contribuiccedilotildees no desenvolvimento deste
trabalho
Agrave Msc Nizamara Simenremis do Laboratoacuterio de poliacutemeros (LaBPOL) do Instituto
de Quiacutemica da Universidade de Brasiacutelia pelas imagens de AFM discussotildees e amizade ao
longo deste trabalho
Aos funcionaacuterios e colegas dos Laboratoacuterios de Engenharia Eleacutetrica do SG 11 da
Universidade de Brasiacutelia que durante este tempo foi minha segunda casa Em especial aos
colegas do DTL Valter Alvino e Silmar pelo apoacuteio emocional e psicoloacutegico e
contribuiccedilotildees prestadas durante meu mestrado
Aos meus amigos queridos que ao lerem estes agradecimentos saberatildeo o quatildeo
grande foram suas contribuiccedilotildees nesta etapa da minha vida acadecircmica Seria injusto em
esquececirc-los pois todas as pessoas que estiveram comigo seja por alguns dias ou anos
tiveram importacircncia ao longo deste processo
Ao LABPOL pelo fornecimento das soluccedilotildees com oacuteleo de Buriti
As agecircncias financiadoras Capes pelo apoacuteio financeiro
Ao projeto INCT-NAMITEC
Ao projeto CNPqUniversal CT-INFO
Muito Obrigada
v
Dedico este trabalho ao Heacutelio da Silva pelos incentivos paciecircncia e ajuda financeira aos meus
filhos Tiago Rocha e Heacutelio Junior Enfim pela contribuiccedilatildeo prestada pela minha famiacutelia
diretamente e indiretamente ao longo dos anos
vi
ldquoSe todas as pessoas procurassem ser amigas de Deus tendo intimidade espiritual
muacutetua Deus os livraria de todos aqueles que natildeo satildeo seus amigos e proveria tudo em suas
vidas Os protegeria de todo o mal que estaacute reservado para vida terrena E depois da vida
passageira de cada um iriam reinar eternamente com Deusrdquo (Salmos 23-27)
vii
RESUMO
ESTUDO PARA O DESENVOLVIMENTO DE DISPOSITIVOS
FOTOVOLTAICOS ORGAcircNICOS
Autor Elizete Rocha da Silva
Orientador Artemis Marti Ceschin
Programa de Poacutes-graduaccedilatildeo em Engenharia Eleacutetrica
Brasiacutelia junho de 2010
Este trabalho eacute dedicado agrave preparaccedilatildeo e a caracterizaccedilatildeo de dispositivos
fotovoltaicos baseados em matrizes polimeacutericas modificadas com oacuteleo de buriti (OB) O
presente desenvolvimento consiste na deposiccedilatildeo de camada do poliacutemero condutor
PEDOTPSS sobre substrato de vidro com oacutexido de zinco dopado com fluacuteor (FTO) onde
depois foi depositada a camada ativa
Ao longo da pesquisa vaacuterias camadas ativas foram testadas No iniacutecio os filmes
das amostras foram preparados por casting Agrave medida que os resultados eram obtidos
novas ideacuteias iam surgindo e novas teacutecnicas foram sendo incorporadas
Buscando fazer os filmes mais finos e obter melhores resultados os filmes
passaram a serem preparados pela teacutecnica de spin coating Os tipos de camadas ativas
foram PS puro PS OB 47 PS OB 8 PS OB 47+P3HT P3HT+OB PMAM puro e
PMAM OB 35
Para as caracterizaccedilotildees dos dispositivos usou-se para medir tensatildeo e corrente
direta multiacutemetros comuns sob iluminaccedilatildeo de lacircmpadas e luz solar Alguns dispositivos
os paracircmetros de caracterizaccedilotildees foram obtidos das curvas IndashV Os filmes tiveram suas
espessuras medidas com perfilometro suas superfiacutecies tambeacutem foram observadas com
microscopia de forccedila atocircmica (AFM)
As respostas eleacutetricas obtidas foram interessantes e promissoras por estes
resultados levam a crer que estes materiais podem ser usados nos desenvolvimentos de
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos de baixo custo acessiacuteveis e de faacutecil fabricaccedilatildeo
viii
ABSTRACT STUDY FOR DEVELOPMENT OF ORGANIC PHOTOVOLTAIC DEVICES
Author Elizete Rocha da Silva
Supervisor Artemis Marti Ceschin
Programa de Poacutes-graduaccedilatildeo em Engenharia Eleacutetrica
Brasiacutelia June 2010
This work is dedicated to the preparation and characterization of the photovoltaic
devices based on polymer matrices modified with oil buriti (OB) This development
consists in the deposition layer of conducting polymer PEDOT PSS on glass substrate
with zinc oxide doped with fluorine (FTO) which was deposited after the active layer
Throughout this study several active layers were tested At the beginning of the
film samples were prepared by casting When the results were been obtained new ideas
were emerging and new techniques were incorporated
Seeking to make the films thinner to obtain better results the films had to be
prepared by spin coating technique The types of active layers were pure PS PS OB 47
PS B 8 PS B + 47 P3HT P3HT + OB pure and PMAM PMAM OB 35
For the characterizations of the devices used to measure voltage and direct current
multimeters under common lighting of lamps and solar light Some devices the parameters
were obtained from the characterizations of I-V curves The film had its thickness
measured with profilometer their surfaces were also observed with atomic force
microscopy (AFM)
The electrical answers obtained were interesting and promising to these results that
suggests these materials can be used in the development of organic photovoltaic devices at
low cost accessible and easy to manufacture
ix
SUMAacuteRIO
1 ndash INTRODUCcedilAtildeO 2
11 ndash OBJETIVO GERAL 4
12 ndash OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS E ORGANIZACcedilAtildeO DO ESTUDO 4
2 ndash CONCEITOS BAacuteSICOS 6
21 ndash POLIacuteMEROS CONDUTORES 6
23 ndash CARACTERIZACcedilAtildeO DO DISPOSITIVO FOTOVOLTAICO 10
231ndash Eficiecircncia quacircntica externa (IPCE) 10
232 ndash Tensatildeo de circuito aberto (VOC) e Corrente de curto circuito (ISC) 11
233 ndash Curva caracteriacutestica IndashV 12
234 ndash Fator de preenchimento (FF) e Conversatildeo de Potencia () 13
24 ndash POLIacuteMEROS UTILIZADOS 14
241 ndash Polistireno (PS) 14
242 ndash Poli metacrilato de metila (PMAM) 15
244 ndash Poli (3-hexiltiofeno) (P3HT) 18
3 ndash PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS 23
31 ndash MATERIAIS 23
32 ndash EQUIPAMENTOS UTILIZADOS 23
321 ndash Multiacutemetros 23
322 ndash Spin coater 23
323 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores (Curva IndashV) 25
324 ndash Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM) 26
33 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS I 27
331 ndash Experimentos Etapa 1 27
3311 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo dos eletrodos 27
3312 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo da camada ativa 27
x
3313 ndash Formaccedilatildeo do dispositivo 28
3314 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W 28
3315 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 29
332 ndash Experimentos Etapa 2 29
3321 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras 29
3323 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 30
3331 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras 31
3332 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W 32
334 ndash Experimentos Etapa 4 33
3341 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras 34
3342 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W 34
3343 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 35
341 ndash Misturas usando P3HT 35
342 ndash Experimentos Etapa 1 36
3421 ndash Preparaccedilatildeo dos filmes por spin coater 36
3422 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W 37
3423 ndash Caracterizaccedilatildeo com luz solar direta 38
3423 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 39
343 ndash Experimentos Etapa 2 39
3431 ndash Preparando novas amostras 39
3431 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W 41
3433 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar direta 41
3434 ndash Curva caracteriacutestica de corrente versus tensatildeo aplicada (IndashV) 42
3435 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 45
35 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS III 46
351 ndash Experimentos Etapa 1 46
xi
3511 ndash Confecccedilatildeo das amostras usando PS e PMAM 1ordm grupo 46
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo usando lacircmpada de Hg 80 W 47
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar 47
3522 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar 49
3523 ndash Curva caracteriacutestica corrente versus tensatildeo (IndashV) 50
3524 ndash Medida de espessura 53
353 ndash Experimentos Etapa 3 56
3531 ndash Confecccedilatildeo das amostras com parte do FTO removido 56
3532 ndash Caracterizaccedilatildeo das curvas (IndashV ) 57
3533 - Anaacutelise e discussatildeo 61
354 Caracterizaccedilatildeo dos Materiais por Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM) 61
4 ndash CONCLUSOtildeES E RECOMENDACcedilOtildeES 68
REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 71
APEcircNDICE 1 77
Produccedilotildees Bibliograacuteficas 77
xii
LISTA DE TABELAS
Tabela 3 1 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos 29
Tabela 3 2 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos 30
Tabela 3 3 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos 32
Tabela 3 4 ndash Valores medidos de VOC e ISC com iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W para variaccedilatildeo de iluminaccedilatildeo para a amostra P4 32
Tabela 3 5 ndash Valores de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo de lacircmpada incandescente de 100 W
durante 5 minutos 35
Tabela 3 6 ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito com um ponto de
prata Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos 38
Tabela 3 7ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito de prata em forma de
trilhas com concentraccedilatildeo em um ponto Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos 38
Tabela 3 8 ndash Resultados obtidos das medidas de VOC e ISC usando luz solar direta durante
5 minutos 38
Tabela 3 9 ndash Medidas de VOC e ISC para amostras iluminadas pela lacircmpada Hg 80 W
aproximadamente cinco minutos 41
Tabela 3 10 ndash Valores de VOC e ISC para amostras iluminada sob luz solar direta expostas
durante cinco minutos cada 42
Tabela 3 11 ndash Resultados das medidas de ISC e VOC das amostras do 1ordm grupo sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpada durante 05 minutos de exposiccedilatildeo 47
Tabela 3 12 ndash Resultados para ISC e VOC sob iluminaccedilatildeo luz solar por aproximadamente
05 minutos de exposiccedilatildeo 47
Tabela 3 13 ndash Medidas realizadas para as amostras A5 A6 A7 sob iluminaccedilatildeo solar
direta durante 10 minutos 49
Tabela 3 14 ndash Medidas realizadas no dia 12052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos 50
Tabela 3 15 ndash Medidas realizadas no dia 18052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos 50
Tabela 3 16 ndash Medida dos pontos e a media medida dos filmes das camadas ativas feitos
com rotaccedilatildeo de 5000 rpm Valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M 55
Tabela 3 17 ndash Medida dos pontos e a media dos filmes das camadas ativas feitos com
rotaccedilatildeo de 6000 rpm O valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M 55
xiii
LISTA DE FIGURAS
Figura 2 1 ndash Estrutura quiacutemica do poliacetileno mostrando as ligaccedilotildees alternadas em
simples e duplas 6
Figura 2 2 ndash Formaccedilatildeo da estrutura do condutor poliacetileno (a) Formaccedilatildeo de bandas
distintas pela superposiccedilatildeo de N orbitais (b) aproximaccedilatildeo da banda riacutegida para um nuacutemero
grande de orbitais 7
Figura 2 3 ndash Estrutura de uma ceacutelula solar orgacircnica A camada ativa pode compreender
uma ou mais camadas semicondutoras uma mistura de materiais ou a combinaccedilatildeo destas
duas estruturas 8
Figura 2 4 ndash Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um dispositivo fotovoltaico feito com uma
camada de poliacutemero entre dois eletrodos 8
Figura 2 5 ndash Processos envolvidos na geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica em um dispositivo
fotovoltaico orgacircnico 9
Figura 2 6 ndash Diagrama de niacuteveis de energia de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico Sob
iluminaccedilatildeo o eleacutetron (e-) eacute jogado para o niacutevel de maior energia LUMO deixando uma
lacuna (h+) no niacutevel de menor energia HOMO (Criaccedilatildeo do eacutexciton) que seratildeo coletados
pelos eletrodos 1 funccedilatildeo trabalho do 1ordm eletrodo (transparente) 2 funccedilatildeo trabalho do
2ordm eletrodo χ eletroafinidade IP potencial de ionizaccedilatildeo e Eg energia do gap 10
Figura 2 7 ndash Diagrama esquemaacutetico do dispositivo fotovoltaico 2 poliacutemero1 no escuro
com o alinhamento dos niacuteveis de Fermi a) e sob iluminaccedilatildeo b) potencial de built-in ( Vbi)
intriacutenseco em temperatura ambiente esta proacuteximo ao valor de tensatildeo 12
Figura 2 8 ndash Curva caracteriacutestica IndashV de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico no escuro e
sob iluminaccedilatildeo Tambeacutem eacute mostrado o ponto de corrente de curto circuito e tensatildeo de
circuito aberto O retacircngulo pintado indica o fator de preenchimento (FF) 13
Figura 2 9 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PS (C8H8)n 15
Figura 2 10 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PMMA (C5O2H8)n 16
Figura 2 11 ndash Representaccedilatildeo da cadeia principal do PEDOT [25] 17
Figura 2 12 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica da interaccedilatildeo entre o PEDOT e PSS [25]
17
Figura 2 13 ndash Estrutura quiacutemica do P3HT (C10H18S)n [13] 18
Figura 2 14 ndash Foto da palmeira do Buriti (Mauritia Flexuosa) conhecida como Buritizeiro
[21] 19
Figura 2 15 ndash Ilustraccedilatildeo dos frutos maduros do Buriti (a) aspecto da casca (b) polpa de
cor amarelada [21] 19
Figura 2 16 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PS puro e PSOB [40] 20
xiv
Figura 2 17 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PMAM puro e PMAM
OB [40] 21
Figura 3 1 ndash (a)bomba de vaacutecuo (b) compressor de ar comprimido (c) vaacutelvula de controle
e (d) spin coater 24
Figura 3 2 ndash Equipamento de spin coater instalado no laboratoacuterio LDCI vista lateral e
frontal 25
Figura 3 3 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores Keithley 2400 laboratoacuterio
LDCI 25
Figura 3 4 ndash Vista frontal do AFM marca VEECO Innova 26
Figura 3 5 ndash Amostras confeccionadas com duas lacircminas de substrato de vidro recoberto
com FTO baseada no modelo de Graumltzel 28
Figura 3 6 ndash (a) Esquema da amostra confeccionada no substrato flexiacutevel de plaacutestico
(PET) (b) foto do substrato finalizado 31
Figura 3 7 ndash Amostra feita com substrato de PET apoacutes ser submetidos agrave fonte de lacircmpada
incandescente de 100 W por 20 minutos 33
Figura 3 8 ndash (a) Esquema da amostra para substrato de vidro recoberto com FTO (b) foto
da amostra finalizada 34
Figura 3 9 ndash (a) Geometria do eletrodo de Ag confeccionado em forma de ponto e (b)
geometria do eletrodo de Ag feito em forma de trilhas 37
Figura 3 10 ndash (a) Foto da amostra (b) Estruturas das camadas dos dispositivos das novas
amostras 40
Figura 3 11 ndash Ilustraccedilatildeo do experimento realizado com uma amostra tendo o contato
desenhado com a geometria em forma de trilhas camada ativa de PS OB 47 42
Figura 3 12 ndash Ilustraccedilatildeo da polarizaccedilatildeo direta para amostras com P3HT e gota de
PEDOTPSS para medidas das curvas (IndashV) 43
Figura 3 13 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47 Corrente e
tensatildeo observadas 003 uA e 09 Volts respectivamente 44
Figura 3 14 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de OB puro + P3HT Corrente
e tensatildeo observadas 0013 uA e 002 Volts respectivamente 44
Figura 3 15 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47+P3HT
Corrente e tensatildeo observadas 0012 uA e 11 volts respectivamente 45
Figura 3 16 ndash Estruturas das camadas e do contato de Ag dos dispositivos fotovoltaicos
orgacircnicos usado para o 2 ordm grupo de amostras 49
Figura 3 17 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PS puro No escuro e sob
iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 51
xv
Figura 3 18 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PSOB 47 No escuro e
sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 52
Figura 3 19 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAM puro No escuro
e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 52
Figura 3 20 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAMOB 35 No
escuro e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 53
Figura 3 21 ndash Risco feito no filme da amostra onde a ponta do perfilocircmetro executou a
varredura 54
Figura 3 22 ndash Medindo a diferenccedila da altura entre os cursores (R - reference) e (M -
measurement) para determinar a espessura do filme 54
Figura 3 23 ndash Geometria da lacircmina de vidro apoacutes corrosatildeo do FTO 56
Figura 3 24 ndash Geometria das camadas do dispositivo 57
Figura 3 25 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PS puro
e PS OB 47 58
Figura 3 26 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PMAM
puro e PMAMOB 35 59
Figura 3 27 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PSOB
47 no claro e escuro 60
Figura 3 28 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de
PMAMOB 35 no claro e escuro 60
Figura 3 29 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS puro obtida por AFM no modo
contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 62
Figura 3 30 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS OB 47 por AFM modo
contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 63
Figura 3 31 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PMAM puro obtida por microscopia
de forccedila atocircmica no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 64
Figura 3 32 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PAMAM OB 35 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 64
Figura 3 33 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HTOB puro obtida por AFM no
modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 65
Figura 3 34 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HT+PS OB 47 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 66
xvi
LISTA DE SIacuteMBOLOS NOMENCLATURA E ABREVIACcedilOtildeES
Ag ndash Prata
BC ndash Banda de conduccedilatildeo
BV ndash Banda de valecircncia
CHCL3 ndash Clorofoacutermio
C7H8 ndash Tolueno
Eg ndash Energia de gap (Energia de banda proibida)
FTO ndash Oacutexido de estanho dopado com fluacuteor termo em inglecircs Tin Oxide doped with
Fluorine
FF ndash Fator de preenchimento termo em inglecircs fill factor
GPIB ndash General Purpose Interface Bus
HOMO ndash Orbital molecular mais alto ocupado termo em inglecircs highest occupied
molecular orbital
ITO ndash Oacutexido de iacutendio estanho termo em inglecircs Indium Tin Oxide
IPCE ndash Eficiecircncia de conversatildeo de foacutetons incidentes em eleacutetrons Eficiecircncia quacircntica
externa termo em inglecircs Incident Photon Converted in Electron Efficiency
I0 ndash Intensidade de luz incidente em W m2
ISC ndash Corrente de curto circuito termo em inglecircs current short circuit
IndashV ndash Corrente versus tensatildeo aplicada
JSC ndash Densidade de fotocorrente de curto circuito termo em inglecircs photocurrent density
short circuit
LUMO ndash Orbital molecular mais baixo desocupado termo em inglecircs lowest unoccupied
molecular orbital
OB ndash Oacuteleo de Buriti
OLED ndash Diodo emissor de luz orgacircnico termo em inglecircs Organic light emitting devices
OPV ndash Ceacutelulas orgacircnicas fotovoltaicas termo em inglecircs Organic Photovoltaic
PET ndash Poli (Tereftalato de Etila)
xvii
PEDOT ndash Poli (34-etileno dioxitiofeno)
PS ndash Poliestireno
PSSndash Poli (Estireno-Sulfonato)
PMAM ndash Poli Metacrilato de Metila
P3HT ndash Poli (3-hexil tiofeno)
rpm ndash Rotaccedilatildeo por minuto
TO - Oacutexido de estanho termo em inglecircs Tin Oacutexide
Tm ndash Temperatura de fusatildeo cristalina
Tg ndash Temperatura de transiccedilatildeo viacutetrea
UV ndash Ultravioleta
VIS ndash Visiacutevel
VOC ndash Tensatildeo circuito aberto termo em inglecircs Open-circuit voltage
V bi ndash Potencial de built-in
ndash eficiecircncia de conversatildeo de potecircncia
λ ndash comprimento de onda
π ndash orbital ligante
πndash orbital antiligante
ndash Funccedilatildeo trabalho do material
Capiacutetulo I
Introduccedilatildeo
2
1 ndash INTRODUCcedilAtildeO
Atualmente um assunto muito debatido na esfera mundial eacute o problema da emissatildeo
de gases que provocam o efeito estufa Essa questatildeo relaciona-se por exemplo com o
desvio do curso de um rio para formar barragem para construccedilatildeo de hidreleacutetrica ou o uso
de carvatildeo ou diesel para o funcionamento de geradores de energia eleacutetrica todas essas
accedilotildees tecircm forte contribuiccedilatildeo para mudanccedilas no ambiente natural
Uma maneira eficaz de amenizar o impacto de tais accedilotildees sobre o meio ambiente
consiste no aproveitamento da energia solar que eacute uma fonte de energia renovaacutevel tanto
como fonte de calor quanto de luz O sol eacute responsaacutevel direta ou indiretamente pela
maioria das fontes de energia utilizadas atualmente a energia do sol eacute responsaacutevel pela
evaporaccedilatildeo a radiaccedilatildeo solar induz as circulaccedilotildees atmosfeacutericas causando ventos necessaacuterios
para a obtenccedilatildeo de energia eoacutelica [1] A energia luminosa pode ser transformada em
energia eleacutetrica por meio das ceacutelulas solares Na atualidade eacute uma das alternativas
energeacuteticas mais promissoras para enfrentar os desafios dos proacuteximos anos
Por ser uma energia captada diretamente a partir da incidecircncia dos raios solares a
energia produzida por ceacutelulas fotovoltaicas eacute uma tecnologia que natildeo emite gases
poluentes na atmosfera e natildeo produz ruiacutedos nem vibraccedilotildees durante o processo de
conversatildeo
Embora seja uma tecnologia relativamente antiga a produccedilatildeo de energia por ceacutelulas
fotovoltaicas natildeo teve ainda grande expansatildeo comercial devido ao elevado preccedilo de
implantaccedilatildeo do sistema Com a existecircncia de grupo gerador movido a diesel mais barato
haacute um maior uso desse tipo de sistemas em lugares que natildeo satildeo atendidos pela rede de
energia puacuteblica [23]
Tendo em vista esse cenaacuterio soacutecio econocircmico e tambeacutem ambiental existe a
necessidade de se buscar novas tecnologias para a produccedilatildeo de ceacutelulas fotovoltaicas a
custos mais acessiacuteveis viabilizando assim sua execuccedilatildeo tendo em vista que a energia solar
eacute importante na preservaccedilatildeo do meio ambiente por apresentar vantagens sobre as outras
formas de obtenccedilatildeo de energia [4] Para cada metro quadrado de coletor solar instalado
evita-se a inundaccedilatildeo de cinquumlenta e seis metros quadrados de terras feacuterteis para a
construccedilatildeo de novas usinas hidreleacutetricas
A energia solar fotovoltaica eacute a energia da conversatildeo direta da luz em eletricidade
(Efeito Fotovoltaico) que consiste no aparecimento de uma diferenccedila de potencial nos
3
extremos de uma estrutura de material semicondutor produzido pela absorccedilatildeo da luz A
ceacutelula fotovoltaica eacute a unidade fundamental no processo de conversatildeo [5]
As ceacutelulas solares orgacircnicas necessitam de muito menos energia para serem
fabricadas que as de siliacutecio convencional ie o consumo de energia gasto para fabricaccedilatildeo
de uma ceacutelula solar orgacircnica eacute muito pequeno de forma que a energia por ela gerada seraacute
muito maior do que a gasta para a sua fabricaccedilatildeo A ceacutelula solar de siliacutecio possui um
processo de fabricaccedilatildeo com preccedilos elevados inviabilizando sua fabricaccedilatildeo em larga escala
devido aos gastos elevados de energia em sua produccedilatildeo O impacto final no balanccedilo de
energia natildeo eacute positivo ou seja se gasta muito mais energia para produzir a ceacutelula que a
energia que ela eacute capaz de gerar em curto prazo
A partir de uma reflexatildeo sobre este cenaacuterio observou-se que semicondutores
orgacircnicos baseados em pequenas moleacuteculas conjugadas e poliacutemeros oferecem a
oportunidade de produzir dispositivos com larga aacuterea e baixo custo sobre substratos
plaacutesticos flexiacuteveis [67] Nesse campo as misturas de poliacutemeros (blendas polimeacutericas) ou a
aditivaccedilatildeo de poliacutemeros produzem resultados interessantes Um exemplo eacute o poliestireno
(PS) e o poli-metacrilato de metila (PMAM) misturado com oacuteleo de buriti (Mauritia
flexuosa) o material modificado tem alta absorccedilatildeo entre 250 nm a 700 nm com o maacuteximo
em 320 nm [8] Isto o torna um candidato promissor para os estudos fotovoltaicos A partir
da descoberta dos poliacutemeros condutores e suas propriedades as investigaccedilotildees sobre a
possibilidade de empregaacute-los como mateacuteria prima na construccedilatildeo de dispositivos
fotovoltaicos foram intensificadas
Com base nessas observaccedilotildees optou-se por investigar misturas de PS e PMAM
com oacuteleo de buriti a fim de construir e caracterizar dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos
Tais dispositivos podem ser construiacutedos sobre substratos plaacutesticos e em temperatura
ambiente desta forma sendo flexiacuteveis e com baixo custo [9] Entre os diversos materiais
potencialmente interessantes para esse fim encontra-se tambeacutem o Poli (3-hexiltiofeno)
(P3HT) Com base em vaacuterias referecircncias [1011] sobre o uso do P3HT misturado com
nanopartiacuteculas e com C60 (Fulereno) resolveu-se testar a mistura P3HT com oacuteleo de Buriti
Este trabalho consiste no estudo para o desenvolvimento e caracterizaccedilatildeo de
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos baseados no oacuteleo de buriti que apresenta propriedades
oacutepticas de absorccedilatildeo misturado com poliacutemeros isolantes (PS e PMAM) e com o poliacutemero
semicondutor P3HT
4
11 ndash OBJETIVO GERAL
O objetivo do presente trabalho eacute o desenvolvimento e a caracterizaccedilatildeo de
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos a partir de poliacutemero semicondutor ou de poliacutemeros
isolantes modificados pelo oacuteleo de buriti
12 ndash OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS E ORGANIZACcedilAtildeO DO ESTUDO
1 Fazer deposiccedilatildeo de filmes finos de blendas polimeacutericas a partir de
mistura de poliacutemeros isolantes PS e PMAM e do poliacutemero
semicondutor P3HT com oacuteleo de buriti
2 Montagem dos dispositivos em substratos de vidro e de plaacutestico
3 Caracterizaccedilatildeo eleacutetrica dos dispositivos desenvolvidos atraveacutes de
medidas diretas sob iluminaccedilatildeo de lacircmpadas e luz solar direta
Medidas das curvas IndashV no escuro e com iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio
4 Caracterizaccedilatildeo morfoloacutegica dos filmes depositados por spin coater
Medir as espessuras dos filmes e aacuterea ativa
Ao longo desta pesquisa seraacute mostrada a confecccedilatildeo dos dispositivos que
apresentaram algum comportamento fotovoltaico ou aqueles que tiveram resultados
interessantes Vaacuterias tentativas foram feitas a fim de buscar aquelas que apresentassem
resultados e comportamento satisfatoacuterio para um dispositivo fotovoltaico orgacircnico
Este trabalho foi dividido em quatro capiacutetulos No capiacutetulo dois seraacute feita uma
revisatildeo de alguns conceitos importantes sobre dispositivos orgacircnicos materiais utilizados
e equipamentos de caracterizaccedilatildeo No capiacutetulo trecircs seratildeo descritos os procedimentos
experimentais e resultados os quais seratildeo subdivididos em dados experimentais I II e III e
em alguns casos subdivididos em etapas Seratildeo abordadas as teacutecnicas utilizadas nas
construccedilotildees e caracterizaccedilotildees dos dispositivos No capiacutetulo quatro seratildeo apresentadas as
conclusotildees e recomendaccedilotildees para trabalhos futuros
5
Capiacutetulo II
Conceitos Baacutesicos
6
2 ndash CONCEITOS BAacuteSICOS
21 ndash POLIacuteMEROS CONDUTORES
O termo poliacutemero eacute usado para designar macromoleacuteculas formadas pela repeticcedilatildeo
de unidades chamadas de monocircmeros Alguns poliacutemeros ocorrem naturalmente outros satildeo
sintetizados Os poliacutemeros sinteacuteticos tiveram seu grande desenvolvimento no iniacutecio do
seacuteculo 20 poreacutem a grande maioria dos poliacutemeros desenvolvidos nessa eacutepoca era isolante
Na deacutecada de 50 surgiram os primeiros poliacutemeros condutores extriacutensecos que eram
poliacutemeros isolantes incorporados com materiais portadores de cargas eleacutetricas
Nos anos 70 a equipe de Hideki Shirakawa et al [12] do instituto de Tecnologia de
Toacutequio produziu um filme de poliacetileno ([CH]n) de coloraccedilatildeo prateada e que conduzia
corrente depois Shirakawa produziu um outro filme condutor de poliacetileno de
coloraccedilatildeo dourada e com maior condutividade apoacutes dopagem com iodo Apoacutes as primeiras
descobertas vaacuterios outros poliacutemeros condutores foram desenvolvidos A descoberta das
propriedades eleacutetricas do poliacetileno laureou Heeger McDiarmid e Shirakwa com o
precircmio Nobel de quiacutemica em 2000 [12]
Os poliacutemeros condutores tambeacutem satildeo chamados de metais sinteacuteticos por possuiacuterem
propriedades eleacutetricas oacutepticas e magneacuteticas semelhantes aos metais e semicondutores
Os semicondutores orgacircnicos satildeo poliacutemeros cuja estrutura principal eacute composta por
carbono Satildeo semicondutores porque possuem ligaccedilotildees simples e duplas alternadas A
figura 21 mostra a estrutura quiacutemica do condutor orgacircnico poliacetileno cuja estrutura eacute a
mais simples
A sobreposiccedilatildeo de dois niacuteveis eletrocircnicos (orbitais) cria separaccedilotildees nos niacuteveis de
energia formando um orbital ligante (π) e um antiligante (π) que podem ser chamados de
banda de valecircncia e banda de conduccedilatildeo respectivamente Os orbitais podem ser
classificados de duas formas orbital molecular mais baixo desocupado (LUMO) e orbital
molecular mais alto ocupado (HOMO)
Figura 2 1 ndash Estrutura quiacutemica do poliacetileno mostrando as ligaccedilotildees alternadas em
simples e duplas
7
Semelhante aos semicondutores inorgacircnicos os semicondutores orgacircnicos possuem
dois eleacutetrons em cada niacutevel de energia com spin oposto formando ao longo da cadeia os
orbitais π e π com banda similar aos inorgacircnicos [13] Na figura 22 o orbital π
corresponde agrave banda de valecircncia (BV) e o orbital π a banda de conduccedilatildeo (BC)
Em temperatura de 0K todos os estados eletrocircnicos da banda BV estatildeo ocupados
enquanto que os da BC estatildeo desocupados O espaccedilo entre a BC (LUMO) e BV (HOMO) eacute
chamado de Energia de banda proibida (Eg)
Figura 2 2 ndash Formaccedilatildeo da estrutura do condutor poliacetileno (a) Formaccedilatildeo de bandas
distintas pela superposiccedilatildeo de N orbitais (b) aproximaccedilatildeo da banda riacutegida para um nuacutemero
grande de orbitais
22 ndash DISPOSITIVOS FOTOVOLTAICOS ORGAcircNICOS
Os dispositivos fotovoltaicos transformam energia luminosa em energia eleacutetrica
Satildeo divididos em duas classes de acordo com a aplicaccedilatildeo tecnoloacutegica Detectores de luz
como os fotodetectores e fotocondutores e ceacutelulas solares que convertem luz em energia
eleacutetrica [14 15] A conversatildeo da luz solar em energia eleacutetrica nas ceacutelulas solares depende
da geraccedilatildeo de cargas positivas e negativas e da captura das mesmas pelos eletrodos antes
das recombinaccedilotildees dos pares eleacutetrons ndash lacunas
O dispositivo fotovoltaico orgacircnico eacute composto de uma camada ativa
ensanduichada entre dois eletrodos com diferentes funccedilotildees trabalho Para melhor captaccedilatildeo
da luz um dos eletrodos tem que ser transparente Os materiais mais usados como eletrodo
8
transparente satildeo o oacutexido de estanho (TO) o oacutexido de estanho iacutendio (ITO) e oacutexido de
estanho dopado com fluacuteor (FTO) [14] O outro eletrodo pode ser feito de alumiacutenio caacutelcio
ouro prata cobre etc A figura 23 mostra o esquema de um dispositivo fotovoltaico
orgacircnico (ceacutelula solar orgacircnica)
Figura 2 3 ndash Estrutura de uma ceacutelula solar orgacircnica A camada ativa pode compreender
uma ou mais camadas semicondutoras uma mistura de materiais ou a combinaccedilatildeo destas
duas estruturas
Quando a camada ativa eacute iluminada por alguma fonte de luz atraveacutes do eletrodo
transparente a energia luminosa eacute transferida aos eleacutetrons que estatildeo no niacutevel HOMO Os
eleacutetrons absorvem a energia do foacuteton e satildeo promovidos para o niacutevel LUMO criando assim
uma lacuna no niacutevel HOMO O eacutexciton eacute definido como o par eleacutetron-lacuna ligado pela
atraccedilatildeo Coulombiana e eacute chamado de ―eacutexciton Wannier ―[16]
A figura 24 mostra a seccedilatildeo transversal de um dispositivo fabricado da maneira
mais simples contendo uma camada de poliacutemero entre dois eletrodos A aacuterea ativa eacute a
parte da sobreposiccedilatildeo do filme da camada ativa com o filme do eletrodo de contato de
prata Um dos eletrodos deve ser transparente agrave entrada de luz neste caso o FTO
Figura 2 4 ndash Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um dispositivo fotovoltaico feito com uma
camada de poliacutemero entre dois eletrodos
9
O processo de geraccedilatildeo de fotocorrente em dispositivos orgacircnicos fotovoltaicos
segue os seguintes passos mostrados na figura 25
Figura 2 5 ndash Processos envolvidos na geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica em um dispositivo
fotovoltaico orgacircnico
Apesar dos poliacutemeros conjugados apresentarem alto coeficiente de absorccedilatildeo em
torno de 105 cm
-1 somente parte da luz eacute absorvida e seraacute convertida em pares eleacutetrons-
lacunas Esses pares eleacutetrons - lacunas contribuiratildeo para a fotocorrente a qual ainda
depende da espessura da camada ativa polimeacuterica
O comprimento de difusatildeo de um eacutexciton em poliacutemeros conjugados eacute cerca de 10
nm devido a isso a espessura da camada ativa possui influecircncia direta sobre o
funcionamento do dispositivo Dispositivo com camada ativa muito espessa apresenta
resistecircncia agrave movimentaccedilatildeo dos portadores de cargas impedindo que as cargas positivas e
negativas sejam coletadas em seus respectivos eletrodos
Para ter um dispositivo com bom desempenho deve se construir camada ativa na
ordem de dezenas de nanocircmetros Os eacutexcitons devem ser criados nas proximidades das
interfaces do metalcamada ativa (regiatildeo ativa mostrado na figura 24) onde possa existir
maior efeito de alto campo eleacutetrico favorecendo assim a dissociaccedilatildeo dos eacutexcitons [17]
Para haver uma diferenccedila de potencial eacute necessaacuterio que os portadores sejam
coletados pelos respectivos eletrodos antes de se recombinarem A dissociaccedilatildeo do eacutexciton
ocorre em regiatildeo de alto campo eleacutetrico geralmente na interface metal-poliacutemero A figura
26 mostra um diagrama de energia para o dispositivo fotovoltaico orgacircnico sob
iluminaccedilatildeo
10
Figura 2 6 ndash Diagrama de niacuteveis de energia de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico Sob
iluminaccedilatildeo o eleacutetron (e-) eacute jogado para o niacutevel de maior energia LUMO deixando uma
lacuna (h+) no niacutevel de menor energia HOMO (Criaccedilatildeo do eacutexciton) que seratildeo coletados
pelos eletrodos 1 funccedilatildeo trabalho do 1ordm eletrodo (transparente) 2 funccedilatildeo trabalho do
2ordm eletrodo χ eletroafinidade IP potencial de ionizaccedilatildeo e Eg energia do gap
23 ndash CARACTERIZACcedilAtildeO DO DISPOSITIVO FOTOVOLTAICO
Para fazer comparaccedilotildees e caracterizar os dispositivos alguns paracircmetros satildeo
importantes para determinar a eficiecircncia entre os diferentes tipos de camada ativa dos
dispositivos Por meio do espectro dinacircmico ou resposta espectral teremos a eficiecircncia
quacircntica externa (IPCE) Para obterem-se os valores de tensatildeo circuito abeto (VOC)
corrente de curto circuito (ISC) fator de preenchimento (FF) e eficiecircncia de conversatildeo de
potecircncia () foram usados os valores retirados das curvas caracteriacutesticas I ndashV no escuro e
sob iluminaccedilatildeo [18]
231ndash Eficiecircncia quacircntica externa (IPCE)
Para se obter a resposta espectral ou espectro dinacircmico a amostra eacute submetida a
um feixe de luz monocromaacutetica de vaacuterios comprimentos de onda sem a aplicaccedilatildeo de
11
tensatildeo A eficiecircncia quacircntica externa eacute a razatildeo entre a densidade de fotocorrente de curto
circuito (JSC) medida e a intensidade de luz monocromaacutetica que incide sobre a amostra
conforme mostra a equaccedilatildeo 21
IPCE()=
(21)
Onde
JSC eacute a densidade de fotocorrente de curto circuito dada em microAcm2
λ eacute o comprimento de onda em nm
I0 eacute a intensidade de luz incidente em W m2
1024 eacute o fator de conversatildeo de energia em comprimento de onda [18]
Portanto o IPCE eacute um valor de medida de eficiecircncia para os dispositivos
fotovoltaicos
232 ndash Tensatildeo de circuito aberto (VOC) e Corrente de curto circuito (ISC)
Quando os materiais orgacircnicos das camadas ativas satildeo colocados em contato com o
eletrodo inorgacircnico existe um balanceamento de cargas entre os materiais de diferentes
funccedilotildees trabalhos ateacute que o equiliacutebrio seja atingido Nesta situaccedilatildeo haacute um nivelamento dos
niacuteveis de energia de Fermi dos materiais e um campo eleacutetrico intriacutenseco eacute criado na
interface do dispositivo
Em um dispositivo sob iluminaccedilatildeo depois da dissociaccedilatildeo dos eacutexcitons as cargas
satildeo transportadas para os eletrodos pelo campo eleacutetrico intriacutenseco que iraacute aumentar a
energia do eletrodo de menor funccedilatildeo trabalho (1) e diminuir a energia de Fermi do
eletrodo de maior funccedilatildeo trabalho (2) quase atingindo a condiccedilatildeo de banda plana
criando uma diferenccedila de potencial definida como tensatildeo de circuito aberto VOC
A figura 27 mostra o diagrama esquemaacutetico de um dispositivo fotovoltaico A
tensatildeo de circuito aberto VOC pode ser obtida da curva caracteriacutestica IndashV de um dispositivo
sob iluminaccedilatildeo quando a corrente eacute zero
12
Figura 2 7 ndash Diagrama esquemaacutetico do dispositivo fotovoltaico 2 poliacutemero1 no escuro
com o alinhamento dos niacuteveis de Fermi a) e sob iluminaccedilatildeo b) potencial de built-in ( Vbi)
intriacutenseco em temperatura ambiente esta proacuteximo ao valor de tensatildeo
Em temperaturas baixas a iluminaccedilatildeo poderaacute trazer a condiccedilatildeo de banda plana e a
tensatildeo de circuito aberto VOC seraacute igual ao potencial de built in (Vbi) Este potencial eacute
definido como a diferenccedila de funccedilatildeo trabalho entre os eletrodos em temperatura ambiente
pois a condiccedilatildeo de banda plana natildeo eacute totalmente atingida e uma pequena correccedilatildeo deve ser
adicionada ao VOC para obter o Vbi [14]
O valor da corrente eleacutetrica maacutexima que atravessa o dispositivo quando iluminado
sem nenhuma tensatildeo aplicada eacute chamado de corrente de curto circuito (ISC)
Para definir a densidade de fotocorrente (JSC) utiliza-se o valor de ISC dividido pela
aacuterea ativa do dispositivo
233 ndash Curva caracteriacutestica IndashV
Atraveacutes da curva IndashV temos a resposta eleacutetrica do dispositivo fotovoltaico A figura
28 mostra a curva caracteriacutestica IndashV no escuro e sob iluminaccedilatildeo de um dispositivo ideal
fotovoltaico No escuro a curva de resposta eacute semelhante agrave de um diodo retificador quando
a corrente soacute aparece para a tensatildeo direta Sob iluminaccedilatildeo a curva de ISC desce para o
terceiro e quarto quadrante Na polarizaccedilatildeo direta o eletrodo de maior funccedilatildeo trabalho eacute
polarizado positivamente e o de menor funccedilatildeo trabalho eacute polarizado negativamente
[1819]
13
Figura 2 8 ndash Curva caracteriacutestica IndashV de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico no escuro e
sob iluminaccedilatildeo Tambeacutem eacute mostrado o ponto de corrente de curto circuito e tensatildeo de
circuito aberto O retacircngulo pintado indica o fator de preenchimento (FF)
234 ndash Fator de preenchimento (FF) e Conversatildeo de Potencia ()
A quantidade maacutexima de energia eleacutetrica extraiacuteda do dispositivo fotovoltaico eacute
determinada pelo fator de preenchimento (FF) ou seja eacute a razatildeo entre a potecircncia maacutexima
fornecida pelo dispositivo fotovoltaico e a potecircncia nominal do mesmo Na figura 8 o fator
de preenchimento eacute representado pela razatildeo entre as aacutereas do retacircngulo cinza (representa a
potecircncia maacutexima que o dispositivo fornece) pela aacuterea do retacircngulo azul (representa a
potecircncia nominal) Assim a equaccedilatildeo 22 mostra a relaccedilatildeo matemaacutetica para a obtenccedilatildeo do
FF
(22)
Onde Vm e Im satildeo as intersecccedilotildees da curva IndashV com a potecircncia maacutexima do
retacircngulo
14
Para aplicaccedilatildeo de um dispositivo fotovoltaico como ceacutelulas solares um dos focos
de interesse eacute a potecircncia eleacutetrica extraiacuteda que eacute determinada pela eficiecircncia de conversatildeo
de potecircncia () Para encontrar este valor divide-se o valor da potecircncia maacutexima gerada
pela ceacutelula (P) pela potecircncia da luz incidente (Pin) A expressatildeo para o caacutelculo de eacute
mostrada na equaccedilatildeo 23
=
(23)
Onde I0 eacute a intensidade de luz incidente sobre a ceacutelula solar Usando a equaccedilatildeo 22
para calculara o FF temos a equaccedilatildeo 24
(24)
24 ndash POLIacuteMEROS UTILIZADOS
Os poliacutemeros sinteacuteticos satildeo produtos quiacutemicos obtidos sinteticamente que
apresentam cadeias longas e dentre eles podemos encontrar materiais importantes para o
uso em engenharia
As propriedades dos poliacutemeros dependem muito do tipo de monocircmero que o
originaram Outros fatores que influenciam suas propriedades satildeo o tipo de reaccedilatildeo
empregada para sua obtenccedilatildeo e a teacutecnica de preparaccedilatildeo Podemos citar trecircs tipos de reaccedilotildees
a partir das quais se podem produzir um poliacutemero a poliadiccedilatildeo policondensaccedilatildeo e a
modificaccedilatildeo quiacutemica de outro poliacutemero [20]
241 ndash Polistireno (PS)
O PS eacute uma resina termoplaacutestica foi descoberto em 1831 Apesar de ter sido
proposto para uso logo apoacutes sua descoberta demorou a ser colocado no comeacutercio Isto
ocorreu porque a polimerizaccedilatildeo do monocircmero natildeo era controlada e ocorria muito
rapidamente dificultando o carregamento e a estocagem dos monocircmeros A representaccedilatildeo
da estrutura quiacutemica do PS pode ser vista na figura 29 [21]
15
Figura 2 9 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PS (C8H8)n
O PS eacute um dos plaacutesticos mais utilizados no Brasil cuja aplicaccedilatildeo pode se estender a
diversos tipos de utensiacutelios para uso domeacutesticos Em uso na fabricaccedilatildeo de objetos tais
como brinquedos escovas embalagens riacutegidas para cosmeacuteticos no isolamento ao frio na
embalagem de equipamentos em pranchas flutuantes em paineacuteis para a induacutestria
automobiliacutestica e produtos para a induacutestria de eletro-eletrocircnico etc
Suas caracteriacutesticas marcantes satildeo rigidez semelhante ao vidro alta resistecircncia
quiacutemica baixa resistecircncia a solventes orgacircnicos baixa resistecircncia a intempeacuteries boa
condiccedilatildeo de isolamento teacutermico e eleacutetrico relevante sensibilidade agrave luz incolor e
transparente [21] Frente ao calor eacute classificado como termoplaacutestico de uso geral Trata-se
de um poliacutemero de baixo custo e de faacutecil aquisiccedilatildeo No Brasil os principais fabricantes satildeo
a BASF do Brasil que produz o PS com o nome comercial de Plystirol e a Monsanto do
Brasil que o fabrica com o nome comercial de Lustrex Possui temperatura de fusatildeo
cristalina (Tm) 235 degC e temperatura de transiccedilatildeo viacutetrea (Tg) de 100 degC [20]
242 ndash Poli metacrilato de metila (PMAM)
Eacute um poliacutemero amorfo linear sua siacutentese eacute por adiccedilatildeo e requer um centro ativo
como iniciador Possui caracteriacutesticas oacutepticas e mecacircnicas resistentes aos aacutecidos orgacircnicos
[21 22] A representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica pode ser vista na figura 210
16
Figura 2 10 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PMMA (C5O2H8)n
Tambeacutem conhecido como plaacutestico acriacutelico esse termoplaacutestico eacute um poliacutemero
sinteacutetico de origem petroquiacutemica assim como o PS cujas principais caracteriacutesticas satildeo
transparecircncia boa resistecircncia quiacutemica resistente a impactos e a intempeacuteries
Eacute um poliacutemero considerado de baixo custo e de faacutecil aquisiccedilatildeo No Brasil
destacam-se como fabricantes a CP Bahia e a Rohm amp Haas que produzem
respectivamente o Acrigel e o Acryloid
O PMAM eacute usado em placas para sinalizaccedilatildeo de traacutefego em estradas nas induacutestrias
automobiliacutesticas de aviaccedilatildeo e na construccedilatildeo civil Eacute vastamente empregado na fabricaccedilatildeo
de fibras oacutepticas e em eletro-eletrocircnicos aleacutem disso o PMAM tem sido utilizado na
ortopedia desde sua siacutentese Pesquisa na aacuterea da eletrocircnica orgacircnica estaacute sendo
desenvolvida [2223] e tambeacutem na aacuterea da medicina como na esteacutetica e em outras
aplicaccedilotildees na aacuterea da sauacutede [2425]
Possui temperatura de fusatildeo cristalina (Tm) 160 degC e temperatura de transiccedilatildeo viacutetrea
(Tg) de 105 degC[20]
243 ndash Poli(34-Etileno Dioxitiofeno)Poli(Estireno-Sulfonato) (PEDOTPSS)
As pesquisas sobre poliacutemeros condutores tecircm atraiacutedo cientistas e grandes empresas
Ao longo desta deacutecada grandes descobertas foram realizadas em relaccedilatildeo aos poliacutemeros
condutores [26]
Cientistas da Bayer AG [27 28] contribuiacuteram para o desenvolvimento do Poli (34-
etileno dioxitiofeno) (PEDOT) que apresenta propriedades e caracteriacutesticas interessantes
mesmo em seu estado dopado A cadeia principal estaacute representada na figura 211
17
Figura 2 11 ndash Representaccedilatildeo da cadeia principal do PEDOT [28]
O PEDOT possui alta condutividade contudo natildeo eacute soluacutevel em aacutegua Para tornaacute-lo
soluacutevel foi adicionado o poli (estireno sulfonado) (PSS) assim as altas taxas de
condutividade foram perdidas no processo de dopagem Apesar disto a combinaccedilatildeo do
PEDOTPSS ilustrado na figura 212 resultou em um poliacutemero com caracteriacutesticas e
condiccedilotildees favoraacuteveis tornando simples a deposiccedilatildeo dos filmes
O PEDOTPSS eacute apresentado em soluccedilatildeo azul escuro e possui condutividade
maacutexima de 10 S cm (depende da espessura e do processo de confecccedilatildeo do filme) Mostra
alta taxa de absorccedilatildeo luminosa entre 900 nm e 2000 nm [28]
Figura 2 12 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica da interaccedilatildeo entre o PEDOT e PSS [28]
O PEDOTPSS eacute um exemplo de poliacutemero condutor comercial que atraiu usuaacuterios e
pesquisadores em vaacuterios paiacuteses Atualmente existem vaacuterios estudos de dispositivos
orgacircnicos para aplicaccedilotildees em ceacutelulas solares que utilizam o PEDOTPSS [30-32] Seu uso
18
em pesquisas se estende a outros dispositivos orgacircnicos como OLEDs sensores
transistores etc [32 33]
244 ndash Poli (3-hexiltiofeno) (P3HT)
O P3HT eacute um poliacutemero sinteacutetico semicondutor tipo p fabricado e comercializado
pela Aldrichreg possui alto peso molecular Sua estrutura com grades reacutegio-regulares
favorece os estudos para aplicaccedilotildees em ceacutelulas fotovoltaicas orgacircnicas (OPV) Possui
propriedades fotoluminescentes na faixa de comprimento de onda 450 nm e 575 nm [34]
Tambeacutem pode ser combinado com outro tipo de poliacutemeros para aplicaccedilotildees em ceacutelulas
solares [35-37] O transporte de cargas majoritaacuterio eacute de lacunas
A Soluccedilatildeo do P3HT pode ser solubilizada em clorofoacutermio (CHCL3) Aleacutem deste
solvente o P3HT pode ser diluiacutedo em tolueno (C7H8) tri-cloro-benzeno cloro-benzeno e
xyleno soluacutevel A estrutura quiacutemica pode ser vista na figura 213
Figura 2 13 ndash Estrutura quiacutemica do P3HT (C10H18S)n
245 ndash Oacuteleo de Buriti (Mauritia Flexuosa L) ndash OB
A palmeira do buriti (Mauritia flexuosa L) aparece em regiotildees de vaacuterzea e brejo e eacute
comumente encontrada na regiatildeo da Amazocircnia A figura 214 ilustra a foto da palmeira do
buritizeiro Tanto as palmeiras como os frutos satildeo muito utilizados pelas pessoas que
moram nas regiotildees ribeirinhas por exemplo para fazer coberturas de casas com as folhas
ou para extrair a polpa dos frutos para o uso na alimentaccedilatildeo
19
Figura 2 14 ndash Foto da palmeira do Buriti (Mauritia Flexuosa) conhecida como Buritizeiro
[21]
A palmeira do buritizeiro costuma ter altura de ateacute cinquumlenta metros A meacutedia de
frutos colhidos em todos os cachos varia de quinhentos a oitocentos frutos O fruto do
buriti apresenta forma arredondada e eliacuteptica mede aproximadamente de quatro a seis
centiacutemetros de diacircmetro com peso variando entre vinte e cinco a quarenta gramas A
figura 215 ilustra o fruto do buritizeiro tambeacutem pode ser observada a cor amarelada da
polpa
Figura 2 15 ndash Ilustraccedilatildeo dos frutos maduros do Buriti (a) aspecto da casca (b) polpa de
cor amarelada [21]
Estudos desenvolvidos por Moreira et al [38- 40] mostram propriedades oacutepticas de
absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica na faixa do ultravioleta e do visiacutevel solar (UV-VIS)
20
Duratildees et al [39] estudando as soluccedilotildees do OB diluiacuteda em clorofoacutermio observaram
grau de absorccedilatildeo de radiaccedilatildeo UV-VIS na faixa de 245 248 e 276 nm Tambeacutem foram
avaliadas a incorporaccedilatildeo do OB em matrizes de PMAM e PS que apresentaram niacuteveis de
absorccedilatildeo em comprimentos de onda maiores do que 276 nm
A figura 216 mostra os espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo ultravioleta (UV) dos
filmes de PS e PS com OB nas proporccedilotildees estudadas Observa-se nesses espectros que o
filme de PS sem o OB apresenta absorccedilatildeo insignificante nessa regiatildeo do espectro
eletromagneacutetico Esse material mostra uma pequena banda de absorccedilatildeo entre 250 nm Nos
espectros do material polimeacuterico misturado com OB percebe-se um aumento da absorccedilatildeo
da radiaccedilatildeo como consequumlecircncia do aumento do teor de OB nas amostras Esta absorccedilatildeo eacute
indicada por uma banda larga e intensa entre 275 nm e 375 nm que se desloca para
comprimentos de onda maiores agrave medida que a concentraccedilatildeo do oacuteleo aumenta nos
materiais compostos [40]
Figura 2 16 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PS puro e PSOB [40]
A figura 217 mostra os espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes de
PMAM puro e PMAM OB nas proporccedilotildees estudadas O estudo de espectroscopia por
absorccedilatildeo na regiatildeo do UV mostrou que o OB proporcionou uma elevaccedilatildeo de ateacute 400 na
absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo pelo PMAM misturado com OB Este aumento ocorreu regularmente
21
com o teor do dopante exceto para o material com maior percentual do oacuteleo onde
provavelmente a sua maior quantidade tenha dificultado a incorporaccedilatildeo no PMAM
Como consequumlecircncia da incorporaccedilatildeo do OB na matriz de PMAM foi observada
uma banda larga de absorccedilatildeo entre 260 nm e 380 nm que sofreu deslocamento para
comprimentos de onda maiores acompanhando o aumento no teor de oacuteleo das amostras
Nota-se portanto que o comportamento das amostras de PMAM OB eacute semelhante ao dos
materiais PS OB com exceccedilatildeo da inversatildeo de absorccedilatildeo dos filmes feitos com percentuais
do OB de 3455 e 4681 nos filmes de PMAM
Figura 2 17 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PMAM puro e PMAM
OB [40]
22
Capiacutetulo III
Procedimentos Experimentais e
Resultados
23
3 ndash PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS
31 ndash MATERIAIS
Escolheu-se trabalhar com substrato de vidro por que eacute transparente fornece
sustentaccedilatildeo mecacircnica natildeo se degrada com o calor permite a entrada de luz no dispositivo
e possui uma camada condutora com resistecircncia relativamente baixa As resistecircncias das
lacircminas foram medidas com multiacutemetro digital comum e apresentaram um valor em torno
de 41-70 Ω A resistecircncia desses substratos muda de acordo com o processo de
deposiccedilatildeo dos filmes de FTO [41 42] Tambeacutem foram usados substratos flexiacuteveis de
plaacutestico (PET) no tamanho de 2 cm x 3 cm
Os poliacutemeros condutores usados foram o PEDOTPSS e o P3HT Usou-se o PEDOT
PSS para fazer um dos eletrodos O P3HT foi usado misturado com o oacuteleo de buriti para
fazer um tipo de camada ativa Trabalhou-se com misturas de poliacutemeros isolantes PS e
PMAM com OB preparadas no Laboratoacuterio de Poliacutemeros do Instituto de Quiacutemica da UnB
Usou-se misturas com concentraccedilotildees de 8 e 47 de OB na matriz de PS e misturas com
35 de OB na matriz de PMAM conforme descrito por JR Duratildees em [40]
Para fazer o eletrodo superior usou-se a tinta condutora de prata marca INK
SILVER (tinta 100 prata) com pureza da prata 99 e tamanho da partiacutecula de prata 05
a 70 m dissolvidas em solvente e um verniz de alta aderecircncia (NOS002) Em algumas
amostras usou-se tambeacutem o grafite de um laacutepis HB
32 ndash EQUIPAMENTOS UTILIZADOS
321 ndash Multiacutemetros
Para fazer as medidas eleacutetricas diretas de ISC empregou-se o uso do multiacutemetro
analoacutegico ET-3021 porque possuiacutea escala de ateacute micro ampeacutere Para as medidas diretas de
resistecircncia seacuterie e de VOC usou-se o multiacutemetro digital modelo ET-2042C
322 ndash Spin coater
Os filmes finos foram preparados utilizando um conjunto de equipamento que
compotildee o spin coater (Laureal modelo WS- 400B-6NPPLITE) do Laboratoacuterio de
Dispositivo e Circuitos Integrados da UnB (LDCI) mostrado na figura 31
24
Figura 3 1 ndash (a)bomba de vaacutecuo (b) compressor de ar comprimido (c) vaacutelvula de
controle e (d) spin coater
O equipamento de spin coater consiste em um conjunto composto de bomba de
vaacutecuo compressor de ar comprimido regulador de pressatildeo e o spin coater que possui
compartimento feito de teflon Acoplado ao spin coater haacute um display de cristal liquido
(LCD) para visualizaccedilatildeo dos programas realizados
Tem-se ateacute 20 programas de processamentos (A ateacute T) contendo ateacute 51 etapas cada
um que podem ser armazenados definitivamente na memoacuteria caso haja possibilidade de
modificar o programa posteriormente Cada etapa do programa inclui tempo total de
duraccedilatildeo da deposiccedilatildeo velocidade de rotaccedilatildeo do substrato em rpm e
aceleraccedilatildeodesaceleraccedilatildeo Satildeo possiacuteveis rotaccedilotildees de ateacute 11000 rpm
Na figura 32 haacute uma foto mostrando a lateral e parte da frente do compartimento
onde o substrato eacute colocado no momento da centrifugaccedilatildeo Ao lado do spin coater pode ser
visualizado o display de LCD programaacutevel acoplado
25
Figura 3 2 ndash Equipamento de spin coater instalado no laboratoacuterio LDCI vista lateral e
frontal
323 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores (Curva IndashV)
As curvas IndashV das amostras foram obtidas com um sistema de caracterizaccedilatildeo de
semicondutores Keithley modelo 2400 mostrado na figura 33 o qual permite aplicar
tensotildees entre 1 μV e 1100 V e medir a corrente entre 10 pA e 105 A
Figura 3 3 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores Keithley 2400 laboratoacuterio
LDCI
26
Todo o processo de medidas eacute controlado atraveacutes de um microcomputador que eacute
conectado aos equipamentos atraveacutes de uma interface paralela (General Purpose Interface
Bus (GPIB) que controla os equipamentos coleta e armazena os dados O programa usado
para este fim eacute o software LABVIEW 61
324 ndash Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM)
A caracterizaccedilatildeo morfoloacutegica dos filmes das camadas ativas foi obtida em um
equipamento de medidas de microscopia de forccedila atocircmica AFM marca VEECO DInnova
(figura 34) com ponteira de nitrato de siliacutecio (forma em V) com constante de mola de
058 Nm Todas as imagens foram obtidas em modo contato (512 x 512 pixel) e taxa de
varredura de 1 Hz
Figura 3 4 ndash Vista frontal do AFM marca VEECO Innova
27
Os filmes caracterizados por AFM consistiram em camadas ativas feitas com
soluccedilotildees de PS puro PSOB 47 PMAM puro PMAMOB 35 P3HTOB puro e
P3HT PS OB 47 depositadas sobre substrato de vidro recoberto com FTO por spin
coating e com rotaccedilatildeo de 7000 rpm por 40 segundos
33 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS I
331 ndash Experimentos Etapa 1
Nesta etapa utilizou-se a metodologia adaptada a partir da descriccedilatildeo da montagem da
ceacutelula solar de Graumltzel [43] Essa ceacutelula eacute tambeacutem conhecida como ceacutelula solar de corante
Nessa ceacutelula a geraccedilatildeo de energia eacute produzida por um efeito eletroquiacutemico [44] Para cada
amostra foram usadas duas lacircminas de vidro tamanho 1 cm x 25 cm recoberto com FTO
Os substratos foram utilizados conforme retirados das embalagens ou seja natildeo passaram
por nenhum tipo de limpeza
3311 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo dos eletrodos
Para um dos eletrodos usou-se o grafite que foi obtido a partir de um laacutepis para
desenho HB No lado do substrato contendo o FTO pintou-se a lacircmina com o laacutepis Para o
outro eletrodo foi usado uma soluccedilatildeo PEDOT PSS As amostras foram confeccionadas
manualmente e as deposiccedilotildees foram feitas com pincel comum A soluccedilatildeo de PEDOT PSS
ficou agitando durante 2 horas antes da deposiccedilatildeo sobre o substrato a fim de obter-se uma
soluccedilatildeo mais homogecircnea Devido o filme de PEDOTPSS ser espesso o processo de
secagem a temperatura ambiente foi demorado Assim apoacutes a pintura se fez necessaacuterio a
secagem das amostras na estufa durante 8 horas a 80 ordmC e para concluir o processo
ficaram em temperatura ambiente por mais 24 horas
3312 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo da camada ativa
Antes de fazer a deposiccedilatildeo do filme da camada ativa de PSOB 8 a mistura foi
agitada durante 30 minutos com intuito de obter-se uma dissoluccedilatildeo completa da soluccedilatildeo
28
Sobre o eletrodo de PEDOTPSS foi depositada por casting uma quantidade da soluccedilatildeo de
PSOB 8
3313 ndash Formaccedilatildeo do dispositivo
Para formar o dispositivo as duas lacircminas de vidro foram juntadas uma com
grafite e a outra com PEDOTPSS e a camada ativa de PSOB 8 As duas foram juntadas
antes que a camada ativa estivesse seca de modo a ajudar na colagem das mesmas Para
garantir a uniatildeo fiacutesica das lacircminas foi usado um clipe conforme mostrado na figura 35 A
aacuterea ativa eacute da ordem de 1 cm2
Figura 3 5 ndash Amostras confeccionadas com duas lacircminas de substrato de vidro
recoberto com FTO baseada no modelo de Graumltzel
3314 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
A fonte de iluminaccedilatildeo utilizada na caracterizaccedilatildeo dos dados experimentais e
resultados I consistiu em uma lacircmpada incandescente comum de 100 W ligada em seacuterie
com um varivolt de 240 volts
Foram feitas quatro amostras (CS1 CS2 CS3 e CS4) da forma como descrito
acima As medidas eleacutetricas foram tomadas usando-se dois multiacutemetros um digital e outro
analoacutegico As amostras foram iluminadas com a lacircmpada incandescente de 100 W e foram
observados valores de ISC e VOC nos multiacutemetros a partir de uma tensatildeo de 240 volts na
lacircmpada Todas as amostras ficaram expostas durante aproximadamente 5 minutos Os
valores de ISC e VOC obtidos satildeo mostrados na tabela 31
29
Tabela 3 1 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W) Tensatildeo da
lacircmpada
CS1 mdash mdash mdash 240
CS2 03 09 027 240
CS3 06 05 030 240
CS4 02 01 020 240
3315 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Pode-se observar o aparecimento de VOC e tambeacutem de ISC em trecircs das amostras
confeccionadas com tensatildeo de alimentaccedilatildeo na fonte de iluminaccedilatildeo de 240 volts Os
valores de VOC e ISC satildeo um pouco diferentes entre as trecircs amostras apesar de elas terem
sido confeccionadas seguindo os mesmos procedimentos Isto pode ter sido devido agrave
dificuldade em se controlar a espessura das camadas ativas Os resultados obtidos para VOC
e ISC satildeo menores do que os reportados na literatura [4344] Contudo os materiais usados
satildeo diferentes dos relatados na literatura Neste dispositivo o OB estaacute se comportando
como um corante e promovendo o processo eletroquiacutemico de transformaccedilatildeo de energia
luminosa em energia eleacutetrica Assim uma mudanccedila na concentraccedilatildeo de oacuteleo poderaacute
modificar os resultados obtidos ateacute aqui
332 ndash Experimentos Etapa 2
3321 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras
Na segunda etapa foram confeccionadas quatro amostras (CS5 CS6 CS7 e CS8)
utilizando a mesma metodologia do experimento da Etapa 1 mudando apenas a
concentraccedilatildeo do OB de 8 para 47 No lugar do clipe para unir as duas lacircminas usou-se
fita adesiva
3322 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
As medidas das amostras foram realizadas usando os mesmos equipamentos jaacute
citados e descritos anteriormente Duas destas amostras natildeo tiveram medidas de ISC nem
30
VOC Para as demais soacute foram observadas medidas de VOC e ISC apoacutes a tensatildeo da lacircmpada
atingir 200 volts Todas as amostras ficaram expostas durante 5 minutos Os valores de ISC
e VOC obtidos satildeo mostrados na tabela 32
Tabela 3 2 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W) Tensatildeo da
lacircmpada
CS5 ndash ndash ndash 240
CS6 18 09 162 240
CS7 ndash ndash 240
CS8 09 03 027 240
3323 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Os valores de VOC e ISC obtidos nesta etapa satildeo maiores que os obtidos na Etapa1
Isto pode estar relacionado ao efeito corante do OB Nesta etapa mudou-se a concentraccedilatildeo
de 8 de OB para 47 de OB esse paracircmetro foi o uacutenico a ser mudado entre as duas
etapas Estas amostras bem como as da Etapa 1 natildeo puderam ter seus valores de VOC e ISC
medidos novamente porque as amostras descolavam os eletrodos danificando os
dispositivos Assim estas estruturas natildeo foram repetidas
333 ndash Experimentos Etapa 3
Nesta etapa mudou-se o tipo de substrato e a configuraccedilatildeo das amostras A
configuraccedilatildeo de construccedilatildeo baseada na estrutura dos dispositivos desenvolvidos por
Graumltzel natildeo foi mais usada O substrato de vidro foi substituiacutedo por um substrato de
plaacutestico de Poli (Tereftalato de Etila) (PET) a fim de desenvolver amostras flexiacuteveis e de
menor custo As camadas ativas tiveram a concentraccedilatildeo do OB de 47 O substrato de
PET foi limpo com clorofoacutermio acetona e aacutegua deionizada Apoacutes o processo de limpeza os
substratos foram secos a temperatura ambiente por 2 horas Para substituir a camada
condutora de FTO e construir um dos eletrodos utilizou-se leit-C e leit-C diluente
adquirido da FLUKA esses dois elementos produzem a pasta de carbono O PEDOTPSS
31
foi utilizado para formar um filme sobre o eletrodo de carbono E por uacuteltimo foi usada a
Ag para fazer o eletrodo superior
3331 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras
Com o substrato recortado no tamanho de 2 cm x 3 cm inicia-se o processo de
limpeza As folhas de PET foram imersas em clorofoacutermio durante 30 minutos em soluccedilatildeo
de acetona por mais 30 minutos e por ultimo foram enxaguadas com aacutegua deionizada O
processo de secagem foi realizado em temperatura ambiente dentro da estufa
A pasta de carbono foi preparada para ser o eletrodo inferior Essa foi espalhada
manualmente com ajuda de uma espaacutetula sobre toda a folha do PET Com o substrato
preparado e tendo a superfiacutecie recoberta com um filme de carbono jaacute seco a soluccedilatildeo de
PEDOT PSS foi pintada sobre o filme de carbono com um pincel de cerdas macias
comum Antes da deposiccedilatildeo a soluccedilatildeo de PEDOT PSS foi agitada durante 2 horas
Apoacutes a pintura do filme de PEDOTPSS as amostras foram colocadas na estufa agrave
temperatura de 50 degC durante 8 horas e permaneceram por mais 24 horas em temperatura
ambiente dentro da estufa A camada ativa foi depositada usando uma pipeta contendo 001
uL de PSOB 47 Para formar o contato inferior uma pequena parte do filme de
PEDOTPSS foi deixado visiacutevel
Apoacutes a deposiccedilatildeo da camada ativa as amostras ficaram em temperatura ambiente
por 24 horas para concluir o processo de secagem O eletrodo superior foi pintado com
tinta de Ag sobre uma pequena aacuterea da camada ativa A secagem do eletrodo superior foi
em temperatura ambiente A aacuterea ativa destas amostras eacute da ordem de 05 cm2 A figura 36
a) mostra o esquema final da amostra e a figura 36 b) uma foto do dispositivo finalizado
Figura 3 6 ndash (a) Esquema da amostra confeccionada no substrato flexiacutevel de plaacutestico
(PET) (b) foto do substrato finalizado
32
3332 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
Nesta etapa foram confeccionadas cinco amostras chamadas de P1 P2 P3 P4 e
P5 As medidas eleacutetricas foram realizadas usando os equipamentos jaacute descritos nas etapas
anteriores Os valores de VOC e ISC foram medidos apoacutes a tensatildeo da lacircmpada atingir 200
volts Todas as amostras ficaram expostas sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada durante cinco
minutos As amostras tiveram as resistecircncias medidas Pois os substratos utilizados aqui
eram isolantes e o filme condutor foi construiacutedo manualmente As resistecircncias das
amostras satildeo mostradas na tabela 33 juntamente com os valores de ISC VOC e potecircncia
calculada
Todas as amostras apresentaram valores de VOC e ISC para tensatildeo de iluminaccedilatildeo da
lacircmpada acima de 220 volts exceto a amostra P4 A amostra P4 mostrou valores
mensuraacuteveis de VOC e ISC a partir de iluminaccedilatildeo da lacircmpada com tensatildeo de 110 volts Os
valores desta variaccedilatildeo satildeo mostrados na tabela 34
Tabela 3 3 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (W) Tensatildeo da
Lacircmpada
Resistecircncia
Ohms
P1 ndash ndash ndash 240 540
P2 09 01 09 240 890
P3 15 07 105 240 550
P4 09 06 054 240 1500
2000 P5 24 09 216 240
Tabela 3 4 ndash Valores medidos de VOC e ISC com iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W para variaccedilatildeo de iluminaccedilatildeo para a amostra P4
Variaccedilatildeo das tensotildees VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W)
110 04 01 04
160 06 02 012
220 07 03 021
240 09 06 054
33
3333 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Na tabela 33 natildeo foi observada nenhuma ligaccedilatildeo direta dos valores de ISC e VOC
com as resistecircncias medidas das amostras Em relaccedilatildeo agraves amostras feitas nas Etapas 1 e 2
pode-se notar valores de ISC e VOC maiores
Foi observado que em todas as amostras confeccionadas no substrato de PET apoacutes
alguns minutos de aquecimento pela fonte de luz (lacircmpada de 100 w) as amostras se
deformavam Agrave medida que os testes eram repetidos as amostras se retorciam e em
algumas amostras os filmes ressecaram e se soltaram dos substratos Apesar destes
comportamentos ao se repetir os testes os valores de VOC e ISC permaneciam inalterados
para as amostras que os filmes natildeo estavam completamente rompidos A figura 37
apresenta a foto de uma amostra apoacutes ser submetida agrave fonte iluminaccedilatildeo de lacircmpada
incandescente de 100 W por 20 minutos Devido aacute sua deformaccedilatildeo e degradaccedilatildeo com o
calor este tipo de substrato foi descartada
Figura 3 7 ndash Amostra feita com substrato de PET apoacutes ser submetidos agrave fonte de lacircmpada
incandescente de 100 W por 20 minutos
334 ndash Experimentos Etapa 4
Devido ao retorcimento e agrave deterioraccedilatildeo das amostras confeccionadas com
substrato de PET nesta etapa voltou-se a utilizar o substrato de vidro recoberto com FTO
A prata foi usada para construir o eletrodo superior das amostras Para a camada ativa
continuou-se com uso do PSOB 47 Seguindo o mesmo esquema utilizado anteriormente
34
para confecccedilatildeo das amostras de PET mudou-se apenas o substrato O esquema do
dispositivo pode ser visto na figura 38
3341 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras
As resistecircncias dos substratos de vidro de 1 cm x 25 cm estatildeo entre 89 a 115 Ω
Os substratos foram limpos com clorofoacutermio acetona e aacutegua deionizada
Apoacutes o processo de limpeza todos os substratos foram secos a temperatura
ambiente por 2 horas
O eletrodo de PEDOTPSS foi pintado sobre o filme de FTO do substrato Em
seguida as amostras foram colocadas na estufa a 80 degC durante 24 horas
Apoacutes a secagem da camada de PEDOTPSS foi realizada a deposiccedilatildeo da camada
ativa com o auxilio de uma pipeta contendo 001 ml de soluccedilatildeo de PSOB 47 O
processo de secagem foi em temperatura ambiente por 24 horas
Por uacuteltimo foi feito o contato superior de tinta de Ag sobre a camada ativa de PS
OB 47 utilizando um pincel fino de cerdas comuns A aacuterea ativa foi estimada e ficou em
torno de 025 cm2 A figura 38 a) mostra o esquema que foi usado para confeccionar as
amostras e a figura 38 b) ilustra a amostra finalizada
Figura 3 8 ndash (a) Esquema da amostra para substrato de vidro recoberto com FTO (b) foto
da amostra finalizada
3342 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
Nesta etapa foram confeccionadas 10 amostras que foram nomeadas de v1 v2 v3
v4 v5 v6 v7 v8 v9 e v10 A tabela 35 mostra os valores daquelas que apresentaram
melhores desempenhos de VOC e ISC As medidas eleacutetricas foram realizadas usando os
equipamentos jaacute descritos nas etapas anteriores As medidas obtidas satildeo inferiores agravequelas
jaacute conseguidas nos itens anteriores Valores de VOC e ISC significativos ocorreram apoacutes a
tensatildeo da lacircmpada atingir 220 volts Todas as amostras ficaram expostas sob a luz da
lacircmpada durante 10 minutos As amostras foram iluminadas atraveacutes do vidroFTO
35
Tabela 3 5 ndash Valores de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo de lacircmpada incandescente de 100 W
durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W) Tensatildeo lacircmpada
v3 06 02 012 240
v5 05 01 050 240
v7 11 09 099 240
3343 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Apesar das amostras terem sido feitas seguindo os mesmos procedimentos os
valores de VOC e ISC obtidos satildeo diferentes Isto pode ter ocorrido devido agraves diferenccedilas nas
espessuras das camadas ativas que natildeo puderam ser controladas e tambeacutem no tamanho das
aacutereas ativas que podem ser levemente diferentes Aqui natildeo se pode falar em comparaccedilatildeo
com as outras amostras feitas anteriormente porque a aacuterea da camada ativa foi bastante
reduzida e as estruturas satildeo diferenciadas Desta forma os valores obtidos mesmo
menores ainda satildeo vaacutelidos
34 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS II
341 ndash Misturas usando P3HT
Nesta etapa foi proposto um estudo sobre diferentes misturas para a construccedilatildeo das
camadas ativas sempre incorporando o uso do OB Tipos de camadas ativas utilizadas
PSOB 47 P3HT+OB puro e PSOB 47 + P3HT
Para os trecircs tipos de dispositivos aqui investigados foi usado substrato de vidro
recoberto com FTO sobre o qual foi depositado por spin coating um filme de
PEDOTPSS que serviu como eletrodo inferior As camadas ativas foram depositadas
sobre o eletrodo de PEDOTPSS usando a teacutecnica de spin coating O eletrodo superior foi
pintado com tinta condutiva de Ag A figura 38 mostra o esquema do dispositivo que foi
utilizado para a confecccedilatildeo destas amostras
Para as medidas diretas de VOC e ISC foram usados dois tipos de iluminaccedilatildeo
artificial com lacircmpada de mercuacuterio Spektrallamp 80 W e iluminaccedilatildeo natural solar
36
342 ndash Experimentos Etapa 1
Nas etapas anteriores os filmes das amostras foram produzidos manualmente por
casting mas os resultados obtidos nas medidas iniciais natildeo foram satisfatoacuterios A fim de
buscar melhores resultados e tendo jaacute disponiacutevel no laboratoacuterio o equipamento de spin
coater para produzir filmes mais finos e homogecircneos a metodologia de confecccedilatildeo dos
filmes foi mudada Os filmes finos foram preparados em rotaccedilotildees variadas a fim de se
obter um filme adequado
3421 ndash Preparaccedilatildeo dos filmes por spin coater
Para preparar o primeiro grupo de amostras usaram-se substratos de vidro
recobertos com FTO Todos os substratos foram lavados em aacutegua deionizada e colocados
em estufa a 80degC para secar Para fazer o filme de PEDOTPSS inicialmente foi usada
rotaccedilatildeo de 500 rpm durante 25 segundos para espalhar a soluccedilatildeo uniformemente em todo
o substrato em seguida usou-se uma rotaccedilatildeo de 3000 rpm durante 40 segundos para
finalizar a confecccedilatildeo do filme
O filme de PEDOTPSS obtido dessa forma ficou bastante fino de modo que a
amostra saia do spin coater quase seca A fim de eliminar-se qualquer vestiacutegio do
solvente que no caso do PEDOT PSS usou-se agrave aacutegua as amostras foram colocadas na
estufa em temperatura de 50 degC por 1 hora Antes de depositar a camada ativa uma parte
do filme de PEDOTPSS foi protegido com fita onde foi construiacutedo o eletrodo inferior
Foram preparados trecircs tipos de soluccedilotildees para formar a camada ativa A primeira foi
uma soluccedilatildeo jaacute preparada de PS OB 47 no LABPOL do instituto de Quiacutemica UnB [41]
A segunda uma mistura de PS OB 47 mais o P3HT na proporccedilatildeo de 11 e a terceira foi
uma soluccedilatildeo de 1 ml de P3HT com 001 ml de OB puro As trecircs soluccedilotildees foram agitadas
durante 2 horas antes de serem depositadas por spin coating Os filmes da camada ativa
foram feitos com rotaccedilatildeo de 4000 rpm durante 40 segundos
Como o clorofoacutermio eacute um solvente que tem evaporaccedilatildeo raacutepida a deposiccedilatildeo da
camada ativa foi feita com o substrato jaacute girando no spin coater A deposiccedilatildeo foi realizada
com ajuda de uma pipeta As secagens das camadas ativas foram em temperatura ambiente
dentro da estufa para proteger as amostras de impurezas tais como poeira e contaminaccedilotildees
em geral
37
Por fim foi pintado no topo das amostras o eletrodo de Ag Foram construiacutedas duas
geometrias para se observar a influecircncia na quantidade de cargas coletadas e tambeacutem a
influecircncia do tamanho da aacuterea ativa As geometrias satildeo mostradas nas figuras 39 (a) e 39
(b)
Figura 3 9 ndash (a) Geometria do eletrodo de Ag confeccionado em forma de ponto e (b)
geometria do eletrodo de Ag feito em forma de trilhas
3422 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W
A fonte de iluminaccedilatildeo utilizada na caracterizaccedilatildeo dos dados experimentais e
resultados II consistiu em uma lacircmpada Hg spektrallamp de 80 W ligada a uma fonte de
alimentaccedilatildeo DROSSEL FUumlR SPEKTRALLAMP POWER SUPPLY FOR SPECTRAL
LAMPS
As medidas eleacutetricas das amostras foram realizadas usando os mesmos
equipamentos jaacute citados nos dados experimentais e resultados I
Cada amostra ficou exposta agrave radiaccedilatildeo direta da lacircmpada de Hg aproximadamente
por 5 minutos Para estas medidas natildeo foram considerados interferecircncia acircngulo de
inclinaccedilatildeo da amostra ou da lacircmpada Os valores de VOC e ISC obtidos para os dois tipos de
contatos para as geometrias desenhadas em forma de ponto e em trilha satildeo mostrados nas
tabelas 36 e 37 respectivamente
38
Tabela 3 6 ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito com um ponto de
prata Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PSOB 47 02 001 2
OB puroP3HT 06 002 12
PSOB 47P3HT 06 002 12
Tabela 3 7ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito de prata em forma de
trilhas com concentraccedilatildeo em um ponto Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PSOB 47 12 006 72
OB puroP3HT 11 005 55
PSOB 47P3HT 11 005 55
3423 ndash Caracterizaccedilatildeo com luz solar direta
As amostras com geometria de contato em forma de trilhas foram escolhidas para
serem caracterizadas pela luz solar direta Pois este grupo de amostra apresentou melhores
desempenhos quando submetidas agrave luz da lacircmpada espectral de Hg em relaccedilatildeo agraves amostras
confeccionadas com eletrodos em forma de ponto As medidas foram realizadas em dia de
sol intenso nos horaacuterios entre onze horas e doze horas Para realizar estas medidas foi
utilizada uma lente convergente [45] Isso foi feito para concentrar os raios solares sobre as
amostras Todas as amostras deste grupo ficaram expostas por aproximadamente 5 minutos
cada Os resultados satildeo mostrados na tabela 38
Tabela 3 8 ndash Resultados obtidos das medidas de VOC e ISC usando luz solar direta durante
5 minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PSOB 47 22 002 44
OB puroP3HT 18 002 36
PSOB 47P3HT 17 001 17
39
3423 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Para as amostras com contato de prata com a geometria desenhada em forma de
trilhas foram observados valores de VOC e ISC maiores do que aqueles com contato de
prata desenhado em forma de ponto Isto indica que realmente a geometria das trilhas
favorece a coleta das cargas geradas Neste caso tambeacutem existe uma aacuterea ativa maior o
que contribuiu para uma maior absorccedilatildeo da luz e consequumlentemente um aumento na
quantidade de cargas
As amostras com a camada ativa de PSOB 47 mostraram VOC e ISC superiores agraves
outras que continham a mistura do P3HT em sua camada ativa
Quando as amostras foram submetidas agrave luz solar direta houve um aumento
significativo de VOC contudo tivemos valores de ISC reduzidos em relaccedilatildeo aos valores
obtidos com a iluminaccedilatildeo da lacircmpada Hg Isto pode ser devido ao calor gerado pelo sol
que promoveu um espalhamento das cargas Pode-se notar que a potecircncia fornecida
tambeacutem diminuiu quando a luz solar foi usada como fonte de luz para caracterizaccedilatildeo das
amostras
343 ndash Experimentos Etapa 2
Para fazer uma investigaccedilatildeo em funccedilatildeo da espessura da camada ativa foram
confeccionadas novas amostras Continuou-se o uso dos trecircs tipos de soluccedilotildees para as
camadas ativas PSOB 47 OB puro+P3HT e PSOB 47 +P3HT Com a teacutecnica de
spin coating quanto maior a velocidade de rotaccedilatildeo menores satildeo as espessuras dos filmes
Para se obter filmes com espessuras adequadas os seguintes paracircmetros devem ser
observados viscosidade da soluccedilatildeo velocidade de rotaccedilatildeo e tempo de rotaccedilatildeo
3431 ndash Preparando novas amostras
Nesta etapa utilizou-se apenas rotaccedilatildeo de 3000 rpm para confeccionar o filme de
PEDOTPSS A deposiccedilatildeo foi feita com o auxiacutelio de uma conta gotas sendo que para cada
filme foram usadas duas pequenas gotas (001ml) Essa quantidade de soluccedilatildeo foi
suficiente para conseguir um espalhamento satisfatoacuterio e obter um filme fino e uniforme
Depois da deposiccedilatildeo os substratos satildeo colocados na estufa a 100 degC durante 15 minutos
para concluir o processo de secagem
40
Os trecircs tipos de camadas ativas foram preparadas seguindo o procedimento citado
na etapa 1 dos dados experimentais e resultados II Para esse grupo de amostra foi usado
um programa para o espalhamento do filme da camada ativa com uma rotaccedilatildeo fixa de 6000
rpm durante 25 segundos
Para depositar a mistura da camada ativa usou-se uma pipeta com 01 ml de
soluccedilatildeo Primeiramente depositou-se a mistura e em seguida colocou-se o spin coater
para girar atraveacutes do programa de rotaccedilatildeo previamente programado Esse procedimento
garante a uniformidade do filme As amostras foram levadas para a estufa a 100 degC por 20
minutos
O eletrodo superior foi pintado agrave matildeo O esquema usado para a confecccedilatildeo dos
dispositivos e a foto de uma amostra satildeo mostrados na figura 310 As amostras foram
confeccionadas seguindo o esquema mostrado na figura 310 (b) Todas as amostras deste
grupo tiveram um desenho semelhante ao da foto da figura 310 (a) Pois existem
variaccedilotildees nas espessuras dos contatos de Ag pois foram feitos a matildeo livre e sem muito
controle Isso pode ser um problema pois este eleacutetrodo pode aumentar a resistecircncia da
amostra fazendo diminuir as correntes coletadas das cargas geradas pelo dispositivo
Figura 3 10 ndash (a) Foto da amostra (b) Estruturas das camadas dos dispositivos das
novas amostras
41
3431 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W
Usou-se para este grupo de amostras os mesmos procedimentos de caracterizaccedilotildees
para as medidas de o VOC e ISC descrito na etapa 1 dos dados experimentais e resultados II
Para cada medida as amostras ficaram expostas sob o feixe de luz da lacircmpada de Hg que
foi focalizada diretamente na aacuterea ativa por aproximadamente cinco minutos
A aacuterea ativa foi estimada em torno de 05 cmsup2 Foram confeccionadas nove
amostras e os valores de VOC e ISC das amostras que apresentaram melhores desempenhos
satildeo apresentadas na tabela 39
Tabela 3 9 ndash Medidas de VOC e ISC para amostras iluminadas pela lacircmpada Hg 80 W
aproximadamente cinco minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) P (nW)
PS OB 47 21 009 189
OBP3HT 18 002 36
PSOB 47P3HT 17 001 17
3433 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar direta
O mesmo grupo de amostras foi exposto sob luz solar direta em horaacuterio de sol
intenso entre onze horas e doze horas Todas as amostras tiveram um tempo de exposiccedilatildeo
de aproximadamente cinco minutos Os valores de VOC e ISC medidos podem ser vistos na
tabela 310 Nestes experimentos a lente convergente tambeacutem foi utilizada Poreacutem natildeo
foram observados acircngulos de incidecircncia e nem mudanccedila da irradiaccedilatildeo solar As medidas de
VOC e ISC foram realizadas em dia de sol forte e sempre no mesmo horaacuterio A figura 311
mostra como as medidas foram realizadas Para concentrar os raios solares usou-se uma
lente de aumento As medidas foram aferidas com uso de multiacutemetro digital descrito
anteriormente com cabos e garras de jacareacute comuns
42
Figura 3 11 ndash Ilustraccedilatildeo do experimento realizado com uma amostra tendo o contato
desenhado com a geometria em forma de trilhas camada ativa de PS OB 47
Para manter um padratildeo para todas as medidas a distacircncia entre a lente e a amostra
foram padronizadas a fim de que a intensidade de luz solar concentrada sobre cada
dispositivo fosse aproximadamente agrave mesma
Tabela 3 10 ndash Valores de VOC e ISC para amostras iluminada sob luz solar direta expostas
durante cinco minutos cada
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PS OB 47 62 009 558
OBP3HT 33 003 99
PSOB 47P3HT 25 002 50
3434 ndash Curva caracteriacutestica de corrente versus tensatildeo aplicada (IndashV)
A partir desta etapa as caracterizaccedilotildees eleacutetricas dos dispositivos tambeacutem foram
realizadas atraveacutes das medidas das curvas IndashV As medidas foram realizadas no escuro e
sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio Para estes experimentos foram usados os trecircs tipos de
camadas ativas jaacute mencionadas para confeccionar os dispositivos
Os experimentos das medidas foram realizados em sala com temperatura e pressatildeo
atmosferica ambiente e iluminaccedilatildeo de lacircmpadas comuns Tambeacutem foram realizados testes
43
usando a lacircmpada de Hg iluminando diretamente a parte superior da amostra Contudo
natildeo foram observadas mudanccedilas significativas nas medidas para este grupo de amostras
Figura 3 12 ndash Ilustraccedilatildeo da polarizaccedilatildeo direta para amostras com P3HT e gota de
PEDOTPSS para medidas das curvas (IndashV)
Para evitar que a agulha perfurasse o filme fino de PEDOTPSS e atingisse o filme
de FTO uma gota mais espessa de PEDOTPSS foi colocada sobre o filme no ponto onde
a agulha fazia o contato conforme mostra a figura 312
As amostras foram submetidas a uma tensatildeo que variou de um valor maacuteximo a um
valor miacutenimo com passo conhecido e constante de 002 Com os dados coletados nesse
experimento os graacuteficos de corrente versus tensatildeo aplicada foram gerados Este graacutefico eacute
conhecido como curva caracteriacutestica do dispositivo Os resultados obtidos satildeo mostrados
nas figuras 313 314 e 315 foram obtidas sob iluminaccedilatildeo comum do laboratorio LDCI
A figura 313 mostra a curva caracteriacutestica do dispositivo com a camada ativa de
PSOB 47 A iluminaccedilatildeo foi realizada com a lacircmpada do equipamento Keither 2400 e
iluminaccedilatildeo ambiente do laboratoacuterio LDCI (ambas satildeo luz branca) Para polarizaccedilatildeo direta
de -2 a 2 V foram observados valores de VOC de 09 volts enquanto que a corrente de 003
A foi negativa
A figura 314 mostra a curva IndashV para amostra com camada ativa usando
P3HT+OB puro Para essa amostra os valores de VOC = 002 V e ISC 0013 A foram
obtidos
A figura 315 mostra a curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PSOB
47 +P3HT Os valores de VOC = 11 V e ISC 00124 A foram observados neste graacutefico
44
Figura 3 13 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47 Corrente e
tensatildeo observadas 003 uA e 09 Volts respectivamente
Figura 3 14 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de OB puro + P3HT Corrente
e tensatildeo observadas 0013 uA e 002 Volts respectivamente
45
Figura 3 15 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47+P3HT
Corrente e tensatildeo observadas 0012 uA e 11 volts respectivamente
3435 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Aqui jaacute eacute possiacutevel notar um progresso nas medidas em relaccedilatildeo agraves amostras das
etapas anteriores que possuiacuteam camada ativa mais espessa Os valores de VOC e ISC obtidos
com o multiacutemetro digital foram maiores para os dois tipos de iluminaccedilotildees lacircmpada Hg e
luz solar Estes resultados podem ser observados nas tabelas 39 e 310 Os resultados
mostram que o comportamento das amostras com camada ativa de PSOB 47
apresentaram melhores resultados Nota-se que a potecircncia fornecida pelas amostras
iluminadas pela luz solar natural eacute significantemente maior que quando iluminadas pela
lacircmpada de Hg
Nas amostras confeccionadas com blenda de OB puro+P3HT e PSOB 47
+P3HT foram observados resultados semelhantes tanto para VOC quanto para ISC
As trecircs amostras apresentaram comportamento distinto sendo que a amostra com
camada ativa feita com o PSOB 47 o resultado eacute mais parecido com o efeito
fotovoltaico e por isso eacute mais relevante
46
Para as proacutexinas amostras natildeo seraacute mais empregado o uso do P3HT Pois como foi
mostrado nos resultados seu uso natildeo favoreceu melhoras nas medidas Apesar dos
resultados apresentados e conseguidos ateacute aqui serem pequenos ainda assim podem ser
considerados satisfatoacuterios e promissores Pois se trabalhou com materiais novos e estaacute
empregando poliacutemeros isolantes de baixo custo usando oacuteleo vegetal como dopante
Reforccedilando a motivaccedilatildeo para o uso destes materiais no desenvolvimento em dispositivos
fotovoltaicos orgacircnicos
35 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS III
351 ndash Experimentos Etapa 1
Nesta etapa as pesquisas foram centralizadas em misturas de poliacutemeros isolantes
dopados com OB Aleacutem da mistura do PS com OB estudado anteriormente tambeacutem foi
incorporado agrave pesquisa a mistura do PMAM com OB Estudos recentes de Duratildees et al [8]
sobre a absorccedilatildeo de luz destes materiais na faixa de ultravioleta e luz visiacutevel mostraram
que quando o OB eacute adicionado agraves matrizes de PS e de PMAM um aumento significante
na absorccedilatildeo da luz eacute observado
As amostras dos dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos consistiram em camada ativa
contendo PS puro PS com 47 OB PMAM puro e PMAM com 35 de OB
As amostras foram ensanduichadas entre dois eletrodos PEDOT PSS e Ag A
caracterizaccedilatildeo eleacutetrica para as medidas de VOC e ISC foi realizada com a iluminaccedilatildeo da
lacircmpada de Hg 80 W e luz solar As curvas IndashV foram mensuradas usando um sistema de
caracterizaccedilatildeo de semicondutores Keithey 2400
3511 ndash Confecccedilatildeo das amostras usando PS e PMAM 1ordm grupo
Os dispositivos foram preparados sobre um substrato de vidro recoberto com
camada de FTO a resistecircncia da lacircmina eacute de aproximadamente 41-60 Ω
Os filmes de PEDOT PSS foram confeccionados com rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante
25 segundos e secos em estufa a 80 degC por 15 minutos Apoacutes os filmes das camadas ativas
das amostras serem feitos usando rotaccedilatildeo de 5000 rpm por 40 segundos foram secos em
estufa a 100 Cdeg por 15 minutos
47
Por fim foi usada a tinta de Ag para fazer o eletrodo superior Esse eletrodo foi
pintado com pincel comum de cerdas finas O contato superior foi pintado em forma de
linhas sobre o filme da camada ativa conforme mostrado na Figura 310
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo usando lacircmpada de Hg 80 W
As mesmas formas descritas anteriormente de caracterizaccedilatildeo foram utilizadas aqui
para fazer as medidas de VOC e ISC Os resultados obtidos com iluminaccedilatildeo da lacircmpada de
Hg durante cinco minutos de exposiccedilatildeo para o 1ordm grupo de amostra satildeo mostrados na
tabela 311
Tabela 3 11 ndash Resultados das medidas de ISC e VOC das amostras do 1ordm grupo sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpada durante 05 minutos de exposiccedilatildeo
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W)
PS puro 02 000 00
PSOB 47 08 003 0024
PMAM puro 02 000 00
PMAMOB 35 06 002 0012
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar
Foram usados os mesmos procedimentos e instrumentos descritos anteriormente
para obter as medidas de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo de luz solar direta usando-se lentes
convergentes durante cinco minutos de exposiccedilatildeo A tabela 312 mostra os valores
obtidos
Tabela 3 12 ndash Resultados para ISC e VOC sob iluminaccedilatildeo luz solar por aproximadamente
05 minutos de exposiccedilatildeo
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W)
PS puro 11 001 0011
PSOB 47 39 006 0234
PMAM puro 09 002 0018
PMAMOB 35 27 004 0108
48
3512 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Como pode ser visto nas tabelas 311 e 312 os valores de VOC e ISC para as
amostras contendo PS puro e PMAM puro mostraram desempenhos inferiores que aquelas
com adiccedilatildeo do OB Nas caracterizaccedilotildees sob luz solar os desempenhos das amostras foram
superiores quando comparados com os valores obtidos sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada de Ag
Apesar da amostra com camada ativa da mistura de PMAMOB 35 ter mostrado valores
mais baixos quando comparados agrave amostras contendo camada ativa com a mistura de
PSOB 47 ela ainda tem valores superiores agravequeles mostrados quando a camada ativa
era composta por misturas de PSOB 47 +P3HT
352 ndash Experimentos Fase 2
3521 ndash Confecccedilatildeo das amostras do 2ordm grupo
Para o 2ordm grupo de amostras foram confeccionadas quinze unidades sendo que
foram reproduzidas mais de uma amostra para cada tipo de camada ativa Isto foi feito para
observar a reprodutibilidade das amostras e a repetibilidade das medidas As amostras
foram nomeadas de A5 a A19 Todas as amostras seguiram os mesmos criteacuterios de
confecccedilatildeo jaacute mencionados anteriormente Para este grupo foi usada uma rotaccedilatildeo maior no
spin coater
Para fazer o filme de PEDOTPSS foi usada uma rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante
trinta segundos Para a deposiccedilatildeo da camada ativa foi usada uma rotaccedilatildeo de 6000 rpm
durante sessenta segundos Neste caso as amostras foram secas em temperatura ambiente
Este conjunto de amostras deve possuir filmes mais finos que os filmes das amostras
anteriores devido ao aumento da rotaccedilatildeo do spin coater durante a deposiccedilatildeo
Para medir a aacuterea ativa com mais precisatildeo para este grupo de amostras os contatos
superiores de Ag foram desenhados em apenas um ponto A confecccedilatildeo dos dispositivos
seguiu a configuraccedilatildeo das camadas e a geometria do eletrodo de Ag conforme o esquema
mostrado na figura 316 O contato de prata foi pintado em forma de retacircngulo que
representa a aacuterea ativa e ficou em torno de 010cm2
49
Figura 3 16 ndash Estruturas das camadas e do contato de Ag dos dispositivos fotovoltaicos
orgacircnicos usado para o 2 ordm grupo de amostras
3522 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar
Este grupo de amostras foi submetido somente agrave caracterizaccedilatildeo de luz solar direta
As medidas foram realizadas em dias diferentes a fim de observar a repetibilidade das
medidas dos dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos confeccionados
Os dados da tabela 313 mostram medidas de VOC e ISC realizadas entre dez e onze
horas da manhatilde sob sol intenso e usando lentes convergentes Para estas amostras o
tempo de exposiccedilatildeo foi de aproximadamente dez minutos Com tempo de exposiccedilatildeo
maior e usando lentes convergentes as amostras A5 A6 A7 e A8 se aqueceram muito e
se danificaram Contudo valores de VOC obtidos foram bem superiores
Foram realizadas medidas em dois dias usando as amostras A9 A10 A11 A13
A14 A15 A16 A17 A18 e A19 para observar a repetibilidades das medidas As tabelas
14 e 15 mostram medidas de VOC e ISC realizadas nos dias 12052009 e 18052009
respectivamente entre dez e onze horas da manhatilde sob sol forte e usando lentes
convergentes para concentrar os raios solares na camada ativa da amostra
Tabela 3 13 ndash Medidas realizadas para as amostras A5 A6 A7 sob iluminaccedilatildeo solar
direta durante 10 minutos
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W) Amostra
PS puro 18 004 0072 A5
PS OB 47 49 008 0392 A6
PMAM puro 11 001 0011 A7
PMAMOB 35 48 005 024 A8
50
Tabela 3 14 ndash Medidas realizadas no dia 12052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W) Amostra
PS OB 47 11 003 0033 A9
PS puro 08 0 0 A10
PS puro 1 001 001 A11
PS OB 47 19 003 0057 A13
PS OB 47 11 003 0033 A14
PS OB 47 12 002 0024 A15
PMAM puro 09 001 0009 A16
PMAM puro 07 001 0007 A17
PMAMOB 35 11 001 0011 A18
PMAMOB 35 14 005 007 A19
Tabela 3 15 ndash Medidas realizadas no dia 18052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W) Amostra
PS OB 47 12 004 0048 A9
PS puro 06 01 006 A10
PS puro 08 001 008 A11
PS OB 47 21 004 0084 A13
PS OB 47 15 003 0045 A14
PS OB 47 10 002 002 A15
PMAM puro 07 001 00007 A16
PMAM puro 08 001 00008 A17
PMAMOB 35 12 003 0036 A18
PMAMOB 35 13 005 0065 A19
3523 ndash Curva caracteriacutestica corrente versus tensatildeo (IndashV)
Foram realizadas medidas das curvas IndashV usando o sistema de caracterizaccedilatildeo de
semicondutores Os procedimentos adotados foram descritos anteriormente Para estas
amostras foram usadas quatro tipos de camada ativa PS puro PSOB 47 PMAM puro e
51
PMAMOB 35 As medidas das curvas IndashV foram realizadas no escuro e sob iluminaccedilatildeo
natural do laboratoacuterio LDCI
Natildeo foram observadas grandes influecircncias sobre o efeito da iluminaccedilatildeo nas
amostras pois as curvas IndashV obtidas no escuro e no claro apresentaram valores parecidos
para VOC e ISC
Para a camada ativa confeccionada com o poliacutemero PS puro (figura 317) a curva
IndashV realizada no escuro e no ambiente iluminado mostra uma superposiccedilatildeo das curvas
O dispositivo com camada ativa feita de PSOB 47 mostrada na (figura 318)
natildeo se observa diferenccedila significativa nas curvas obtidas no escuro e com iluminaccedilatildeo do
laboratoacuterio O mesmo pode ser observado na (figura 319) onde a camada ativa eacute feita de
PMAM puro Contudo observou-se uma leve diferenccedila nas curvas mostradas na (figura
320) para a amostra confeccionada com camada ativa da mistura de PMAMOB 35
Onde houve um pequeno deslocamento para a corrente
Figura 3 17 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PS puro No escuro e sob
iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
52
Figura 3 18 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PSOB 47 No escuro e
sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
Figura 3 19 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAM puro No escuro
e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
53
Figura 3 20 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAMOB 35 No
escuro e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
3524 ndash Medida de espessura
As espessuras dos filmes foram medidas usando um Perfilocircmetro Dektak 150
VEECO Os filmes de PEDOTPSS depositados pela teacutecnica de spin coating usando
rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante quarenta segundos apresentaram espessuras na ordem de 180
nanocircmetros
Os procedimentos para medir as espessuras consistiram em medir vales e
superfiacutecie Para realizar as medidas dos filmes um risco foi feito usando a ponta de um
estilete conforme mostra a figura 321 O risco foi percorrido com a ponta do perfilocircmetro
com distacircncia de 500 m no sentido transversal Para obter a espessura do filme mede-se
entatildeo a diferenccedila de altura entre um ponto de referecircncia R fundo do vale e M superfiacutecie do
filme conforme mostrado na figura 322 Os procedimentos foram realizados em trecircs
diferentes regiotildees da amostra onde foi obtido um valor meacutedio da espessura do filme
54
Figura 3 21 ndash Risco feito no filme da amostra onde a ponta do perfilocircmetro executou a
varredura
Figura 3 22 ndash Medindo a diferenccedila da altura entre os cursores (R - reference) e (M -
measurement) para determinar a espessura do filme
Todos os quatro tipos de filmes usados para formar as camadas ativas dos
dispositivos que foram depositados por spin coating tiveram suas espessuras medidas Para
cada amostra foram feitos trecircs riscos em pontos alternados a fim de se verificar a
uniformidade na espessura Os riscos seguiram o exemplo ilustrado na figura 321 Os
resultados das trecircs medidas e o seu valor meacutedio para cada filme satildeo mostrados nas tabelas
316 e 317
A tabela 316 mostra os resultados das medidas de espessuras de filmes depositados
com rotaccedilatildeo de 5000 rpm durante 60 segundos A tabela 317 mostra os valores das
afericcedilotildees das espessuras para os filmes depositados com rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante 60
segundos Pode-se observar que os filmes feitos com rotaccedilotildees maiores apresentaram
valores de espessuras menores Tambeacutem eacute observado que a adiccedilatildeo do OB nas matrizes
polimeacutericas isolantes tende a camadas mais espessas mesmo para um mesmo valor de
rotaccedilatildeo quando comparada com os filmes sem o OB
55
Tabela 3 16 ndash Medida dos pontos e a media medida dos filmes das camadas ativas feitos
com rotaccedilatildeo de 5000 rpm Valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M
Camada ativa 1deg Ponto (nm) 2deg Ponto (nm) 3deg Ponto (nm) Meacutedia (nm)
PS puro 194 202 189 195
PS OB 47 283 305 296 2946
PMAM puro 127 90 105 1073
PMAM OB 35 235 269 259 2543
Tabela 3 17 ndash Medida dos pontos e a media dos filmes das camadas ativas feitos com
rotaccedilatildeo de 6000 rpm O valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M
Camada ativa 1deg ponto (nm) 2deg ponto (nm) 3deg ponto (nm) Meacutedia (nm)
PS puro 126 130 128 128
PS OB 47 221 218 208 2156
PMMA puro 76 113 97 953
PMMA OB 35 196 163 180 1796
3524 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Pode-se observar nestas medidas que as amostras contendo misturas de PSOB
47 em sua camada ativa mostraram resultados melhores que as outras amostras
analisadas Tambeacutem foi comprovado que as amostras podem ser reproduzidas sendo que
suas medidas foram repedidas As amostras que foram feitas em duplicatas ou triplicadas
possuem valores de VOC e ISC muito parecidos confirmando assim a reprodutibilidade na
sua fabricaccedilatildeo Atraveacutes das tabelas 314 e 315 pode ser observado que os valores obtidos
satildeo repetidos em dias diferentes mesmo assim natildeo ocorreram diminuiccedilotildees nos valores
medidos de VOC e ISC
Para as curvas IndashV coletadas no laboratoacuterio no escuro e sob iluminaccedilatildeo ambiente
para os dispositivos com camadas ativas com misturas das matrizes polimeacutericas de PSOB
47 e PMAM OB 35 (figuras 318 319 319 e 320) natildeo foram detectadas variaccedilotildees
relevantes entre os diferentes tipos de camadas ativas sob diferentes condiccedilotildees de
iluminaccedilatildeo O intrigante nestas medidas eacute que o mesmo efeito que aparece no claro
aparece tambeacutem no escuro As curvas tendem a um comportamento com resistecircncia de
56
diferencial negativa proacuteximo a tensotildees mais baixas Talvez isso aconteccedila devido agrave
caracteriacutestica intriacutenseca dos materiais utilizados nas confecccedilotildees das amostras
353 ndash Experimentos Etapa 3
3531 ndash Confecccedilatildeo das amostras com parte do FTO removido
Nesta etapa os dispositivos tambeacutem foram preparados sobre substrato de vidro o
mesmo tipo usado anteriormente Poreacutem aqui antes de fazer a deposiccedilatildeo dos filmes parte
do FTO foi removida do substrato de vidro A corrosatildeo do FTO foi feita utilizando uma
tinta homogecircnea preparada com poacute de zinco (Zn)
Para conservar parte do FTO no substrato foi utilizada fita adesiva sendo tambeacutem
possiacutevel utilizar tinta ou esmalte [46] Com parte do FTO protegido o substrato foi
mergulhado em soluccedilatildeo diluiacuteda de aacutecido cloriacutedrico (HCI)
Apoacutes a etapa de corrosatildeo as lacircminas passaram por um processo de limpeza Os
substratos foram limpos para retirar gorduras e resiacuteduos quiacutemicos
A corrosatildeo se fez necessaacuteria para evitar curto circuito entre os eletrodos de contato
do dispositivo Mudou-se a geometria dos substratos porque em algumas medidas de
curvas IndashV que foram obtidas em algumas amostras obteve-se curvas do tipo ocirchmico Isto
pode ter ocorrido porque o eletrodo de FTO estava ocupando toda a superfiacutecie do
substrato de vidro e pode ter ocorrido que na hora das medidas a agulha do equipamento
de medidas pode ter perfurado os filmes das camadas do dispositivo medindo apenas o
filme de FTO que apresenta curva puramente ocirchmica Assim com parte do FTO retirado
garante que a corrente flua apenas pelas camadas dos filmes do dispositivo A geometria
da lacircmina de vidro apoacutes a corrosatildeo pode ser visualizada na figura 323
Figura 3 23 ndash Geometria da lacircmina de vidro apoacutes corrosatildeo do FTO
57
Com o substrato limpo e seco e com a nova geometria desenvolvida segue para a
etapa da deposiccedilatildeo do poliacutemero condutor PEDOTPSS que serviu de um dos eletrodos A
deposiccedilatildeo foi realizada sobre toda a lacircmina de vidro conforme mostra o esquema da figura
324 O filme foi feito usando a teacutecnica de spin coating com rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante
cinquumlenta e cinco segundos o filme foi seco em estufa a 50 degC por 15 minutos
Os materiais utilizados como camada ativa foram PS puro PSOB 47 PMAM
puro e PMAMOB 35 Os diferentes tipos de camadas ativas foram depositados sobre a
estrutura vidroFTOPEDOTPSS usando a teacutecnica de spin coating com rotaccedilatildeo de 7000
rpm durante quarenta segundos Os filmes das camadas ativas foram secos em temperatura
ambiente
O outro eletrodo foi pintado sobre a camada ativa com tinta condutora de Ag A
estrutura vidroFTOPEDOT PSScamada ativaAg do dispositivo final pode ser vista na
figura 324 A regiatildeo ativa tem aacuterea de aproximadamente 009 cm2
Figura 3 24 ndash Geometria das camadas do dispositivo
3532 ndash Caracterizaccedilatildeo das curvas (IndashV )
As amostras foram caracterizadas atraveacutes das curvas IndashV Na figura 325 satildeo
mostradas comparaccedilotildees entre resultados obtidos para camadas ativas com o PS puro e
PSOB 47 Na figura 326 satildeo mostradas comparaccedilotildees entre resultados obtidos para
camadas ativas com o PMAMOB 35 Foi observado que para as camadas ativas sem o
OB o comportamento da curva Indash V eacute puramente ocirchmico ou seja linear Pode-se ressaltar
58
um comportamento resistivo para o filme utilizado nessa camada ativa enquanto que para
o filme da camada ativa com OB as curvas natildeo satildeo lineares
Outro detalhe a ser notado foi que para os filmes de PS puro e PSOB 47 as
correntes obtidas satildeo maiores que para os filmes confeccionados com PMAM puro e
PMAMOB 35 isto concorda com os resultados obtidos atraveacutes da iluminaccedilatildeo onde os
valores de VOC e ISC tambeacutem se apresentaram maiores
O dispositivo feito com o PS puro apresenta uma resistecircncia maior que o
dispositivo feito com PMAM puro isto talvez aconteccedila devido agraves diferenccedilas nas
espessuras das camadas ou nas propriedades intriacutensecas do material
Como pode ainda ser observadas nas figuras 325 e 326 quando se usou camada
ativa contendo o OB em sua mistura mudanccedilas ocorreram nos comportamentos das curvas
IndashV O comportamento da curva natildeo eacute mais linear e apresenta simetria para as duas
polarizaccedilotildees aplicadas (-V+V) Nos casos das curvas observadas para as camadas ativas
contento OB observou-se curvas semelhantes agrave curva de um diodo do tipo metal isolante
metal (MIM) [47]
Figura 3 25 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PS puro
e PS OB 47
59
Figura 3 26 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PMAM
puro e PMAMOB 35
Para quase todas as amostras que confeccionamos nas condiccedilotildees descritas acima
teve-se respostas nas medidas eleacutetricas para as caracterizaccedilotildees das curvas IndashV realizadas
no laboratoacuterio LDCI Foi observado que os dispositivos contendo OB apresentaram um
efeito fotovoltaico em temperatura ambiente As medidas foram realizadas no escuro e
com iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio Nas figuras 327 e 328 satildeo mostradas as curvas IndashV para
os dispositivos confeccionados com camadas ativas de PSOB 47 e PMAMOB 35
respectivamente
Em quase todas as amostras que foram realizadas as medidas das curvas IndashV o
efeito fotovoltaico foi observado Pode-se observar nesses resultados um aumento da
fotocorrente quando as amostras foram iluminadas
60
Figura 3 27 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PSOB
47 no claro e escuro
Figura 3 28 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de
PMAMOB 35 no claro e escuro
61
3533 - Anaacutelise e discussatildeo
Paras esses dispositivos natildeo foram apresentados os caacutelculos da eficiecircncia ( nem o
valor de IPCE porque para determinar tais paracircmetros dos dispositivos fotovoltaicos seraacute
necessaacuterio conhecer a I0 e mencionados no capiacutetulo II Poreacutem para as medidas
realizadas nesta pesquisa natildeo foram considerados o coeficiente de massa de ar o acircngulo
de inclinaccedilatildeo da luz incidente na amostra nem o comprimento de onda Paracircmetros que soacute
seratildeo determinados usando-se um sistema utilizado para caracterizaccedilatildeo de dispositivo
fotovoltaico No momento natildeo havendo disponibilidade de tal equipamento no laboratoacuterio
Observou-se que a inserccedilatildeo de OB em matrizes polimeacutericas isolantes tais como a
de PMAM e PS promoveram a absorccedilatildeo de foacutetons e portanto a formaccedilatildeo de eacutexciton Os
VOC foram de 008 V para o PMAMOB 35 e 03 V para PSOB 47 No caso do valor
de VOC obtidos para o PSOB 47 o nuacutemero eacute aproximadamente o mesmo valor da
diferenccedila da funccedilatildeo trabalho entre o PEDOTPSS (49 eV ) e a Ag (46 eV) No entanto
para o PMAMOB 35 este nuacutemero eacute inferior agrave diferenccedila da funccedilatildeo trabalho entre
PEDOTPSS e a Ag Aqui vale a pena ressaltar que as funccedilotildees trabalho do PEDOTPSS
podem variar entre 48 e 49 eV e a funccedilatildeo trabalho da prata podem variar de 452 eV e
474 eV dependendo da interface entre os materiais da camada ativa Assim pegou-se o
valor de 474 eV para a funccedilatildeo trabalho da prata e de 48 eV para o PEDOTPSS obteve-se
um valor de 006 eV o qual estaacute bastante proacuteximo do valor de 008 eV que eacute a tensatildeo de
circuito aberto obtida para a amostra de PMAMOB 35 Os valores de VOC satildeo limitados
pelo potencial de contato ou pelas diferenccedilas entre a funccedilatildeo trabalho dos eletrodos Sendo
assim neste sistema natildeo eacute possiacutevel conseguir tensotildees de VOC maiores Entretanto se for
utilizado materiais onde as funccedilatildeo trabalho dos eletrodos sejam muito diferentes poderaacute
obter VOC ainda maiores Os resultados obtidos nesse trabalho satildeo menores que os
relatados em trabalhos publicados [48-52] Contudo trabalhou-se com novos materiais
abundantes e baratos Aleacutem de se ter usado oacuteleo vegetal que eacute um material natural e que se
acredita no seu potencial para em breve obter melhores resultados
354 Caracterizaccedilatildeo dos Materiais por Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM)
Um dos paracircmetros importantes nos filmes polimeacutericos eacute a topologia pois a partir
dela se se pode inferir a uniformidade das camadas A questatildeo da uniformidade da
superfiacutecie dos materiais em Eletrocircnica Orgacircnica eacute importante porque permite conhecer o
62
desempenho eletrocircnico dos filmes Fatores como injeccedilatildeo e o transporte de cargas podem
ser facilitados ou bloqueados dependendo da espessura da camada polimeacuterica e da sua
regularidade fiacutesica ou quiacutemica [53] Neste sentido eacute importante investigar a topografia dos
materiais para que se possam entender fenocircmenos de transporte eletrocircnico que podem
ocorrer ou natildeo sob influecircncia da morfologia
As imagens por microscopia de forccedila atocircmica (AFM) revelaram diferenccedilas entre
filmes com as matrizes polimeacutericas puras e filmes com as matrizes modificadas com OB
O PS puro mostrou uma superfiacutecie suave com alguns relevos dispersos na aacuterea de
varredura (Figura 329) A presenccedila de oacuteleo de buriti nesta matriz polimeacuterica modificou
significativamente a superfiacutecie do material Houve formaccedilatildeo de pequenos e numerosos
gloacutebulos que ocorrem em um periacuteodo de espaccedilo muito pequeno resultando em uma
superfiacutecie aparentemente rugosa (Figura 330) Para o material PSOB 47 eacute possiacutevel
observar uma maior ocorrecircncia de picos regiotildees mais claras confirmando a possibilidade
da rugosidade do material
Figura 3 29 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS puro obtida por AFM no modo
contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
63
Figura 3 30 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS OB 47 por AFM modo contato
Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
A superfiacutecie do PMAM ao contraacuterio da superfiacutecie do PS apresentou possiacutevel
protuberacircncia ou gloacutebulos esfeacutericos em toda aacuterea de varredura (Figura 331) Haacute aacutereas onde
existe uma grande incidecircncia de vales identificados na figura por regiotildees mais escuras
Essas podem ser localizadas nas extremidades da amostra enquanto que no centro da
superfiacutecie haacute grandes nuacutemeros de picos indicando a possibilidade de ser um material com
bastante rugosidade
64
Figura 3 31 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PMAM puro obtida por microscopia
de forccedila atocircmica no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
Figura 3 32 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PAMAM OB 35 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
65
A presenccedila de OB na concentraccedilatildeo de 35 na matriz de PMAM resultou em
pequenas mudanccedilas na topografia do material (Figura 332) Natildeo houve grandes mudanccedilas
na morfologia da superfiacutecie do filme que possa ser determinada visualmente Entretanto a
geometria dos gloacutebulos foi alterada de uma forma arredondada (Figura 331) para uma
forma pontiaguda (Figura 332)
Outro material estudado foi o P3HT com OB puro e o P3HT + PSOB 47 A
superfiacutecie do filme de P3HTOB puro (Figura 334) tambeacutem mostrou um material com
possiacuteveis rugosidade em sua superfiacutecie entretanto a diferenccedila entre esta superfiacutecie e a
topografia do material P3HT+ PSOB 47 (figura 335) estaacute no tamanho das estruturas
que compotildeem a superfiacutecie de ambos os materiais
Figura 3 33 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HTOB puro obtida por AFM no
modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
66
Figura 3 34 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HT+PS OB 47 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
A Figura 333 revela estruturas menores que consequumlentemente ocupam um
espaccedilo menor dentro da aacuterea de varredura e por isso se apresentam em grande nuacutemero
resultando a possibilidade de rugosidade mais alta
A Figura 334 mostra estruturas do material P3HT+PS OB 47 que apresentam
geometrias similares agrave do material P3HTOB puro contudo com dimensotildees maiores
Desta forma estas estruturas ocupam um espaccedilo maior dentro da aacuterea de varredura e se
apresentam em menor quantidade proporcionando possiacuteveis rugosidades em tamanhos
menores que o P3HT OB puro
67
Capiacutetulo IV
Conclusotildees e Recomendaccedilotildees
68
4 ndash CONCLUSOtildeES E RECOMENDACcedilOtildeES
Atraveacutes destes estudos preliminares em linhas gerais os dispositivos projetados
construiacutedos e as medidas obtidas neste trabalho permitem direcionar para a construccedilatildeo e
caracterizaccedilatildeo de dispositivos fotovoltaicos baseados no uso do OB como dopante Os
dados obtidos satildeo bastante promissores e sinalizam para o alcance do sucesso na
construccedilatildeo desses dispositivos a partir de matrizes modificadas com OB
Os resultados apresentados no capiacutetulo III no toacutepico referente aos dados
experimentais e resultados I foram dos dispositivos desenvolvidos baseados no modelo
dos dispositivos fotovoltaicos desenvolvidos por Graumltzel com o propoacutesito de observar o
OB como eletroacutelito da camada ativa Medidas de VOC e ISC para as amostras
confeccionadas foram mensuradas embora os resultados obtidos fossem baixos quando
comparados com a literatura Contudo os materiais empregados satildeo novos e mostraram
promissores
No contexto dos dados experimentais e resultados I apresentou-se o
desenvolvimento de dispositivos usando o substrato de PET desenvolvendo a
configuraccedilatildeo de dispositivo fotovoltaico orgacircnico monocamada direcionados na busca de
substratos flexiacuteveis de menor custo no propoacutesito de substituir o substrato de vidro
recoberto com FTO Para estes dispositivos consegui-se obter valores de VOC e ISC sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpada usando um multiacutemetro para as referidas medidas Entretanto esse
tipo de substrato apresentou diversas inviabilidades conforme relatado nesta pesquisa
Novamente trabalhou-se com substrato de vidro recoberto com FTO com
configuraccedilatildeo de dispositivo fotovoltaico orgacircnico monocamada Acredita-se que as
espessuras dos filmes das camadas ativas possam ter influenciado nos baixos resultados
obtidos Ateacute essa etapa dos experimentos as camadas ativas eram construiacutedas
manualmente proporcionando assim camadas ativas espessas
Os resultados apresentados no toacutepico referente aos dados experimentais e resultados
II abordaram a configuraccedilatildeo monocamada em substrato de vidro recoberto com FTO onde
se fez o uso de camadas ativas com poliacutemero semicondutor P3HT misturado com OB Para
efeito de comparaccedilatildeo construiu-se camada ativa usando o PS um poliacutemero isolante
misturado com 47 de OB A partir destes experimentos os filmes dos dispositivos foram
confeccionados com spin coater o que proporcionou a construccedilatildeo de filmes mais finos
As caracterizaccedilotildees foram realizadas usando lacircmpadas e luz solar direta para
medidas de VOC e ISC com o multiacutemetro tambeacutem foram realizadas caracterizaccedilotildees com
69
curvas I-V sob a luz ambiente do laboratoacuterio As curvas levantadas mostraram efeitos
semelhantes ao efeito fotovoltaico para os materiais das camadas ativas pesquisadas Pelos
resultados obtidos nessa etapa do trabalho observou-se que as amostras confeccionadas
com o poliacutemero isolante misturado com o OB apresentaram melhores desempenhos
Embora jaacute existam resultados na literatura usando o semicondutor P3HT para fazer
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos com desempenho relativamente alto nas pesquisas
desenvolvidas nesse trabalho o uso do P3HT natildeo sinalizou vantagens em relaccedilatildeo ao uso
do poliacutemero isolante PS
Nesse trabalho as pesquisas foram focadas apenas em materiais de baixo custo
que proporcionaram resultados animadores usando o poliacutemero PS misturado com OB
Os resultados apresentados nos toacutepicos que abrangem os dados experimentais e
resultados III abordaram o uso dos poliacutemeros isolantes PS e PMAM modificados com OB
na configuraccedilatildeo de dispositivo fotovoltaico em monocamada usando substrato de vidro
recoberto com FTO Foram realizadas medidas eleacutetricas diretas dos dispositivos sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpadas e iluminaccedilatildeo solar fazendo-se uso de multiacutemetro para as medidas
Tendo respostas interessantes com estes experimentos pois as medidas foram realizadas
com multiacutemetros comuns com cabos que apresentam impedacircncias que agregaram perdas
substanciais das tensotildees e correntes geradas pelos dispositivos Mesmo assim obtiveram-
se as medidas de VOC e ISC
Os resultados mais empolgantes foram os caracterizados com curvas I-V
desenvolvidos com substratos tendo parte do FTO removidas no qual se permitiu
visualizar as curvas de tensatildeo e corrente apenas dos filmes sem a interferecircncia do filme
condutor de FTO Em vaacuterias amostras pocircde-se observar um efeito fotovoltaico entretanto
com valores bem abaixo aos relatados pela literatura vigente sobre o assunto
Nesse trabalho apresentou-se um material novo e promissor na aacuterea de pesquisa
dos dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos como tambeacutem o uso de oacuteleos vegetais como
dopante de poliacutemeros para o desenvolvimento de dispositivo de baixo custo com
tecnologia de faacutecil domiacutenio e acessiacutevel
Os resultados apresentados sugerem os seguintes trabalhos futuros
1 Desenvolvimento de dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos agrave base de poliacutemeros
isolantes com camadas ativas mais finas na ordem de nanocircmetros a fim de facilitar
a dissociaccedilatildeo dos eacutexcitons nas interfaces dos materiais O uso de novas teacutecnicas de
deposiccedilatildeo para conseguir filmes nesta ordem de grandeza
70
2 Desenvolvimento de novas estruturas usando os PSOB 47 e PMAMOB 35
em novas arquiteturas como os dispositivos em bicamadas e heterojunccedilatildeo para
melhorar os resultados jaacute obtidos
3 Siacutentese de novas misturas com poliacutemeros usando outros oacuteleos vegetais abundantes
na natureza que apresentaram absorccedilatildeo na faixa do espectro visiacutevel
4 Construccedilatildeo de novos eletrodos de contatos usando teacutecnicas de evaporaccedilatildeo com o
intuito de diminuir as resistecircncias dos contatos e melhorando a coleta das correntes
geradas
5 Caracterizar as amostras usando o simulador solar Caracterizar os filmes usando
perfilocircmetro e AFM buscando filmes com menos rugosidades Correlacionar
medidas das curvas I ndashV com as medidas de AFM
71
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75
APEcircNDICES
77
APEcircNDICE 1
Produccedilotildees Bibliograacuteficas
Artigo Publicado
Silva E R Ceschin A M J A Duratildees A possible organic solar cell based on Buriti
oil In 24th Symposium on Microelectronics Technology and Devices SBMicro 2009
Natal - RN The Electrochemical Society (ECS) the society for solid-state and
electrochemical science and Technology EUA Pennigton 2009 v 23 P 553-556
(2009)
Artigo Aceito
Silva E R Romariz A R S Ceschin A M Study of organic MIM junctions for use
in photovoltaic devices In 25th Symposium on Microelectronics Technology and
Devices SBMicro 2010 Satildeo Paulo - SP The Electrochemical Society (ECS) the society
for solid-state and electrochemical science and Technology EUA Pennigton artigo
aceito (2010)
Resumo Publicado
Silva E R Ceschin A M Photovoltaic effect observed in junctions based on Buriti
oil In 11 th International Conference on Advanced Materials (ICAM2009) 2009 Rio
de Janeiro 11 th International Conference on Advanced Materials 2009
78
A possible Organic Solar Cell Based on Buriti Oil
E R da Silva a J A Duratildees
b and A M Ceschin
a
a Departamento de Engenharia Eleacutetrica - Laboratoacuterio de Dispositivos e Circuito
Integrado Universidade de Brasiacutelia CP 4386 CEP 70904-970 Brasiacutelia DF - Brasil b Instituto de Quiacutemica ndash Laboratoacuterio de Pesquisa em Poliacutemeros Universidade de
Brasiacutelia
CEP 70904-970 Brasiacutelia DF ndash Brasil
This work proposes a new approach - the possible production of
organic solar cells based on Buriti oil We propose the
formation of an active layer three types of mixture always
exploring the use of Buriti oil The active layers were deposited
by spin coating the mixture of Buriti oil polystyrene (PS) Buriti
oil poly (3- hexylthiophene) (P3HT) and blend Buriti oil PS
plus P3HT For the three devices investigated here we use a
glass substrate coated with fluoride-doped tin oxide (FTO) An
electrode of poly (34-ethylenedioxythiophene) poly (4-
styrenesulfonate) (PEDOT PSS) was deposited by spin coating
The other electrode was painted on top with silver conductive
ink (Ag) We show two different illuminations for the
characterization of the devices For the acquisition of measures
resistance () open circuit voltage (VOC) and the short circuit
current (ISC) a common digital multimeter was used
Introduction
Organic solar cells are being investigated for their potential use in the cheap and
clean conversion of abundant solar energy In addition polymer solar cells have
attracted considerable attention because of their potential use in low-cost lightweight
solution processable and flexible large-area panels (1) In the best performing solid state
organic solar cells reported to date (23) a conjugated polymer is blended with an
electron accepting material to form the bulk-heterojunction structure for efficient
exciton dissociation (34) Academic attention has focused on blends of poly (3-
hexylthiophene) (P3HT) and [66]-phenyl C61-butyc acid methyl ester (PCBM) since
these two materials show the highest power conversion efficiency in their bulk-
heterojunction which is around 5 The combination of unique semiconducting
electronic property and mechanical aspects similar to conventional plastics is an
attractive feature in spite of the lower efficiencies prevailing in these systems Each
polymer has unique properties and responds differently to different stimulus However
its characteristics can be improved by blending two polymers or by adding some
compounds called additives producing interesting results As an example we can take a
polystyrene (PS) matrix mixed with Buriti oil this modified material shows a very
broad absorption between 150 to 400 nm with a maximum at 320 nm (67) Figure 1
shows the spectrum of absorption for four types of concentration of Buriti oil in PS
matrix
79
Figure 1 Spectra of absorption of UV radiation of PS films and PS- Buriti oil (7)
This feature makes it a promising candidate for photovoltaic studies Based on
this result we decided to investigate Buriti oil P3HT Buriti oilPS and Buriti
oilPSP3HT mixtures in solar cell fabrication Thus the possible fabrication of the
Buriti oil solar cell and its results are reported and discussed here
Sample Preparation
The devices consist basically of an active layer made of Buriti oilPS or Buriti
oilP3HT films or Buriti oilPSP3HT material placed in-between the bottom
electrode of poly(34-ethylenedioxythiophene)poly(4-styrenesulfonate) (PEDOTPSS)
and the top silver (Ag) electrode Devices were assembled on glass substrates covered
with fluoridedoped tin oxide (FTO) with planar resistance in order of 30 _ cm without
further treatment The actives layer and the bottom electrode were deposited by spin
coating (6000 and 5000 rpm respectively) while the silver electrode was painted
PEDOT PSS was used in order to smooth the FTO surface and to decrease the hole
barrier A first kind of active layer was prepared through deposition (6000 rpm spin
coating) of a solution prepared by dissolving appropriate amounts of PS and Buriti oil
4681 wt (extracted with supercritical CO2) at room temperature in analytical grade
reagent chloroform The second kind of active layer was prepared through deposition of
Buriti oil and P3HT mix dissolved in analytical grade reagent toluene The last active
layer was prepared by mixing Buriti oilPS with P3HT dissolved in an analytical grade
reagent chloroform
After each spin coating deposition the films were dried in a stove at 100 0C for
about 15 minutes Devices of active area A~ 20 cm2 were obtained Figure 2 shows a
schematic view of the finished device
80
Figure 2 Structure of the Buriti oil solar cell
Characterization
The measurements were obtained using a common digital multimeter model
ET-2042C Minipa The samples were subjected to direct irradiation of an Hg spectral
lamp (80 W) for five minutes For such measures we did not consider neither
interference of the illumination nor the samplersquos angle of inclination The series
resistance of the device was also collected as this is one that has a direct relation with
the value of this measure as shown in Table 1 the lower the resistance the greater the
current collected All the results are shown in Table 1
Table 1 VOC and ISC for the different solar cell illuminated with an Hg spectral
lamp (80W)
VOC (mV) ISC (mA) R (cm2)
Buriti oil PS 21 009 740
Buriti oil P3HT 18 002 369
Buriti oil PS+P3HT 17 001 717
To observe a real situation the same sample group was exposed to direct
sunlight in hours of intense sun between 1100 am and 0100 pm taking into account
that all samples had an exposure time of approximately five minutes In this step a
convergent lens was used to concentrate the solar light on the device (8 and 9) In this
experiment angle of incidence and the solar irradiation were not measured The results
are shown in Table 2
Table 2 VOC and ISC for the different solar cell illuminated by direct solar light
VOC (mV) ISC (mA) R (cm2)
Buriti oil PS 62 009 740
Buriti oil P3HT 33 003 369
Buriti oil PS+P3HT 25 002 717
Results and analysis
Based on the values of VOC and ISC obtained for the samples it can be clearly
observed that sunlight exposure provided better results when compared to the artificial
81
illumination The main reason for such a situation could be related to the use of Hg
lamp that is not appropriated In spite of this the devices based-on Buriti oil presented
good performances in both cases This effect may be due to the lower resistance value
of the first samples When the illumination is promoted by the sun the VOC increases
but the ISC remains the same maybe as a consequence of the resistance value or
because the samples becomes hotter For the samples made with Buriti oil P3HT and
Buriti oil PS P3HT materials and illuminated by the spectral lamp similar results for
VOC and ISC were observed Under sunlight illumination the values of VOC and ISC
are greater than that obtained for the spectral lamp lighting
Conclusions
In this paper we show that Buriti oilPS and Buriti oil P3HT materials can be
used as an active layer for solar cells The behavior of the samples based-on Buriti
oilPS showed better results for the two types of illumination It is important to
emphasize tha these results are just a part of the devices characterization which still
requests the fulfillment factor (FF) as well as cell efficiency determination Such
calculations are on process but all the obtained data are satisfactory and promising
because our main aim is to develop solar cells using more accessible organic materials
such as the Buriti oil PS blend
Acknowledgments
The authors gratefully acknowledge CNPq and NAMITECMilenio Institute for
financial support
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e Poli(metacrilato de metila) Dopados com Oacuteleo de Buriti (Mauritia Flexuosa)
Dissertaccedilatildeo de mestrado do Instituto de Quiacutemica da Universidade de Brasiacutelia (2004)
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82
Study of organic MIM junctions for use in photovoltaic devices
E R Silva A R S Romariz and A M Ceschin
Departamento De Engenharia Eleacutetrica Laboratoacuterio de Dispositivos e Circuito
Integrado (LDCI) Universidade de Brasiacutelia Campus Darcy Ribeiro Brasiacutelia CP
4386 CEP 70904-970 Brasiacutelia ndash DF Brasil
We report here photovoltaic effects on Buriti oil (Mauritia
flexuosa) mixed in an insulating polymers matrix The samples
studied here consist of an active layer based on polystyrene (PS)
and poly (methilmethacrilate) (PMMA) mixed with Buriti Oil
(BO) The structure of the device was glassFTO Poly (3 4-
ethylenedioxythiophene) (PEDOT) poly (styrenesulfonate)
(PSS) active layer Ag These mixtures are promising materials
in the fabrication of organic photovoltaic devices The advantage
of these mixtures is their low cost of production and ease in
fabrication Electrical measurements were obtained in both a lit
room and in the dark We can observe photovoltaic effects in all
samples mixed with OB This effect is very interesting because
we are working with an insulating polymer instead of the
semiconductor polymer In this work we have been developing a
junction of the metalndash insulatorndashmetal (MIM) diode that acts like
a photovoltaic device
Introduction
In the past years various new materials and mixtures for fabricating
photovoltaic devices have been proposed for higher conversion efficiencies and lower
cost processes (1 2) Organic solar cells are being investigated for their potential use in
the clean conversion of solar energy through large-area solar panels (3 4 and 5)
Academic attention has focused on blends of poly (3-hexylthiophene) (P3HT) and [6
6]-phenyl C61-butyc acid methyl ester (PCBM) since these two materials show the
highest power conversion efficiency in their bulkheterojunction which is around 5
(6)
Each polymer has unique properties and responds differently to different stimuli
However its characteristics can be improved by blending two polymers or by adding
some compounds called additives thus producing interesting results As an example we
can take the BO mixed in a PS matrix and one mixed in a PMMA matrix This modified
material shows a very broad absorption between 250 to 400 nm with a maximum at 320
nm (7) Based on this result we decided to investigate the OB mixtures in the fabrication
of photovoltaic devices One possible way to enhance the quantum efficiency of a
photovoltaic device is to add dyes that have high absorption efficiency to the host
materials (8) The addition of BO in the PS and PMMA matrices increases this
efficiency The OB is added with the polymers to improve the efficiency on the active
layers of the insulating materials In this paper we will present photovoltaic parameters
on devices based on insulating polymers mixed with BO deposited on a substrate
83
covered with fluorine doped tin oxide (FTO) The devices were fabricated by the spin
coating technique the open circuit voltage (VOC) and short-circuit current density (JSC)
of the BOPS device are 03V and 039 nAcm2 respectively which is 0212V higher
than BOPMMA devices The fill factor (FF) that defines power extraction efficiency of
BOPS devices is 026 against 020 in the BOPMMA devices
Experimental
Our devices were based on previous studies about insulating polymers mixed
with BO (7) The material for the active layer BOPS and BOPMMA of the MIM
junction was chosen because this materials posses two regionrsquos absorption the first
range in 250 at 400 nm that has a peak at 320 nm and the second in the range of 500 at
700 nm The fact these materials absolve in visible region allow to realization of study
about applications in photovoltaic devices (9) We were still able to get good results
from the investigation of BO for make photovoltaic devices
The samples were assembled on glass substrates covered with FTO The
resistance of the plate is asymp 41-60 Ω Prior to depositing the layers part of the FTO
substrate was removed the FTO was corroded using a homogenous ink prepared with
powdered zinc (Zn) Additionally it is possible to use tape or enamel in order to save
part of the FTO After these procedures the substrate is dipped in a diluted solution of
hydrochloric acid (HCI) After the corrosion stage the substrate goes through a cleaning
process that was also performed before corrosion The substrates are cleaned to remove
grease and residual chemicals Corrosion is necessary to avoid short circuits between
the devicersquos electrode contacts (10) The devices were fabricated in a typical
sandwiched structure with the active layers sandwiched between two electrodes the
bottom electrodes consist of conducting polymer film deposition of (PEDOT PSS)
purchased from Bayer This forms the anode that was deposited on the FTO We use it
in order to increase the positive carrier collection of the active layer The film was made
using the spin coating technique with 6000 rotations per minute (rpm) for 55 seconds
Next it was dried in an oven at a temperature of 50 deg C for 15 minutes The cathode was
made with a conductive ink of silver (Ag) acquired from Silver Ink having 99 purity
with painting done by hand because more precise techniques were not available The
materials used in the active layer were pure PS PS mixed with 47 BO pure PMMA
and PMMA mixed with 35 BO Four types of active layers were used All the
mixtures were made with an appropriate quantity of the analytical reagent chloroform at
room temperature Before the deposition the solutions were stirred with magnetic
agitate for 30 minutes in order to ensure greater uniformity for the mix A schematic
view finished device (glass FTO PEDOT PSS active layer Ag) is shown in figure
1 The film thicknesses of the active layers were measure using a Dektak 150
profilometer These values are about 1μm We could not obtain a thinner device because
of the high viscosity of the material In our final device the active area is approximately
009 cm2
Figure 1 Schematic of the finished Device
84
Results and Discussion
The devices with different active layers were prepared following the procedure
described above at room temperature The currentndashvoltage (I-V) characteristics were
measured using a Keithley 2400 programmable software semiconductor measuring
system In all samples without oil devices using only insulating polymer like PS and
PMMA ohmic behavior was observed for bias voltage between -2 and 2 V The device
with pure PS has greater resistance than the one with pure PMMA Perhaps this happens
due to differences in layer thickness or intrinsic material properties But when BO is
added to the mixture we get a different behavior for I-V curves in the two cases We
observed that the sample of PS BO had larger current than PMMABO Figure 2
shows the curves for the PS mixture with and without BO 47 In Figure 3 we have
curves for the PMMA mixture with and without BO 35 In these two cases we
observed curves that look like MIM diode characteristic curves
Figure 2 The I-V Curves characteristics of ohmic behavior and MIM diode for
the PMMA
Figure 3 The I-V Curves characteristics of ohmic behavior and MIM diode for the PS
85
We also noticed a photovoltaic effect in the junctions based in BO at room
temperature Measurements were taken both in the dark and with the room fluorescent
light on In all observations we saw slight photovoltaic effects in all devices made using
insulating polymers with BO mixtures in the active layer In Figure 4 this effect is
shown for PSBO and in Figure 5 for PMMABO
Figure 4 Curve characteristics PS dark and light
Figure 5 Curve characteristics PMMA dark and light
86
For such measures we did not consider either air mass coefficient or the
samplersquos inclination angle for these characterizations because we donrsquot have
characterization equipments Thus we are unable to calculate the conversion efficiency
() The voltage bias was varied from -1 to 1 V but here it is shown with a smaller
interval to better visualize this slight effect In Table 1 the values are shown for the
samples insulating polymer mixed with BO for Voc Jsc and fill factor FF In summary
these parameters are important for characterizing our devices The FF is the ratio that
determines the maximum operating current and voltage of the photovoltaic device and
was calculated as FF = VpIpVocIsc (11) All the values are extracted from the curves
Table 1 Summary of the photovoltaic devices performance with and without light
Active Layer VOC
(mV)
JSC
(nAcm2)
FF
PSBO 47 300 039 026
PMMABO 35 86 216 020
We have seen that the insertion of BO at the matrices of insulating polymers
such as PMMA and PS promote the absorption of photons and therefore the formation
of excitons However we do not have a maximum absorption because of the peak of
absorption of the active layers is in range of 200 to 400 nm while the illumination used
was in the visible region The excitons generated were dissociates and the charges
created were collected in their respective electrodes to form the short-circuit Current
(ISC) This current is small due to the film thickness of the active layer Thus carriersrsquo
recombination could be occurring before they reach their respective electrodes
The measured VOC was 008 V to PMMABO and 03 V to PSBO For the
PSBO this number is roughly the same as the difference in work function between
PEDOT PSS and Ag However for the PMMABO this number is lower than the
difference in work function between PEDOTPSS and Ag All this contributed for the
values low ISC VOC and FF The results obtained here are very below that reported in
recent papers (12 13)
Conclusion
We have been working with polymer insulating with additions of material cheap
an abundant of in nature We presented preliminary results for the MIM junction diode
We used BO mixed with insulating polymer to form the active layers This way we get a
value for ISC VOC and FF but we can observe photovoltaic effect in the majority of the
samples with the BO The active layers have a region of absorption outside of the solar
spectrum and the thickness was thick Because of the collection the carrier was hindered
before to reach the collectorrsquos electrode The devices shown here is very easy to make
and can be made in a large area
Acknowledgments
87
The authors gratefully for the financial support received from National Counsel
of Technological and Scientific Development (CNPq) National Institute of Science and
Technology of Micro and Nanoelectronics Systems (NAMITEC) This paper was
partially supported from a scholarship granted by Coordenaccedilatildeo de Aperfeiccediloamento de
Pessoal de Niacutevel Superior (CAPES) for the first author that also wishes to thank for this
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88
iii
FICHA CATALOGRAacuteFICA
SILVA ELIZETE ROCHA DA
Estudo para o Desenvolvimento de Dispositivos Fotovoltaicos Orgacircnicos [Distrito Federal]
2010
xviii 104p 297 mm (ENEFTUnB Mestre Engenharia Eleacutetrica 2010)
Dissertaccedilatildeo de Mestrado ndash Universidade de Brasiacutelia Faculdade de Tecnologia
Departamento de Engenharia Eleacutetrica
1 Dispositivos Fotovoltaicos 2 Ceacutelula Solar
3Poliacutemeros Condutores 4 Eletrocircnica Orgacircnica
I ENEFTUnB II Tiacutetulo (seacuterie)
REFEREcircNCIA BIBLIOGRAacuteFICA
SILVA E R (2010) Estudo para o Desenvolvimento de Dispositivos Fotovoltaicos
Orgacircnicos Dissertaccedilatildeo de Mestrado em Engenharia Eleacutetrica Publicaccedilatildeo PPGENEDM-
42110 Departamento de Engenharia Eleacutetrica Universidade de Brasiacutelia Brasiacutelia DF 104
p
CESSAtildeO DE DIREITO
AUTOR Elizete Rocha da Silva
TIacuteTULO Estudo para o Desenvolvimento de Dispositivos Fotovoltaicos Orgacircnicos
GRAU Mestre ANO 2010
Eacute concedida agrave Universidade de Brasiacutelia permissatildeo para reproduzir coacutepias desta dissertaccedilatildeo
de mestrado e para emprestar ou vender tais coacutepias somente para propoacutesitos acadecircmicos e
cientiacuteficos O autor reserva outros direitos de publicaccedilatildeo e nenhuma parte dessa dissertaccedilatildeo
de mestrado pode ser reproduzida sem autorizaccedilatildeo por escrito do autor
____________________________
Elizete Rocha da Silva
QNA 14 casa 21
72110-140 Taguatinga - DF- Brasil
iv
AGRADECIMENTOS
Agradeccedilo ao Senhor Deus por mais essa conquista em minha vida
Agrave minha orientadora Artemis Marti Ceschin pela paciecircncia dedicaccedilatildeo e trabalho
ao longo do meu mestrado
Ao Heacutelio Tiago e Heacutelio Juacutenior que sempre me apoiaram incondicionalmente
Aos professores e colegas do Laboratoacuterio de Dispositivos e Circuitos Integrados -
LDCI pelas contribuiccedilotildees e pelo oacutetimo ambiente de trabalho Em especial ao professor Drordm
Joseacute Camargo pelas contribuiccedilotildees acadecircmicas
Agrave Drordf Jussara Duratildees do Laboratoacuterio de poliacutemeros (LaBPOL) do Instituto de
Quiacutemica da Universidade de Brasiacutelia pelas contribuiccedilotildees no desenvolvimento deste
trabalho
Agrave Msc Nizamara Simenremis do Laboratoacuterio de poliacutemeros (LaBPOL) do Instituto
de Quiacutemica da Universidade de Brasiacutelia pelas imagens de AFM discussotildees e amizade ao
longo deste trabalho
Aos funcionaacuterios e colegas dos Laboratoacuterios de Engenharia Eleacutetrica do SG 11 da
Universidade de Brasiacutelia que durante este tempo foi minha segunda casa Em especial aos
colegas do DTL Valter Alvino e Silmar pelo apoacuteio emocional e psicoloacutegico e
contribuiccedilotildees prestadas durante meu mestrado
Aos meus amigos queridos que ao lerem estes agradecimentos saberatildeo o quatildeo
grande foram suas contribuiccedilotildees nesta etapa da minha vida acadecircmica Seria injusto em
esquececirc-los pois todas as pessoas que estiveram comigo seja por alguns dias ou anos
tiveram importacircncia ao longo deste processo
Ao LABPOL pelo fornecimento das soluccedilotildees com oacuteleo de Buriti
As agecircncias financiadoras Capes pelo apoacuteio financeiro
Ao projeto INCT-NAMITEC
Ao projeto CNPqUniversal CT-INFO
Muito Obrigada
v
Dedico este trabalho ao Heacutelio da Silva pelos incentivos paciecircncia e ajuda financeira aos meus
filhos Tiago Rocha e Heacutelio Junior Enfim pela contribuiccedilatildeo prestada pela minha famiacutelia
diretamente e indiretamente ao longo dos anos
vi
ldquoSe todas as pessoas procurassem ser amigas de Deus tendo intimidade espiritual
muacutetua Deus os livraria de todos aqueles que natildeo satildeo seus amigos e proveria tudo em suas
vidas Os protegeria de todo o mal que estaacute reservado para vida terrena E depois da vida
passageira de cada um iriam reinar eternamente com Deusrdquo (Salmos 23-27)
vii
RESUMO
ESTUDO PARA O DESENVOLVIMENTO DE DISPOSITIVOS
FOTOVOLTAICOS ORGAcircNICOS
Autor Elizete Rocha da Silva
Orientador Artemis Marti Ceschin
Programa de Poacutes-graduaccedilatildeo em Engenharia Eleacutetrica
Brasiacutelia junho de 2010
Este trabalho eacute dedicado agrave preparaccedilatildeo e a caracterizaccedilatildeo de dispositivos
fotovoltaicos baseados em matrizes polimeacutericas modificadas com oacuteleo de buriti (OB) O
presente desenvolvimento consiste na deposiccedilatildeo de camada do poliacutemero condutor
PEDOTPSS sobre substrato de vidro com oacutexido de zinco dopado com fluacuteor (FTO) onde
depois foi depositada a camada ativa
Ao longo da pesquisa vaacuterias camadas ativas foram testadas No iniacutecio os filmes
das amostras foram preparados por casting Agrave medida que os resultados eram obtidos
novas ideacuteias iam surgindo e novas teacutecnicas foram sendo incorporadas
Buscando fazer os filmes mais finos e obter melhores resultados os filmes
passaram a serem preparados pela teacutecnica de spin coating Os tipos de camadas ativas
foram PS puro PS OB 47 PS OB 8 PS OB 47+P3HT P3HT+OB PMAM puro e
PMAM OB 35
Para as caracterizaccedilotildees dos dispositivos usou-se para medir tensatildeo e corrente
direta multiacutemetros comuns sob iluminaccedilatildeo de lacircmpadas e luz solar Alguns dispositivos
os paracircmetros de caracterizaccedilotildees foram obtidos das curvas IndashV Os filmes tiveram suas
espessuras medidas com perfilometro suas superfiacutecies tambeacutem foram observadas com
microscopia de forccedila atocircmica (AFM)
As respostas eleacutetricas obtidas foram interessantes e promissoras por estes
resultados levam a crer que estes materiais podem ser usados nos desenvolvimentos de
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos de baixo custo acessiacuteveis e de faacutecil fabricaccedilatildeo
viii
ABSTRACT STUDY FOR DEVELOPMENT OF ORGANIC PHOTOVOLTAIC DEVICES
Author Elizete Rocha da Silva
Supervisor Artemis Marti Ceschin
Programa de Poacutes-graduaccedilatildeo em Engenharia Eleacutetrica
Brasiacutelia June 2010
This work is dedicated to the preparation and characterization of the photovoltaic
devices based on polymer matrices modified with oil buriti (OB) This development
consists in the deposition layer of conducting polymer PEDOT PSS on glass substrate
with zinc oxide doped with fluorine (FTO) which was deposited after the active layer
Throughout this study several active layers were tested At the beginning of the
film samples were prepared by casting When the results were been obtained new ideas
were emerging and new techniques were incorporated
Seeking to make the films thinner to obtain better results the films had to be
prepared by spin coating technique The types of active layers were pure PS PS OB 47
PS B 8 PS B + 47 P3HT P3HT + OB pure and PMAM PMAM OB 35
For the characterizations of the devices used to measure voltage and direct current
multimeters under common lighting of lamps and solar light Some devices the parameters
were obtained from the characterizations of I-V curves The film had its thickness
measured with profilometer their surfaces were also observed with atomic force
microscopy (AFM)
The electrical answers obtained were interesting and promising to these results that
suggests these materials can be used in the development of organic photovoltaic devices at
low cost accessible and easy to manufacture
ix
SUMAacuteRIO
1 ndash INTRODUCcedilAtildeO 2
11 ndash OBJETIVO GERAL 4
12 ndash OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS E ORGANIZACcedilAtildeO DO ESTUDO 4
2 ndash CONCEITOS BAacuteSICOS 6
21 ndash POLIacuteMEROS CONDUTORES 6
23 ndash CARACTERIZACcedilAtildeO DO DISPOSITIVO FOTOVOLTAICO 10
231ndash Eficiecircncia quacircntica externa (IPCE) 10
232 ndash Tensatildeo de circuito aberto (VOC) e Corrente de curto circuito (ISC) 11
233 ndash Curva caracteriacutestica IndashV 12
234 ndash Fator de preenchimento (FF) e Conversatildeo de Potencia () 13
24 ndash POLIacuteMEROS UTILIZADOS 14
241 ndash Polistireno (PS) 14
242 ndash Poli metacrilato de metila (PMAM) 15
244 ndash Poli (3-hexiltiofeno) (P3HT) 18
3 ndash PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS 23
31 ndash MATERIAIS 23
32 ndash EQUIPAMENTOS UTILIZADOS 23
321 ndash Multiacutemetros 23
322 ndash Spin coater 23
323 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores (Curva IndashV) 25
324 ndash Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM) 26
33 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS I 27
331 ndash Experimentos Etapa 1 27
3311 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo dos eletrodos 27
3312 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo da camada ativa 27
x
3313 ndash Formaccedilatildeo do dispositivo 28
3314 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W 28
3315 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 29
332 ndash Experimentos Etapa 2 29
3321 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras 29
3323 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 30
3331 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras 31
3332 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W 32
334 ndash Experimentos Etapa 4 33
3341 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras 34
3342 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W 34
3343 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 35
341 ndash Misturas usando P3HT 35
342 ndash Experimentos Etapa 1 36
3421 ndash Preparaccedilatildeo dos filmes por spin coater 36
3422 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W 37
3423 ndash Caracterizaccedilatildeo com luz solar direta 38
3423 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 39
343 ndash Experimentos Etapa 2 39
3431 ndash Preparando novas amostras 39
3431 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W 41
3433 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar direta 41
3434 ndash Curva caracteriacutestica de corrente versus tensatildeo aplicada (IndashV) 42
3435 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 45
35 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS III 46
351 ndash Experimentos Etapa 1 46
xi
3511 ndash Confecccedilatildeo das amostras usando PS e PMAM 1ordm grupo 46
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo usando lacircmpada de Hg 80 W 47
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar 47
3522 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar 49
3523 ndash Curva caracteriacutestica corrente versus tensatildeo (IndashV) 50
3524 ndash Medida de espessura 53
353 ndash Experimentos Etapa 3 56
3531 ndash Confecccedilatildeo das amostras com parte do FTO removido 56
3532 ndash Caracterizaccedilatildeo das curvas (IndashV ) 57
3533 - Anaacutelise e discussatildeo 61
354 Caracterizaccedilatildeo dos Materiais por Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM) 61
4 ndash CONCLUSOtildeES E RECOMENDACcedilOtildeES 68
REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 71
APEcircNDICE 1 77
Produccedilotildees Bibliograacuteficas 77
xii
LISTA DE TABELAS
Tabela 3 1 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos 29
Tabela 3 2 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos 30
Tabela 3 3 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos 32
Tabela 3 4 ndash Valores medidos de VOC e ISC com iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W para variaccedilatildeo de iluminaccedilatildeo para a amostra P4 32
Tabela 3 5 ndash Valores de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo de lacircmpada incandescente de 100 W
durante 5 minutos 35
Tabela 3 6 ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito com um ponto de
prata Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos 38
Tabela 3 7ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito de prata em forma de
trilhas com concentraccedilatildeo em um ponto Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos 38
Tabela 3 8 ndash Resultados obtidos das medidas de VOC e ISC usando luz solar direta durante
5 minutos 38
Tabela 3 9 ndash Medidas de VOC e ISC para amostras iluminadas pela lacircmpada Hg 80 W
aproximadamente cinco minutos 41
Tabela 3 10 ndash Valores de VOC e ISC para amostras iluminada sob luz solar direta expostas
durante cinco minutos cada 42
Tabela 3 11 ndash Resultados das medidas de ISC e VOC das amostras do 1ordm grupo sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpada durante 05 minutos de exposiccedilatildeo 47
Tabela 3 12 ndash Resultados para ISC e VOC sob iluminaccedilatildeo luz solar por aproximadamente
05 minutos de exposiccedilatildeo 47
Tabela 3 13 ndash Medidas realizadas para as amostras A5 A6 A7 sob iluminaccedilatildeo solar
direta durante 10 minutos 49
Tabela 3 14 ndash Medidas realizadas no dia 12052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos 50
Tabela 3 15 ndash Medidas realizadas no dia 18052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos 50
Tabela 3 16 ndash Medida dos pontos e a media medida dos filmes das camadas ativas feitos
com rotaccedilatildeo de 5000 rpm Valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M 55
Tabela 3 17 ndash Medida dos pontos e a media dos filmes das camadas ativas feitos com
rotaccedilatildeo de 6000 rpm O valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M 55
xiii
LISTA DE FIGURAS
Figura 2 1 ndash Estrutura quiacutemica do poliacetileno mostrando as ligaccedilotildees alternadas em
simples e duplas 6
Figura 2 2 ndash Formaccedilatildeo da estrutura do condutor poliacetileno (a) Formaccedilatildeo de bandas
distintas pela superposiccedilatildeo de N orbitais (b) aproximaccedilatildeo da banda riacutegida para um nuacutemero
grande de orbitais 7
Figura 2 3 ndash Estrutura de uma ceacutelula solar orgacircnica A camada ativa pode compreender
uma ou mais camadas semicondutoras uma mistura de materiais ou a combinaccedilatildeo destas
duas estruturas 8
Figura 2 4 ndash Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um dispositivo fotovoltaico feito com uma
camada de poliacutemero entre dois eletrodos 8
Figura 2 5 ndash Processos envolvidos na geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica em um dispositivo
fotovoltaico orgacircnico 9
Figura 2 6 ndash Diagrama de niacuteveis de energia de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico Sob
iluminaccedilatildeo o eleacutetron (e-) eacute jogado para o niacutevel de maior energia LUMO deixando uma
lacuna (h+) no niacutevel de menor energia HOMO (Criaccedilatildeo do eacutexciton) que seratildeo coletados
pelos eletrodos 1 funccedilatildeo trabalho do 1ordm eletrodo (transparente) 2 funccedilatildeo trabalho do
2ordm eletrodo χ eletroafinidade IP potencial de ionizaccedilatildeo e Eg energia do gap 10
Figura 2 7 ndash Diagrama esquemaacutetico do dispositivo fotovoltaico 2 poliacutemero1 no escuro
com o alinhamento dos niacuteveis de Fermi a) e sob iluminaccedilatildeo b) potencial de built-in ( Vbi)
intriacutenseco em temperatura ambiente esta proacuteximo ao valor de tensatildeo 12
Figura 2 8 ndash Curva caracteriacutestica IndashV de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico no escuro e
sob iluminaccedilatildeo Tambeacutem eacute mostrado o ponto de corrente de curto circuito e tensatildeo de
circuito aberto O retacircngulo pintado indica o fator de preenchimento (FF) 13
Figura 2 9 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PS (C8H8)n 15
Figura 2 10 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PMMA (C5O2H8)n 16
Figura 2 11 ndash Representaccedilatildeo da cadeia principal do PEDOT [25] 17
Figura 2 12 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica da interaccedilatildeo entre o PEDOT e PSS [25]
17
Figura 2 13 ndash Estrutura quiacutemica do P3HT (C10H18S)n [13] 18
Figura 2 14 ndash Foto da palmeira do Buriti (Mauritia Flexuosa) conhecida como Buritizeiro
[21] 19
Figura 2 15 ndash Ilustraccedilatildeo dos frutos maduros do Buriti (a) aspecto da casca (b) polpa de
cor amarelada [21] 19
Figura 2 16 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PS puro e PSOB [40] 20
xiv
Figura 2 17 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PMAM puro e PMAM
OB [40] 21
Figura 3 1 ndash (a)bomba de vaacutecuo (b) compressor de ar comprimido (c) vaacutelvula de controle
e (d) spin coater 24
Figura 3 2 ndash Equipamento de spin coater instalado no laboratoacuterio LDCI vista lateral e
frontal 25
Figura 3 3 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores Keithley 2400 laboratoacuterio
LDCI 25
Figura 3 4 ndash Vista frontal do AFM marca VEECO Innova 26
Figura 3 5 ndash Amostras confeccionadas com duas lacircminas de substrato de vidro recoberto
com FTO baseada no modelo de Graumltzel 28
Figura 3 6 ndash (a) Esquema da amostra confeccionada no substrato flexiacutevel de plaacutestico
(PET) (b) foto do substrato finalizado 31
Figura 3 7 ndash Amostra feita com substrato de PET apoacutes ser submetidos agrave fonte de lacircmpada
incandescente de 100 W por 20 minutos 33
Figura 3 8 ndash (a) Esquema da amostra para substrato de vidro recoberto com FTO (b) foto
da amostra finalizada 34
Figura 3 9 ndash (a) Geometria do eletrodo de Ag confeccionado em forma de ponto e (b)
geometria do eletrodo de Ag feito em forma de trilhas 37
Figura 3 10 ndash (a) Foto da amostra (b) Estruturas das camadas dos dispositivos das novas
amostras 40
Figura 3 11 ndash Ilustraccedilatildeo do experimento realizado com uma amostra tendo o contato
desenhado com a geometria em forma de trilhas camada ativa de PS OB 47 42
Figura 3 12 ndash Ilustraccedilatildeo da polarizaccedilatildeo direta para amostras com P3HT e gota de
PEDOTPSS para medidas das curvas (IndashV) 43
Figura 3 13 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47 Corrente e
tensatildeo observadas 003 uA e 09 Volts respectivamente 44
Figura 3 14 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de OB puro + P3HT Corrente
e tensatildeo observadas 0013 uA e 002 Volts respectivamente 44
Figura 3 15 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47+P3HT
Corrente e tensatildeo observadas 0012 uA e 11 volts respectivamente 45
Figura 3 16 ndash Estruturas das camadas e do contato de Ag dos dispositivos fotovoltaicos
orgacircnicos usado para o 2 ordm grupo de amostras 49
Figura 3 17 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PS puro No escuro e sob
iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 51
xv
Figura 3 18 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PSOB 47 No escuro e
sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 52
Figura 3 19 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAM puro No escuro
e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 52
Figura 3 20 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAMOB 35 No
escuro e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 53
Figura 3 21 ndash Risco feito no filme da amostra onde a ponta do perfilocircmetro executou a
varredura 54
Figura 3 22 ndash Medindo a diferenccedila da altura entre os cursores (R - reference) e (M -
measurement) para determinar a espessura do filme 54
Figura 3 23 ndash Geometria da lacircmina de vidro apoacutes corrosatildeo do FTO 56
Figura 3 24 ndash Geometria das camadas do dispositivo 57
Figura 3 25 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PS puro
e PS OB 47 58
Figura 3 26 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PMAM
puro e PMAMOB 35 59
Figura 3 27 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PSOB
47 no claro e escuro 60
Figura 3 28 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de
PMAMOB 35 no claro e escuro 60
Figura 3 29 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS puro obtida por AFM no modo
contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 62
Figura 3 30 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS OB 47 por AFM modo
contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 63
Figura 3 31 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PMAM puro obtida por microscopia
de forccedila atocircmica no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 64
Figura 3 32 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PAMAM OB 35 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 64
Figura 3 33 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HTOB puro obtida por AFM no
modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 65
Figura 3 34 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HT+PS OB 47 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 66
xvi
LISTA DE SIacuteMBOLOS NOMENCLATURA E ABREVIACcedilOtildeES
Ag ndash Prata
BC ndash Banda de conduccedilatildeo
BV ndash Banda de valecircncia
CHCL3 ndash Clorofoacutermio
C7H8 ndash Tolueno
Eg ndash Energia de gap (Energia de banda proibida)
FTO ndash Oacutexido de estanho dopado com fluacuteor termo em inglecircs Tin Oxide doped with
Fluorine
FF ndash Fator de preenchimento termo em inglecircs fill factor
GPIB ndash General Purpose Interface Bus
HOMO ndash Orbital molecular mais alto ocupado termo em inglecircs highest occupied
molecular orbital
ITO ndash Oacutexido de iacutendio estanho termo em inglecircs Indium Tin Oxide
IPCE ndash Eficiecircncia de conversatildeo de foacutetons incidentes em eleacutetrons Eficiecircncia quacircntica
externa termo em inglecircs Incident Photon Converted in Electron Efficiency
I0 ndash Intensidade de luz incidente em W m2
ISC ndash Corrente de curto circuito termo em inglecircs current short circuit
IndashV ndash Corrente versus tensatildeo aplicada
JSC ndash Densidade de fotocorrente de curto circuito termo em inglecircs photocurrent density
short circuit
LUMO ndash Orbital molecular mais baixo desocupado termo em inglecircs lowest unoccupied
molecular orbital
OB ndash Oacuteleo de Buriti
OLED ndash Diodo emissor de luz orgacircnico termo em inglecircs Organic light emitting devices
OPV ndash Ceacutelulas orgacircnicas fotovoltaicas termo em inglecircs Organic Photovoltaic
PET ndash Poli (Tereftalato de Etila)
xvii
PEDOT ndash Poli (34-etileno dioxitiofeno)
PS ndash Poliestireno
PSSndash Poli (Estireno-Sulfonato)
PMAM ndash Poli Metacrilato de Metila
P3HT ndash Poli (3-hexil tiofeno)
rpm ndash Rotaccedilatildeo por minuto
TO - Oacutexido de estanho termo em inglecircs Tin Oacutexide
Tm ndash Temperatura de fusatildeo cristalina
Tg ndash Temperatura de transiccedilatildeo viacutetrea
UV ndash Ultravioleta
VIS ndash Visiacutevel
VOC ndash Tensatildeo circuito aberto termo em inglecircs Open-circuit voltage
V bi ndash Potencial de built-in
ndash eficiecircncia de conversatildeo de potecircncia
λ ndash comprimento de onda
π ndash orbital ligante
πndash orbital antiligante
ndash Funccedilatildeo trabalho do material
Capiacutetulo I
Introduccedilatildeo
2
1 ndash INTRODUCcedilAtildeO
Atualmente um assunto muito debatido na esfera mundial eacute o problema da emissatildeo
de gases que provocam o efeito estufa Essa questatildeo relaciona-se por exemplo com o
desvio do curso de um rio para formar barragem para construccedilatildeo de hidreleacutetrica ou o uso
de carvatildeo ou diesel para o funcionamento de geradores de energia eleacutetrica todas essas
accedilotildees tecircm forte contribuiccedilatildeo para mudanccedilas no ambiente natural
Uma maneira eficaz de amenizar o impacto de tais accedilotildees sobre o meio ambiente
consiste no aproveitamento da energia solar que eacute uma fonte de energia renovaacutevel tanto
como fonte de calor quanto de luz O sol eacute responsaacutevel direta ou indiretamente pela
maioria das fontes de energia utilizadas atualmente a energia do sol eacute responsaacutevel pela
evaporaccedilatildeo a radiaccedilatildeo solar induz as circulaccedilotildees atmosfeacutericas causando ventos necessaacuterios
para a obtenccedilatildeo de energia eoacutelica [1] A energia luminosa pode ser transformada em
energia eleacutetrica por meio das ceacutelulas solares Na atualidade eacute uma das alternativas
energeacuteticas mais promissoras para enfrentar os desafios dos proacuteximos anos
Por ser uma energia captada diretamente a partir da incidecircncia dos raios solares a
energia produzida por ceacutelulas fotovoltaicas eacute uma tecnologia que natildeo emite gases
poluentes na atmosfera e natildeo produz ruiacutedos nem vibraccedilotildees durante o processo de
conversatildeo
Embora seja uma tecnologia relativamente antiga a produccedilatildeo de energia por ceacutelulas
fotovoltaicas natildeo teve ainda grande expansatildeo comercial devido ao elevado preccedilo de
implantaccedilatildeo do sistema Com a existecircncia de grupo gerador movido a diesel mais barato
haacute um maior uso desse tipo de sistemas em lugares que natildeo satildeo atendidos pela rede de
energia puacuteblica [23]
Tendo em vista esse cenaacuterio soacutecio econocircmico e tambeacutem ambiental existe a
necessidade de se buscar novas tecnologias para a produccedilatildeo de ceacutelulas fotovoltaicas a
custos mais acessiacuteveis viabilizando assim sua execuccedilatildeo tendo em vista que a energia solar
eacute importante na preservaccedilatildeo do meio ambiente por apresentar vantagens sobre as outras
formas de obtenccedilatildeo de energia [4] Para cada metro quadrado de coletor solar instalado
evita-se a inundaccedilatildeo de cinquumlenta e seis metros quadrados de terras feacuterteis para a
construccedilatildeo de novas usinas hidreleacutetricas
A energia solar fotovoltaica eacute a energia da conversatildeo direta da luz em eletricidade
(Efeito Fotovoltaico) que consiste no aparecimento de uma diferenccedila de potencial nos
3
extremos de uma estrutura de material semicondutor produzido pela absorccedilatildeo da luz A
ceacutelula fotovoltaica eacute a unidade fundamental no processo de conversatildeo [5]
As ceacutelulas solares orgacircnicas necessitam de muito menos energia para serem
fabricadas que as de siliacutecio convencional ie o consumo de energia gasto para fabricaccedilatildeo
de uma ceacutelula solar orgacircnica eacute muito pequeno de forma que a energia por ela gerada seraacute
muito maior do que a gasta para a sua fabricaccedilatildeo A ceacutelula solar de siliacutecio possui um
processo de fabricaccedilatildeo com preccedilos elevados inviabilizando sua fabricaccedilatildeo em larga escala
devido aos gastos elevados de energia em sua produccedilatildeo O impacto final no balanccedilo de
energia natildeo eacute positivo ou seja se gasta muito mais energia para produzir a ceacutelula que a
energia que ela eacute capaz de gerar em curto prazo
A partir de uma reflexatildeo sobre este cenaacuterio observou-se que semicondutores
orgacircnicos baseados em pequenas moleacuteculas conjugadas e poliacutemeros oferecem a
oportunidade de produzir dispositivos com larga aacuterea e baixo custo sobre substratos
plaacutesticos flexiacuteveis [67] Nesse campo as misturas de poliacutemeros (blendas polimeacutericas) ou a
aditivaccedilatildeo de poliacutemeros produzem resultados interessantes Um exemplo eacute o poliestireno
(PS) e o poli-metacrilato de metila (PMAM) misturado com oacuteleo de buriti (Mauritia
flexuosa) o material modificado tem alta absorccedilatildeo entre 250 nm a 700 nm com o maacuteximo
em 320 nm [8] Isto o torna um candidato promissor para os estudos fotovoltaicos A partir
da descoberta dos poliacutemeros condutores e suas propriedades as investigaccedilotildees sobre a
possibilidade de empregaacute-los como mateacuteria prima na construccedilatildeo de dispositivos
fotovoltaicos foram intensificadas
Com base nessas observaccedilotildees optou-se por investigar misturas de PS e PMAM
com oacuteleo de buriti a fim de construir e caracterizar dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos
Tais dispositivos podem ser construiacutedos sobre substratos plaacutesticos e em temperatura
ambiente desta forma sendo flexiacuteveis e com baixo custo [9] Entre os diversos materiais
potencialmente interessantes para esse fim encontra-se tambeacutem o Poli (3-hexiltiofeno)
(P3HT) Com base em vaacuterias referecircncias [1011] sobre o uso do P3HT misturado com
nanopartiacuteculas e com C60 (Fulereno) resolveu-se testar a mistura P3HT com oacuteleo de Buriti
Este trabalho consiste no estudo para o desenvolvimento e caracterizaccedilatildeo de
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos baseados no oacuteleo de buriti que apresenta propriedades
oacutepticas de absorccedilatildeo misturado com poliacutemeros isolantes (PS e PMAM) e com o poliacutemero
semicondutor P3HT
4
11 ndash OBJETIVO GERAL
O objetivo do presente trabalho eacute o desenvolvimento e a caracterizaccedilatildeo de
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos a partir de poliacutemero semicondutor ou de poliacutemeros
isolantes modificados pelo oacuteleo de buriti
12 ndash OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS E ORGANIZACcedilAtildeO DO ESTUDO
1 Fazer deposiccedilatildeo de filmes finos de blendas polimeacutericas a partir de
mistura de poliacutemeros isolantes PS e PMAM e do poliacutemero
semicondutor P3HT com oacuteleo de buriti
2 Montagem dos dispositivos em substratos de vidro e de plaacutestico
3 Caracterizaccedilatildeo eleacutetrica dos dispositivos desenvolvidos atraveacutes de
medidas diretas sob iluminaccedilatildeo de lacircmpadas e luz solar direta
Medidas das curvas IndashV no escuro e com iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio
4 Caracterizaccedilatildeo morfoloacutegica dos filmes depositados por spin coater
Medir as espessuras dos filmes e aacuterea ativa
Ao longo desta pesquisa seraacute mostrada a confecccedilatildeo dos dispositivos que
apresentaram algum comportamento fotovoltaico ou aqueles que tiveram resultados
interessantes Vaacuterias tentativas foram feitas a fim de buscar aquelas que apresentassem
resultados e comportamento satisfatoacuterio para um dispositivo fotovoltaico orgacircnico
Este trabalho foi dividido em quatro capiacutetulos No capiacutetulo dois seraacute feita uma
revisatildeo de alguns conceitos importantes sobre dispositivos orgacircnicos materiais utilizados
e equipamentos de caracterizaccedilatildeo No capiacutetulo trecircs seratildeo descritos os procedimentos
experimentais e resultados os quais seratildeo subdivididos em dados experimentais I II e III e
em alguns casos subdivididos em etapas Seratildeo abordadas as teacutecnicas utilizadas nas
construccedilotildees e caracterizaccedilotildees dos dispositivos No capiacutetulo quatro seratildeo apresentadas as
conclusotildees e recomendaccedilotildees para trabalhos futuros
5
Capiacutetulo II
Conceitos Baacutesicos
6
2 ndash CONCEITOS BAacuteSICOS
21 ndash POLIacuteMEROS CONDUTORES
O termo poliacutemero eacute usado para designar macromoleacuteculas formadas pela repeticcedilatildeo
de unidades chamadas de monocircmeros Alguns poliacutemeros ocorrem naturalmente outros satildeo
sintetizados Os poliacutemeros sinteacuteticos tiveram seu grande desenvolvimento no iniacutecio do
seacuteculo 20 poreacutem a grande maioria dos poliacutemeros desenvolvidos nessa eacutepoca era isolante
Na deacutecada de 50 surgiram os primeiros poliacutemeros condutores extriacutensecos que eram
poliacutemeros isolantes incorporados com materiais portadores de cargas eleacutetricas
Nos anos 70 a equipe de Hideki Shirakawa et al [12] do instituto de Tecnologia de
Toacutequio produziu um filme de poliacetileno ([CH]n) de coloraccedilatildeo prateada e que conduzia
corrente depois Shirakawa produziu um outro filme condutor de poliacetileno de
coloraccedilatildeo dourada e com maior condutividade apoacutes dopagem com iodo Apoacutes as primeiras
descobertas vaacuterios outros poliacutemeros condutores foram desenvolvidos A descoberta das
propriedades eleacutetricas do poliacetileno laureou Heeger McDiarmid e Shirakwa com o
precircmio Nobel de quiacutemica em 2000 [12]
Os poliacutemeros condutores tambeacutem satildeo chamados de metais sinteacuteticos por possuiacuterem
propriedades eleacutetricas oacutepticas e magneacuteticas semelhantes aos metais e semicondutores
Os semicondutores orgacircnicos satildeo poliacutemeros cuja estrutura principal eacute composta por
carbono Satildeo semicondutores porque possuem ligaccedilotildees simples e duplas alternadas A
figura 21 mostra a estrutura quiacutemica do condutor orgacircnico poliacetileno cuja estrutura eacute a
mais simples
A sobreposiccedilatildeo de dois niacuteveis eletrocircnicos (orbitais) cria separaccedilotildees nos niacuteveis de
energia formando um orbital ligante (π) e um antiligante (π) que podem ser chamados de
banda de valecircncia e banda de conduccedilatildeo respectivamente Os orbitais podem ser
classificados de duas formas orbital molecular mais baixo desocupado (LUMO) e orbital
molecular mais alto ocupado (HOMO)
Figura 2 1 ndash Estrutura quiacutemica do poliacetileno mostrando as ligaccedilotildees alternadas em
simples e duplas
7
Semelhante aos semicondutores inorgacircnicos os semicondutores orgacircnicos possuem
dois eleacutetrons em cada niacutevel de energia com spin oposto formando ao longo da cadeia os
orbitais π e π com banda similar aos inorgacircnicos [13] Na figura 22 o orbital π
corresponde agrave banda de valecircncia (BV) e o orbital π a banda de conduccedilatildeo (BC)
Em temperatura de 0K todos os estados eletrocircnicos da banda BV estatildeo ocupados
enquanto que os da BC estatildeo desocupados O espaccedilo entre a BC (LUMO) e BV (HOMO) eacute
chamado de Energia de banda proibida (Eg)
Figura 2 2 ndash Formaccedilatildeo da estrutura do condutor poliacetileno (a) Formaccedilatildeo de bandas
distintas pela superposiccedilatildeo de N orbitais (b) aproximaccedilatildeo da banda riacutegida para um nuacutemero
grande de orbitais
22 ndash DISPOSITIVOS FOTOVOLTAICOS ORGAcircNICOS
Os dispositivos fotovoltaicos transformam energia luminosa em energia eleacutetrica
Satildeo divididos em duas classes de acordo com a aplicaccedilatildeo tecnoloacutegica Detectores de luz
como os fotodetectores e fotocondutores e ceacutelulas solares que convertem luz em energia
eleacutetrica [14 15] A conversatildeo da luz solar em energia eleacutetrica nas ceacutelulas solares depende
da geraccedilatildeo de cargas positivas e negativas e da captura das mesmas pelos eletrodos antes
das recombinaccedilotildees dos pares eleacutetrons ndash lacunas
O dispositivo fotovoltaico orgacircnico eacute composto de uma camada ativa
ensanduichada entre dois eletrodos com diferentes funccedilotildees trabalho Para melhor captaccedilatildeo
da luz um dos eletrodos tem que ser transparente Os materiais mais usados como eletrodo
8
transparente satildeo o oacutexido de estanho (TO) o oacutexido de estanho iacutendio (ITO) e oacutexido de
estanho dopado com fluacuteor (FTO) [14] O outro eletrodo pode ser feito de alumiacutenio caacutelcio
ouro prata cobre etc A figura 23 mostra o esquema de um dispositivo fotovoltaico
orgacircnico (ceacutelula solar orgacircnica)
Figura 2 3 ndash Estrutura de uma ceacutelula solar orgacircnica A camada ativa pode compreender
uma ou mais camadas semicondutoras uma mistura de materiais ou a combinaccedilatildeo destas
duas estruturas
Quando a camada ativa eacute iluminada por alguma fonte de luz atraveacutes do eletrodo
transparente a energia luminosa eacute transferida aos eleacutetrons que estatildeo no niacutevel HOMO Os
eleacutetrons absorvem a energia do foacuteton e satildeo promovidos para o niacutevel LUMO criando assim
uma lacuna no niacutevel HOMO O eacutexciton eacute definido como o par eleacutetron-lacuna ligado pela
atraccedilatildeo Coulombiana e eacute chamado de ―eacutexciton Wannier ―[16]
A figura 24 mostra a seccedilatildeo transversal de um dispositivo fabricado da maneira
mais simples contendo uma camada de poliacutemero entre dois eletrodos A aacuterea ativa eacute a
parte da sobreposiccedilatildeo do filme da camada ativa com o filme do eletrodo de contato de
prata Um dos eletrodos deve ser transparente agrave entrada de luz neste caso o FTO
Figura 2 4 ndash Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um dispositivo fotovoltaico feito com uma
camada de poliacutemero entre dois eletrodos
9
O processo de geraccedilatildeo de fotocorrente em dispositivos orgacircnicos fotovoltaicos
segue os seguintes passos mostrados na figura 25
Figura 2 5 ndash Processos envolvidos na geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica em um dispositivo
fotovoltaico orgacircnico
Apesar dos poliacutemeros conjugados apresentarem alto coeficiente de absorccedilatildeo em
torno de 105 cm
-1 somente parte da luz eacute absorvida e seraacute convertida em pares eleacutetrons-
lacunas Esses pares eleacutetrons - lacunas contribuiratildeo para a fotocorrente a qual ainda
depende da espessura da camada ativa polimeacuterica
O comprimento de difusatildeo de um eacutexciton em poliacutemeros conjugados eacute cerca de 10
nm devido a isso a espessura da camada ativa possui influecircncia direta sobre o
funcionamento do dispositivo Dispositivo com camada ativa muito espessa apresenta
resistecircncia agrave movimentaccedilatildeo dos portadores de cargas impedindo que as cargas positivas e
negativas sejam coletadas em seus respectivos eletrodos
Para ter um dispositivo com bom desempenho deve se construir camada ativa na
ordem de dezenas de nanocircmetros Os eacutexcitons devem ser criados nas proximidades das
interfaces do metalcamada ativa (regiatildeo ativa mostrado na figura 24) onde possa existir
maior efeito de alto campo eleacutetrico favorecendo assim a dissociaccedilatildeo dos eacutexcitons [17]
Para haver uma diferenccedila de potencial eacute necessaacuterio que os portadores sejam
coletados pelos respectivos eletrodos antes de se recombinarem A dissociaccedilatildeo do eacutexciton
ocorre em regiatildeo de alto campo eleacutetrico geralmente na interface metal-poliacutemero A figura
26 mostra um diagrama de energia para o dispositivo fotovoltaico orgacircnico sob
iluminaccedilatildeo
10
Figura 2 6 ndash Diagrama de niacuteveis de energia de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico Sob
iluminaccedilatildeo o eleacutetron (e-) eacute jogado para o niacutevel de maior energia LUMO deixando uma
lacuna (h+) no niacutevel de menor energia HOMO (Criaccedilatildeo do eacutexciton) que seratildeo coletados
pelos eletrodos 1 funccedilatildeo trabalho do 1ordm eletrodo (transparente) 2 funccedilatildeo trabalho do
2ordm eletrodo χ eletroafinidade IP potencial de ionizaccedilatildeo e Eg energia do gap
23 ndash CARACTERIZACcedilAtildeO DO DISPOSITIVO FOTOVOLTAICO
Para fazer comparaccedilotildees e caracterizar os dispositivos alguns paracircmetros satildeo
importantes para determinar a eficiecircncia entre os diferentes tipos de camada ativa dos
dispositivos Por meio do espectro dinacircmico ou resposta espectral teremos a eficiecircncia
quacircntica externa (IPCE) Para obterem-se os valores de tensatildeo circuito abeto (VOC)
corrente de curto circuito (ISC) fator de preenchimento (FF) e eficiecircncia de conversatildeo de
potecircncia () foram usados os valores retirados das curvas caracteriacutesticas I ndashV no escuro e
sob iluminaccedilatildeo [18]
231ndash Eficiecircncia quacircntica externa (IPCE)
Para se obter a resposta espectral ou espectro dinacircmico a amostra eacute submetida a
um feixe de luz monocromaacutetica de vaacuterios comprimentos de onda sem a aplicaccedilatildeo de
11
tensatildeo A eficiecircncia quacircntica externa eacute a razatildeo entre a densidade de fotocorrente de curto
circuito (JSC) medida e a intensidade de luz monocromaacutetica que incide sobre a amostra
conforme mostra a equaccedilatildeo 21
IPCE()=
(21)
Onde
JSC eacute a densidade de fotocorrente de curto circuito dada em microAcm2
λ eacute o comprimento de onda em nm
I0 eacute a intensidade de luz incidente em W m2
1024 eacute o fator de conversatildeo de energia em comprimento de onda [18]
Portanto o IPCE eacute um valor de medida de eficiecircncia para os dispositivos
fotovoltaicos
232 ndash Tensatildeo de circuito aberto (VOC) e Corrente de curto circuito (ISC)
Quando os materiais orgacircnicos das camadas ativas satildeo colocados em contato com o
eletrodo inorgacircnico existe um balanceamento de cargas entre os materiais de diferentes
funccedilotildees trabalhos ateacute que o equiliacutebrio seja atingido Nesta situaccedilatildeo haacute um nivelamento dos
niacuteveis de energia de Fermi dos materiais e um campo eleacutetrico intriacutenseco eacute criado na
interface do dispositivo
Em um dispositivo sob iluminaccedilatildeo depois da dissociaccedilatildeo dos eacutexcitons as cargas
satildeo transportadas para os eletrodos pelo campo eleacutetrico intriacutenseco que iraacute aumentar a
energia do eletrodo de menor funccedilatildeo trabalho (1) e diminuir a energia de Fermi do
eletrodo de maior funccedilatildeo trabalho (2) quase atingindo a condiccedilatildeo de banda plana
criando uma diferenccedila de potencial definida como tensatildeo de circuito aberto VOC
A figura 27 mostra o diagrama esquemaacutetico de um dispositivo fotovoltaico A
tensatildeo de circuito aberto VOC pode ser obtida da curva caracteriacutestica IndashV de um dispositivo
sob iluminaccedilatildeo quando a corrente eacute zero
12
Figura 2 7 ndash Diagrama esquemaacutetico do dispositivo fotovoltaico 2 poliacutemero1 no escuro
com o alinhamento dos niacuteveis de Fermi a) e sob iluminaccedilatildeo b) potencial de built-in ( Vbi)
intriacutenseco em temperatura ambiente esta proacuteximo ao valor de tensatildeo
Em temperaturas baixas a iluminaccedilatildeo poderaacute trazer a condiccedilatildeo de banda plana e a
tensatildeo de circuito aberto VOC seraacute igual ao potencial de built in (Vbi) Este potencial eacute
definido como a diferenccedila de funccedilatildeo trabalho entre os eletrodos em temperatura ambiente
pois a condiccedilatildeo de banda plana natildeo eacute totalmente atingida e uma pequena correccedilatildeo deve ser
adicionada ao VOC para obter o Vbi [14]
O valor da corrente eleacutetrica maacutexima que atravessa o dispositivo quando iluminado
sem nenhuma tensatildeo aplicada eacute chamado de corrente de curto circuito (ISC)
Para definir a densidade de fotocorrente (JSC) utiliza-se o valor de ISC dividido pela
aacuterea ativa do dispositivo
233 ndash Curva caracteriacutestica IndashV
Atraveacutes da curva IndashV temos a resposta eleacutetrica do dispositivo fotovoltaico A figura
28 mostra a curva caracteriacutestica IndashV no escuro e sob iluminaccedilatildeo de um dispositivo ideal
fotovoltaico No escuro a curva de resposta eacute semelhante agrave de um diodo retificador quando
a corrente soacute aparece para a tensatildeo direta Sob iluminaccedilatildeo a curva de ISC desce para o
terceiro e quarto quadrante Na polarizaccedilatildeo direta o eletrodo de maior funccedilatildeo trabalho eacute
polarizado positivamente e o de menor funccedilatildeo trabalho eacute polarizado negativamente
[1819]
13
Figura 2 8 ndash Curva caracteriacutestica IndashV de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico no escuro e
sob iluminaccedilatildeo Tambeacutem eacute mostrado o ponto de corrente de curto circuito e tensatildeo de
circuito aberto O retacircngulo pintado indica o fator de preenchimento (FF)
234 ndash Fator de preenchimento (FF) e Conversatildeo de Potencia ()
A quantidade maacutexima de energia eleacutetrica extraiacuteda do dispositivo fotovoltaico eacute
determinada pelo fator de preenchimento (FF) ou seja eacute a razatildeo entre a potecircncia maacutexima
fornecida pelo dispositivo fotovoltaico e a potecircncia nominal do mesmo Na figura 8 o fator
de preenchimento eacute representado pela razatildeo entre as aacutereas do retacircngulo cinza (representa a
potecircncia maacutexima que o dispositivo fornece) pela aacuterea do retacircngulo azul (representa a
potecircncia nominal) Assim a equaccedilatildeo 22 mostra a relaccedilatildeo matemaacutetica para a obtenccedilatildeo do
FF
(22)
Onde Vm e Im satildeo as intersecccedilotildees da curva IndashV com a potecircncia maacutexima do
retacircngulo
14
Para aplicaccedilatildeo de um dispositivo fotovoltaico como ceacutelulas solares um dos focos
de interesse eacute a potecircncia eleacutetrica extraiacuteda que eacute determinada pela eficiecircncia de conversatildeo
de potecircncia () Para encontrar este valor divide-se o valor da potecircncia maacutexima gerada
pela ceacutelula (P) pela potecircncia da luz incidente (Pin) A expressatildeo para o caacutelculo de eacute
mostrada na equaccedilatildeo 23
=
(23)
Onde I0 eacute a intensidade de luz incidente sobre a ceacutelula solar Usando a equaccedilatildeo 22
para calculara o FF temos a equaccedilatildeo 24
(24)
24 ndash POLIacuteMEROS UTILIZADOS
Os poliacutemeros sinteacuteticos satildeo produtos quiacutemicos obtidos sinteticamente que
apresentam cadeias longas e dentre eles podemos encontrar materiais importantes para o
uso em engenharia
As propriedades dos poliacutemeros dependem muito do tipo de monocircmero que o
originaram Outros fatores que influenciam suas propriedades satildeo o tipo de reaccedilatildeo
empregada para sua obtenccedilatildeo e a teacutecnica de preparaccedilatildeo Podemos citar trecircs tipos de reaccedilotildees
a partir das quais se podem produzir um poliacutemero a poliadiccedilatildeo policondensaccedilatildeo e a
modificaccedilatildeo quiacutemica de outro poliacutemero [20]
241 ndash Polistireno (PS)
O PS eacute uma resina termoplaacutestica foi descoberto em 1831 Apesar de ter sido
proposto para uso logo apoacutes sua descoberta demorou a ser colocado no comeacutercio Isto
ocorreu porque a polimerizaccedilatildeo do monocircmero natildeo era controlada e ocorria muito
rapidamente dificultando o carregamento e a estocagem dos monocircmeros A representaccedilatildeo
da estrutura quiacutemica do PS pode ser vista na figura 29 [21]
15
Figura 2 9 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PS (C8H8)n
O PS eacute um dos plaacutesticos mais utilizados no Brasil cuja aplicaccedilatildeo pode se estender a
diversos tipos de utensiacutelios para uso domeacutesticos Em uso na fabricaccedilatildeo de objetos tais
como brinquedos escovas embalagens riacutegidas para cosmeacuteticos no isolamento ao frio na
embalagem de equipamentos em pranchas flutuantes em paineacuteis para a induacutestria
automobiliacutestica e produtos para a induacutestria de eletro-eletrocircnico etc
Suas caracteriacutesticas marcantes satildeo rigidez semelhante ao vidro alta resistecircncia
quiacutemica baixa resistecircncia a solventes orgacircnicos baixa resistecircncia a intempeacuteries boa
condiccedilatildeo de isolamento teacutermico e eleacutetrico relevante sensibilidade agrave luz incolor e
transparente [21] Frente ao calor eacute classificado como termoplaacutestico de uso geral Trata-se
de um poliacutemero de baixo custo e de faacutecil aquisiccedilatildeo No Brasil os principais fabricantes satildeo
a BASF do Brasil que produz o PS com o nome comercial de Plystirol e a Monsanto do
Brasil que o fabrica com o nome comercial de Lustrex Possui temperatura de fusatildeo
cristalina (Tm) 235 degC e temperatura de transiccedilatildeo viacutetrea (Tg) de 100 degC [20]
242 ndash Poli metacrilato de metila (PMAM)
Eacute um poliacutemero amorfo linear sua siacutentese eacute por adiccedilatildeo e requer um centro ativo
como iniciador Possui caracteriacutesticas oacutepticas e mecacircnicas resistentes aos aacutecidos orgacircnicos
[21 22] A representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica pode ser vista na figura 210
16
Figura 2 10 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PMMA (C5O2H8)n
Tambeacutem conhecido como plaacutestico acriacutelico esse termoplaacutestico eacute um poliacutemero
sinteacutetico de origem petroquiacutemica assim como o PS cujas principais caracteriacutesticas satildeo
transparecircncia boa resistecircncia quiacutemica resistente a impactos e a intempeacuteries
Eacute um poliacutemero considerado de baixo custo e de faacutecil aquisiccedilatildeo No Brasil
destacam-se como fabricantes a CP Bahia e a Rohm amp Haas que produzem
respectivamente o Acrigel e o Acryloid
O PMAM eacute usado em placas para sinalizaccedilatildeo de traacutefego em estradas nas induacutestrias
automobiliacutesticas de aviaccedilatildeo e na construccedilatildeo civil Eacute vastamente empregado na fabricaccedilatildeo
de fibras oacutepticas e em eletro-eletrocircnicos aleacutem disso o PMAM tem sido utilizado na
ortopedia desde sua siacutentese Pesquisa na aacuterea da eletrocircnica orgacircnica estaacute sendo
desenvolvida [2223] e tambeacutem na aacuterea da medicina como na esteacutetica e em outras
aplicaccedilotildees na aacuterea da sauacutede [2425]
Possui temperatura de fusatildeo cristalina (Tm) 160 degC e temperatura de transiccedilatildeo viacutetrea
(Tg) de 105 degC[20]
243 ndash Poli(34-Etileno Dioxitiofeno)Poli(Estireno-Sulfonato) (PEDOTPSS)
As pesquisas sobre poliacutemeros condutores tecircm atraiacutedo cientistas e grandes empresas
Ao longo desta deacutecada grandes descobertas foram realizadas em relaccedilatildeo aos poliacutemeros
condutores [26]
Cientistas da Bayer AG [27 28] contribuiacuteram para o desenvolvimento do Poli (34-
etileno dioxitiofeno) (PEDOT) que apresenta propriedades e caracteriacutesticas interessantes
mesmo em seu estado dopado A cadeia principal estaacute representada na figura 211
17
Figura 2 11 ndash Representaccedilatildeo da cadeia principal do PEDOT [28]
O PEDOT possui alta condutividade contudo natildeo eacute soluacutevel em aacutegua Para tornaacute-lo
soluacutevel foi adicionado o poli (estireno sulfonado) (PSS) assim as altas taxas de
condutividade foram perdidas no processo de dopagem Apesar disto a combinaccedilatildeo do
PEDOTPSS ilustrado na figura 212 resultou em um poliacutemero com caracteriacutesticas e
condiccedilotildees favoraacuteveis tornando simples a deposiccedilatildeo dos filmes
O PEDOTPSS eacute apresentado em soluccedilatildeo azul escuro e possui condutividade
maacutexima de 10 S cm (depende da espessura e do processo de confecccedilatildeo do filme) Mostra
alta taxa de absorccedilatildeo luminosa entre 900 nm e 2000 nm [28]
Figura 2 12 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica da interaccedilatildeo entre o PEDOT e PSS [28]
O PEDOTPSS eacute um exemplo de poliacutemero condutor comercial que atraiu usuaacuterios e
pesquisadores em vaacuterios paiacuteses Atualmente existem vaacuterios estudos de dispositivos
orgacircnicos para aplicaccedilotildees em ceacutelulas solares que utilizam o PEDOTPSS [30-32] Seu uso
18
em pesquisas se estende a outros dispositivos orgacircnicos como OLEDs sensores
transistores etc [32 33]
244 ndash Poli (3-hexiltiofeno) (P3HT)
O P3HT eacute um poliacutemero sinteacutetico semicondutor tipo p fabricado e comercializado
pela Aldrichreg possui alto peso molecular Sua estrutura com grades reacutegio-regulares
favorece os estudos para aplicaccedilotildees em ceacutelulas fotovoltaicas orgacircnicas (OPV) Possui
propriedades fotoluminescentes na faixa de comprimento de onda 450 nm e 575 nm [34]
Tambeacutem pode ser combinado com outro tipo de poliacutemeros para aplicaccedilotildees em ceacutelulas
solares [35-37] O transporte de cargas majoritaacuterio eacute de lacunas
A Soluccedilatildeo do P3HT pode ser solubilizada em clorofoacutermio (CHCL3) Aleacutem deste
solvente o P3HT pode ser diluiacutedo em tolueno (C7H8) tri-cloro-benzeno cloro-benzeno e
xyleno soluacutevel A estrutura quiacutemica pode ser vista na figura 213
Figura 2 13 ndash Estrutura quiacutemica do P3HT (C10H18S)n
245 ndash Oacuteleo de Buriti (Mauritia Flexuosa L) ndash OB
A palmeira do buriti (Mauritia flexuosa L) aparece em regiotildees de vaacuterzea e brejo e eacute
comumente encontrada na regiatildeo da Amazocircnia A figura 214 ilustra a foto da palmeira do
buritizeiro Tanto as palmeiras como os frutos satildeo muito utilizados pelas pessoas que
moram nas regiotildees ribeirinhas por exemplo para fazer coberturas de casas com as folhas
ou para extrair a polpa dos frutos para o uso na alimentaccedilatildeo
19
Figura 2 14 ndash Foto da palmeira do Buriti (Mauritia Flexuosa) conhecida como Buritizeiro
[21]
A palmeira do buritizeiro costuma ter altura de ateacute cinquumlenta metros A meacutedia de
frutos colhidos em todos os cachos varia de quinhentos a oitocentos frutos O fruto do
buriti apresenta forma arredondada e eliacuteptica mede aproximadamente de quatro a seis
centiacutemetros de diacircmetro com peso variando entre vinte e cinco a quarenta gramas A
figura 215 ilustra o fruto do buritizeiro tambeacutem pode ser observada a cor amarelada da
polpa
Figura 2 15 ndash Ilustraccedilatildeo dos frutos maduros do Buriti (a) aspecto da casca (b) polpa de
cor amarelada [21]
Estudos desenvolvidos por Moreira et al [38- 40] mostram propriedades oacutepticas de
absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica na faixa do ultravioleta e do visiacutevel solar (UV-VIS)
20
Duratildees et al [39] estudando as soluccedilotildees do OB diluiacuteda em clorofoacutermio observaram
grau de absorccedilatildeo de radiaccedilatildeo UV-VIS na faixa de 245 248 e 276 nm Tambeacutem foram
avaliadas a incorporaccedilatildeo do OB em matrizes de PMAM e PS que apresentaram niacuteveis de
absorccedilatildeo em comprimentos de onda maiores do que 276 nm
A figura 216 mostra os espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo ultravioleta (UV) dos
filmes de PS e PS com OB nas proporccedilotildees estudadas Observa-se nesses espectros que o
filme de PS sem o OB apresenta absorccedilatildeo insignificante nessa regiatildeo do espectro
eletromagneacutetico Esse material mostra uma pequena banda de absorccedilatildeo entre 250 nm Nos
espectros do material polimeacuterico misturado com OB percebe-se um aumento da absorccedilatildeo
da radiaccedilatildeo como consequumlecircncia do aumento do teor de OB nas amostras Esta absorccedilatildeo eacute
indicada por uma banda larga e intensa entre 275 nm e 375 nm que se desloca para
comprimentos de onda maiores agrave medida que a concentraccedilatildeo do oacuteleo aumenta nos
materiais compostos [40]
Figura 2 16 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PS puro e PSOB [40]
A figura 217 mostra os espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes de
PMAM puro e PMAM OB nas proporccedilotildees estudadas O estudo de espectroscopia por
absorccedilatildeo na regiatildeo do UV mostrou que o OB proporcionou uma elevaccedilatildeo de ateacute 400 na
absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo pelo PMAM misturado com OB Este aumento ocorreu regularmente
21
com o teor do dopante exceto para o material com maior percentual do oacuteleo onde
provavelmente a sua maior quantidade tenha dificultado a incorporaccedilatildeo no PMAM
Como consequumlecircncia da incorporaccedilatildeo do OB na matriz de PMAM foi observada
uma banda larga de absorccedilatildeo entre 260 nm e 380 nm que sofreu deslocamento para
comprimentos de onda maiores acompanhando o aumento no teor de oacuteleo das amostras
Nota-se portanto que o comportamento das amostras de PMAM OB eacute semelhante ao dos
materiais PS OB com exceccedilatildeo da inversatildeo de absorccedilatildeo dos filmes feitos com percentuais
do OB de 3455 e 4681 nos filmes de PMAM
Figura 2 17 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PMAM puro e PMAM
OB [40]
22
Capiacutetulo III
Procedimentos Experimentais e
Resultados
23
3 ndash PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS
31 ndash MATERIAIS
Escolheu-se trabalhar com substrato de vidro por que eacute transparente fornece
sustentaccedilatildeo mecacircnica natildeo se degrada com o calor permite a entrada de luz no dispositivo
e possui uma camada condutora com resistecircncia relativamente baixa As resistecircncias das
lacircminas foram medidas com multiacutemetro digital comum e apresentaram um valor em torno
de 41-70 Ω A resistecircncia desses substratos muda de acordo com o processo de
deposiccedilatildeo dos filmes de FTO [41 42] Tambeacutem foram usados substratos flexiacuteveis de
plaacutestico (PET) no tamanho de 2 cm x 3 cm
Os poliacutemeros condutores usados foram o PEDOTPSS e o P3HT Usou-se o PEDOT
PSS para fazer um dos eletrodos O P3HT foi usado misturado com o oacuteleo de buriti para
fazer um tipo de camada ativa Trabalhou-se com misturas de poliacutemeros isolantes PS e
PMAM com OB preparadas no Laboratoacuterio de Poliacutemeros do Instituto de Quiacutemica da UnB
Usou-se misturas com concentraccedilotildees de 8 e 47 de OB na matriz de PS e misturas com
35 de OB na matriz de PMAM conforme descrito por JR Duratildees em [40]
Para fazer o eletrodo superior usou-se a tinta condutora de prata marca INK
SILVER (tinta 100 prata) com pureza da prata 99 e tamanho da partiacutecula de prata 05
a 70 m dissolvidas em solvente e um verniz de alta aderecircncia (NOS002) Em algumas
amostras usou-se tambeacutem o grafite de um laacutepis HB
32 ndash EQUIPAMENTOS UTILIZADOS
321 ndash Multiacutemetros
Para fazer as medidas eleacutetricas diretas de ISC empregou-se o uso do multiacutemetro
analoacutegico ET-3021 porque possuiacutea escala de ateacute micro ampeacutere Para as medidas diretas de
resistecircncia seacuterie e de VOC usou-se o multiacutemetro digital modelo ET-2042C
322 ndash Spin coater
Os filmes finos foram preparados utilizando um conjunto de equipamento que
compotildee o spin coater (Laureal modelo WS- 400B-6NPPLITE) do Laboratoacuterio de
Dispositivo e Circuitos Integrados da UnB (LDCI) mostrado na figura 31
24
Figura 3 1 ndash (a)bomba de vaacutecuo (b) compressor de ar comprimido (c) vaacutelvula de
controle e (d) spin coater
O equipamento de spin coater consiste em um conjunto composto de bomba de
vaacutecuo compressor de ar comprimido regulador de pressatildeo e o spin coater que possui
compartimento feito de teflon Acoplado ao spin coater haacute um display de cristal liquido
(LCD) para visualizaccedilatildeo dos programas realizados
Tem-se ateacute 20 programas de processamentos (A ateacute T) contendo ateacute 51 etapas cada
um que podem ser armazenados definitivamente na memoacuteria caso haja possibilidade de
modificar o programa posteriormente Cada etapa do programa inclui tempo total de
duraccedilatildeo da deposiccedilatildeo velocidade de rotaccedilatildeo do substrato em rpm e
aceleraccedilatildeodesaceleraccedilatildeo Satildeo possiacuteveis rotaccedilotildees de ateacute 11000 rpm
Na figura 32 haacute uma foto mostrando a lateral e parte da frente do compartimento
onde o substrato eacute colocado no momento da centrifugaccedilatildeo Ao lado do spin coater pode ser
visualizado o display de LCD programaacutevel acoplado
25
Figura 3 2 ndash Equipamento de spin coater instalado no laboratoacuterio LDCI vista lateral e
frontal
323 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores (Curva IndashV)
As curvas IndashV das amostras foram obtidas com um sistema de caracterizaccedilatildeo de
semicondutores Keithley modelo 2400 mostrado na figura 33 o qual permite aplicar
tensotildees entre 1 μV e 1100 V e medir a corrente entre 10 pA e 105 A
Figura 3 3 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores Keithley 2400 laboratoacuterio
LDCI
26
Todo o processo de medidas eacute controlado atraveacutes de um microcomputador que eacute
conectado aos equipamentos atraveacutes de uma interface paralela (General Purpose Interface
Bus (GPIB) que controla os equipamentos coleta e armazena os dados O programa usado
para este fim eacute o software LABVIEW 61
324 ndash Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM)
A caracterizaccedilatildeo morfoloacutegica dos filmes das camadas ativas foi obtida em um
equipamento de medidas de microscopia de forccedila atocircmica AFM marca VEECO DInnova
(figura 34) com ponteira de nitrato de siliacutecio (forma em V) com constante de mola de
058 Nm Todas as imagens foram obtidas em modo contato (512 x 512 pixel) e taxa de
varredura de 1 Hz
Figura 3 4 ndash Vista frontal do AFM marca VEECO Innova
27
Os filmes caracterizados por AFM consistiram em camadas ativas feitas com
soluccedilotildees de PS puro PSOB 47 PMAM puro PMAMOB 35 P3HTOB puro e
P3HT PS OB 47 depositadas sobre substrato de vidro recoberto com FTO por spin
coating e com rotaccedilatildeo de 7000 rpm por 40 segundos
33 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS I
331 ndash Experimentos Etapa 1
Nesta etapa utilizou-se a metodologia adaptada a partir da descriccedilatildeo da montagem da
ceacutelula solar de Graumltzel [43] Essa ceacutelula eacute tambeacutem conhecida como ceacutelula solar de corante
Nessa ceacutelula a geraccedilatildeo de energia eacute produzida por um efeito eletroquiacutemico [44] Para cada
amostra foram usadas duas lacircminas de vidro tamanho 1 cm x 25 cm recoberto com FTO
Os substratos foram utilizados conforme retirados das embalagens ou seja natildeo passaram
por nenhum tipo de limpeza
3311 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo dos eletrodos
Para um dos eletrodos usou-se o grafite que foi obtido a partir de um laacutepis para
desenho HB No lado do substrato contendo o FTO pintou-se a lacircmina com o laacutepis Para o
outro eletrodo foi usado uma soluccedilatildeo PEDOT PSS As amostras foram confeccionadas
manualmente e as deposiccedilotildees foram feitas com pincel comum A soluccedilatildeo de PEDOT PSS
ficou agitando durante 2 horas antes da deposiccedilatildeo sobre o substrato a fim de obter-se uma
soluccedilatildeo mais homogecircnea Devido o filme de PEDOTPSS ser espesso o processo de
secagem a temperatura ambiente foi demorado Assim apoacutes a pintura se fez necessaacuterio a
secagem das amostras na estufa durante 8 horas a 80 ordmC e para concluir o processo
ficaram em temperatura ambiente por mais 24 horas
3312 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo da camada ativa
Antes de fazer a deposiccedilatildeo do filme da camada ativa de PSOB 8 a mistura foi
agitada durante 30 minutos com intuito de obter-se uma dissoluccedilatildeo completa da soluccedilatildeo
28
Sobre o eletrodo de PEDOTPSS foi depositada por casting uma quantidade da soluccedilatildeo de
PSOB 8
3313 ndash Formaccedilatildeo do dispositivo
Para formar o dispositivo as duas lacircminas de vidro foram juntadas uma com
grafite e a outra com PEDOTPSS e a camada ativa de PSOB 8 As duas foram juntadas
antes que a camada ativa estivesse seca de modo a ajudar na colagem das mesmas Para
garantir a uniatildeo fiacutesica das lacircminas foi usado um clipe conforme mostrado na figura 35 A
aacuterea ativa eacute da ordem de 1 cm2
Figura 3 5 ndash Amostras confeccionadas com duas lacircminas de substrato de vidro
recoberto com FTO baseada no modelo de Graumltzel
3314 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
A fonte de iluminaccedilatildeo utilizada na caracterizaccedilatildeo dos dados experimentais e
resultados I consistiu em uma lacircmpada incandescente comum de 100 W ligada em seacuterie
com um varivolt de 240 volts
Foram feitas quatro amostras (CS1 CS2 CS3 e CS4) da forma como descrito
acima As medidas eleacutetricas foram tomadas usando-se dois multiacutemetros um digital e outro
analoacutegico As amostras foram iluminadas com a lacircmpada incandescente de 100 W e foram
observados valores de ISC e VOC nos multiacutemetros a partir de uma tensatildeo de 240 volts na
lacircmpada Todas as amostras ficaram expostas durante aproximadamente 5 minutos Os
valores de ISC e VOC obtidos satildeo mostrados na tabela 31
29
Tabela 3 1 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W) Tensatildeo da
lacircmpada
CS1 mdash mdash mdash 240
CS2 03 09 027 240
CS3 06 05 030 240
CS4 02 01 020 240
3315 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Pode-se observar o aparecimento de VOC e tambeacutem de ISC em trecircs das amostras
confeccionadas com tensatildeo de alimentaccedilatildeo na fonte de iluminaccedilatildeo de 240 volts Os
valores de VOC e ISC satildeo um pouco diferentes entre as trecircs amostras apesar de elas terem
sido confeccionadas seguindo os mesmos procedimentos Isto pode ter sido devido agrave
dificuldade em se controlar a espessura das camadas ativas Os resultados obtidos para VOC
e ISC satildeo menores do que os reportados na literatura [4344] Contudo os materiais usados
satildeo diferentes dos relatados na literatura Neste dispositivo o OB estaacute se comportando
como um corante e promovendo o processo eletroquiacutemico de transformaccedilatildeo de energia
luminosa em energia eleacutetrica Assim uma mudanccedila na concentraccedilatildeo de oacuteleo poderaacute
modificar os resultados obtidos ateacute aqui
332 ndash Experimentos Etapa 2
3321 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras
Na segunda etapa foram confeccionadas quatro amostras (CS5 CS6 CS7 e CS8)
utilizando a mesma metodologia do experimento da Etapa 1 mudando apenas a
concentraccedilatildeo do OB de 8 para 47 No lugar do clipe para unir as duas lacircminas usou-se
fita adesiva
3322 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
As medidas das amostras foram realizadas usando os mesmos equipamentos jaacute
citados e descritos anteriormente Duas destas amostras natildeo tiveram medidas de ISC nem
30
VOC Para as demais soacute foram observadas medidas de VOC e ISC apoacutes a tensatildeo da lacircmpada
atingir 200 volts Todas as amostras ficaram expostas durante 5 minutos Os valores de ISC
e VOC obtidos satildeo mostrados na tabela 32
Tabela 3 2 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W) Tensatildeo da
lacircmpada
CS5 ndash ndash ndash 240
CS6 18 09 162 240
CS7 ndash ndash 240
CS8 09 03 027 240
3323 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Os valores de VOC e ISC obtidos nesta etapa satildeo maiores que os obtidos na Etapa1
Isto pode estar relacionado ao efeito corante do OB Nesta etapa mudou-se a concentraccedilatildeo
de 8 de OB para 47 de OB esse paracircmetro foi o uacutenico a ser mudado entre as duas
etapas Estas amostras bem como as da Etapa 1 natildeo puderam ter seus valores de VOC e ISC
medidos novamente porque as amostras descolavam os eletrodos danificando os
dispositivos Assim estas estruturas natildeo foram repetidas
333 ndash Experimentos Etapa 3
Nesta etapa mudou-se o tipo de substrato e a configuraccedilatildeo das amostras A
configuraccedilatildeo de construccedilatildeo baseada na estrutura dos dispositivos desenvolvidos por
Graumltzel natildeo foi mais usada O substrato de vidro foi substituiacutedo por um substrato de
plaacutestico de Poli (Tereftalato de Etila) (PET) a fim de desenvolver amostras flexiacuteveis e de
menor custo As camadas ativas tiveram a concentraccedilatildeo do OB de 47 O substrato de
PET foi limpo com clorofoacutermio acetona e aacutegua deionizada Apoacutes o processo de limpeza os
substratos foram secos a temperatura ambiente por 2 horas Para substituir a camada
condutora de FTO e construir um dos eletrodos utilizou-se leit-C e leit-C diluente
adquirido da FLUKA esses dois elementos produzem a pasta de carbono O PEDOTPSS
31
foi utilizado para formar um filme sobre o eletrodo de carbono E por uacuteltimo foi usada a
Ag para fazer o eletrodo superior
3331 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras
Com o substrato recortado no tamanho de 2 cm x 3 cm inicia-se o processo de
limpeza As folhas de PET foram imersas em clorofoacutermio durante 30 minutos em soluccedilatildeo
de acetona por mais 30 minutos e por ultimo foram enxaguadas com aacutegua deionizada O
processo de secagem foi realizado em temperatura ambiente dentro da estufa
A pasta de carbono foi preparada para ser o eletrodo inferior Essa foi espalhada
manualmente com ajuda de uma espaacutetula sobre toda a folha do PET Com o substrato
preparado e tendo a superfiacutecie recoberta com um filme de carbono jaacute seco a soluccedilatildeo de
PEDOT PSS foi pintada sobre o filme de carbono com um pincel de cerdas macias
comum Antes da deposiccedilatildeo a soluccedilatildeo de PEDOT PSS foi agitada durante 2 horas
Apoacutes a pintura do filme de PEDOTPSS as amostras foram colocadas na estufa agrave
temperatura de 50 degC durante 8 horas e permaneceram por mais 24 horas em temperatura
ambiente dentro da estufa A camada ativa foi depositada usando uma pipeta contendo 001
uL de PSOB 47 Para formar o contato inferior uma pequena parte do filme de
PEDOTPSS foi deixado visiacutevel
Apoacutes a deposiccedilatildeo da camada ativa as amostras ficaram em temperatura ambiente
por 24 horas para concluir o processo de secagem O eletrodo superior foi pintado com
tinta de Ag sobre uma pequena aacuterea da camada ativa A secagem do eletrodo superior foi
em temperatura ambiente A aacuterea ativa destas amostras eacute da ordem de 05 cm2 A figura 36
a) mostra o esquema final da amostra e a figura 36 b) uma foto do dispositivo finalizado
Figura 3 6 ndash (a) Esquema da amostra confeccionada no substrato flexiacutevel de plaacutestico
(PET) (b) foto do substrato finalizado
32
3332 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
Nesta etapa foram confeccionadas cinco amostras chamadas de P1 P2 P3 P4 e
P5 As medidas eleacutetricas foram realizadas usando os equipamentos jaacute descritos nas etapas
anteriores Os valores de VOC e ISC foram medidos apoacutes a tensatildeo da lacircmpada atingir 200
volts Todas as amostras ficaram expostas sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada durante cinco
minutos As amostras tiveram as resistecircncias medidas Pois os substratos utilizados aqui
eram isolantes e o filme condutor foi construiacutedo manualmente As resistecircncias das
amostras satildeo mostradas na tabela 33 juntamente com os valores de ISC VOC e potecircncia
calculada
Todas as amostras apresentaram valores de VOC e ISC para tensatildeo de iluminaccedilatildeo da
lacircmpada acima de 220 volts exceto a amostra P4 A amostra P4 mostrou valores
mensuraacuteveis de VOC e ISC a partir de iluminaccedilatildeo da lacircmpada com tensatildeo de 110 volts Os
valores desta variaccedilatildeo satildeo mostrados na tabela 34
Tabela 3 3 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (W) Tensatildeo da
Lacircmpada
Resistecircncia
Ohms
P1 ndash ndash ndash 240 540
P2 09 01 09 240 890
P3 15 07 105 240 550
P4 09 06 054 240 1500
2000 P5 24 09 216 240
Tabela 3 4 ndash Valores medidos de VOC e ISC com iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W para variaccedilatildeo de iluminaccedilatildeo para a amostra P4
Variaccedilatildeo das tensotildees VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W)
110 04 01 04
160 06 02 012
220 07 03 021
240 09 06 054
33
3333 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Na tabela 33 natildeo foi observada nenhuma ligaccedilatildeo direta dos valores de ISC e VOC
com as resistecircncias medidas das amostras Em relaccedilatildeo agraves amostras feitas nas Etapas 1 e 2
pode-se notar valores de ISC e VOC maiores
Foi observado que em todas as amostras confeccionadas no substrato de PET apoacutes
alguns minutos de aquecimento pela fonte de luz (lacircmpada de 100 w) as amostras se
deformavam Agrave medida que os testes eram repetidos as amostras se retorciam e em
algumas amostras os filmes ressecaram e se soltaram dos substratos Apesar destes
comportamentos ao se repetir os testes os valores de VOC e ISC permaneciam inalterados
para as amostras que os filmes natildeo estavam completamente rompidos A figura 37
apresenta a foto de uma amostra apoacutes ser submetida agrave fonte iluminaccedilatildeo de lacircmpada
incandescente de 100 W por 20 minutos Devido aacute sua deformaccedilatildeo e degradaccedilatildeo com o
calor este tipo de substrato foi descartada
Figura 3 7 ndash Amostra feita com substrato de PET apoacutes ser submetidos agrave fonte de lacircmpada
incandescente de 100 W por 20 minutos
334 ndash Experimentos Etapa 4
Devido ao retorcimento e agrave deterioraccedilatildeo das amostras confeccionadas com
substrato de PET nesta etapa voltou-se a utilizar o substrato de vidro recoberto com FTO
A prata foi usada para construir o eletrodo superior das amostras Para a camada ativa
continuou-se com uso do PSOB 47 Seguindo o mesmo esquema utilizado anteriormente
34
para confecccedilatildeo das amostras de PET mudou-se apenas o substrato O esquema do
dispositivo pode ser visto na figura 38
3341 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras
As resistecircncias dos substratos de vidro de 1 cm x 25 cm estatildeo entre 89 a 115 Ω
Os substratos foram limpos com clorofoacutermio acetona e aacutegua deionizada
Apoacutes o processo de limpeza todos os substratos foram secos a temperatura
ambiente por 2 horas
O eletrodo de PEDOTPSS foi pintado sobre o filme de FTO do substrato Em
seguida as amostras foram colocadas na estufa a 80 degC durante 24 horas
Apoacutes a secagem da camada de PEDOTPSS foi realizada a deposiccedilatildeo da camada
ativa com o auxilio de uma pipeta contendo 001 ml de soluccedilatildeo de PSOB 47 O
processo de secagem foi em temperatura ambiente por 24 horas
Por uacuteltimo foi feito o contato superior de tinta de Ag sobre a camada ativa de PS
OB 47 utilizando um pincel fino de cerdas comuns A aacuterea ativa foi estimada e ficou em
torno de 025 cm2 A figura 38 a) mostra o esquema que foi usado para confeccionar as
amostras e a figura 38 b) ilustra a amostra finalizada
Figura 3 8 ndash (a) Esquema da amostra para substrato de vidro recoberto com FTO (b) foto
da amostra finalizada
3342 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
Nesta etapa foram confeccionadas 10 amostras que foram nomeadas de v1 v2 v3
v4 v5 v6 v7 v8 v9 e v10 A tabela 35 mostra os valores daquelas que apresentaram
melhores desempenhos de VOC e ISC As medidas eleacutetricas foram realizadas usando os
equipamentos jaacute descritos nas etapas anteriores As medidas obtidas satildeo inferiores agravequelas
jaacute conseguidas nos itens anteriores Valores de VOC e ISC significativos ocorreram apoacutes a
tensatildeo da lacircmpada atingir 220 volts Todas as amostras ficaram expostas sob a luz da
lacircmpada durante 10 minutos As amostras foram iluminadas atraveacutes do vidroFTO
35
Tabela 3 5 ndash Valores de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo de lacircmpada incandescente de 100 W
durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W) Tensatildeo lacircmpada
v3 06 02 012 240
v5 05 01 050 240
v7 11 09 099 240
3343 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Apesar das amostras terem sido feitas seguindo os mesmos procedimentos os
valores de VOC e ISC obtidos satildeo diferentes Isto pode ter ocorrido devido agraves diferenccedilas nas
espessuras das camadas ativas que natildeo puderam ser controladas e tambeacutem no tamanho das
aacutereas ativas que podem ser levemente diferentes Aqui natildeo se pode falar em comparaccedilatildeo
com as outras amostras feitas anteriormente porque a aacuterea da camada ativa foi bastante
reduzida e as estruturas satildeo diferenciadas Desta forma os valores obtidos mesmo
menores ainda satildeo vaacutelidos
34 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS II
341 ndash Misturas usando P3HT
Nesta etapa foi proposto um estudo sobre diferentes misturas para a construccedilatildeo das
camadas ativas sempre incorporando o uso do OB Tipos de camadas ativas utilizadas
PSOB 47 P3HT+OB puro e PSOB 47 + P3HT
Para os trecircs tipos de dispositivos aqui investigados foi usado substrato de vidro
recoberto com FTO sobre o qual foi depositado por spin coating um filme de
PEDOTPSS que serviu como eletrodo inferior As camadas ativas foram depositadas
sobre o eletrodo de PEDOTPSS usando a teacutecnica de spin coating O eletrodo superior foi
pintado com tinta condutiva de Ag A figura 38 mostra o esquema do dispositivo que foi
utilizado para a confecccedilatildeo destas amostras
Para as medidas diretas de VOC e ISC foram usados dois tipos de iluminaccedilatildeo
artificial com lacircmpada de mercuacuterio Spektrallamp 80 W e iluminaccedilatildeo natural solar
36
342 ndash Experimentos Etapa 1
Nas etapas anteriores os filmes das amostras foram produzidos manualmente por
casting mas os resultados obtidos nas medidas iniciais natildeo foram satisfatoacuterios A fim de
buscar melhores resultados e tendo jaacute disponiacutevel no laboratoacuterio o equipamento de spin
coater para produzir filmes mais finos e homogecircneos a metodologia de confecccedilatildeo dos
filmes foi mudada Os filmes finos foram preparados em rotaccedilotildees variadas a fim de se
obter um filme adequado
3421 ndash Preparaccedilatildeo dos filmes por spin coater
Para preparar o primeiro grupo de amostras usaram-se substratos de vidro
recobertos com FTO Todos os substratos foram lavados em aacutegua deionizada e colocados
em estufa a 80degC para secar Para fazer o filme de PEDOTPSS inicialmente foi usada
rotaccedilatildeo de 500 rpm durante 25 segundos para espalhar a soluccedilatildeo uniformemente em todo
o substrato em seguida usou-se uma rotaccedilatildeo de 3000 rpm durante 40 segundos para
finalizar a confecccedilatildeo do filme
O filme de PEDOTPSS obtido dessa forma ficou bastante fino de modo que a
amostra saia do spin coater quase seca A fim de eliminar-se qualquer vestiacutegio do
solvente que no caso do PEDOT PSS usou-se agrave aacutegua as amostras foram colocadas na
estufa em temperatura de 50 degC por 1 hora Antes de depositar a camada ativa uma parte
do filme de PEDOTPSS foi protegido com fita onde foi construiacutedo o eletrodo inferior
Foram preparados trecircs tipos de soluccedilotildees para formar a camada ativa A primeira foi
uma soluccedilatildeo jaacute preparada de PS OB 47 no LABPOL do instituto de Quiacutemica UnB [41]
A segunda uma mistura de PS OB 47 mais o P3HT na proporccedilatildeo de 11 e a terceira foi
uma soluccedilatildeo de 1 ml de P3HT com 001 ml de OB puro As trecircs soluccedilotildees foram agitadas
durante 2 horas antes de serem depositadas por spin coating Os filmes da camada ativa
foram feitos com rotaccedilatildeo de 4000 rpm durante 40 segundos
Como o clorofoacutermio eacute um solvente que tem evaporaccedilatildeo raacutepida a deposiccedilatildeo da
camada ativa foi feita com o substrato jaacute girando no spin coater A deposiccedilatildeo foi realizada
com ajuda de uma pipeta As secagens das camadas ativas foram em temperatura ambiente
dentro da estufa para proteger as amostras de impurezas tais como poeira e contaminaccedilotildees
em geral
37
Por fim foi pintado no topo das amostras o eletrodo de Ag Foram construiacutedas duas
geometrias para se observar a influecircncia na quantidade de cargas coletadas e tambeacutem a
influecircncia do tamanho da aacuterea ativa As geometrias satildeo mostradas nas figuras 39 (a) e 39
(b)
Figura 3 9 ndash (a) Geometria do eletrodo de Ag confeccionado em forma de ponto e (b)
geometria do eletrodo de Ag feito em forma de trilhas
3422 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W
A fonte de iluminaccedilatildeo utilizada na caracterizaccedilatildeo dos dados experimentais e
resultados II consistiu em uma lacircmpada Hg spektrallamp de 80 W ligada a uma fonte de
alimentaccedilatildeo DROSSEL FUumlR SPEKTRALLAMP POWER SUPPLY FOR SPECTRAL
LAMPS
As medidas eleacutetricas das amostras foram realizadas usando os mesmos
equipamentos jaacute citados nos dados experimentais e resultados I
Cada amostra ficou exposta agrave radiaccedilatildeo direta da lacircmpada de Hg aproximadamente
por 5 minutos Para estas medidas natildeo foram considerados interferecircncia acircngulo de
inclinaccedilatildeo da amostra ou da lacircmpada Os valores de VOC e ISC obtidos para os dois tipos de
contatos para as geometrias desenhadas em forma de ponto e em trilha satildeo mostrados nas
tabelas 36 e 37 respectivamente
38
Tabela 3 6 ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito com um ponto de
prata Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PSOB 47 02 001 2
OB puroP3HT 06 002 12
PSOB 47P3HT 06 002 12
Tabela 3 7ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito de prata em forma de
trilhas com concentraccedilatildeo em um ponto Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PSOB 47 12 006 72
OB puroP3HT 11 005 55
PSOB 47P3HT 11 005 55
3423 ndash Caracterizaccedilatildeo com luz solar direta
As amostras com geometria de contato em forma de trilhas foram escolhidas para
serem caracterizadas pela luz solar direta Pois este grupo de amostra apresentou melhores
desempenhos quando submetidas agrave luz da lacircmpada espectral de Hg em relaccedilatildeo agraves amostras
confeccionadas com eletrodos em forma de ponto As medidas foram realizadas em dia de
sol intenso nos horaacuterios entre onze horas e doze horas Para realizar estas medidas foi
utilizada uma lente convergente [45] Isso foi feito para concentrar os raios solares sobre as
amostras Todas as amostras deste grupo ficaram expostas por aproximadamente 5 minutos
cada Os resultados satildeo mostrados na tabela 38
Tabela 3 8 ndash Resultados obtidos das medidas de VOC e ISC usando luz solar direta durante
5 minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PSOB 47 22 002 44
OB puroP3HT 18 002 36
PSOB 47P3HT 17 001 17
39
3423 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Para as amostras com contato de prata com a geometria desenhada em forma de
trilhas foram observados valores de VOC e ISC maiores do que aqueles com contato de
prata desenhado em forma de ponto Isto indica que realmente a geometria das trilhas
favorece a coleta das cargas geradas Neste caso tambeacutem existe uma aacuterea ativa maior o
que contribuiu para uma maior absorccedilatildeo da luz e consequumlentemente um aumento na
quantidade de cargas
As amostras com a camada ativa de PSOB 47 mostraram VOC e ISC superiores agraves
outras que continham a mistura do P3HT em sua camada ativa
Quando as amostras foram submetidas agrave luz solar direta houve um aumento
significativo de VOC contudo tivemos valores de ISC reduzidos em relaccedilatildeo aos valores
obtidos com a iluminaccedilatildeo da lacircmpada Hg Isto pode ser devido ao calor gerado pelo sol
que promoveu um espalhamento das cargas Pode-se notar que a potecircncia fornecida
tambeacutem diminuiu quando a luz solar foi usada como fonte de luz para caracterizaccedilatildeo das
amostras
343 ndash Experimentos Etapa 2
Para fazer uma investigaccedilatildeo em funccedilatildeo da espessura da camada ativa foram
confeccionadas novas amostras Continuou-se o uso dos trecircs tipos de soluccedilotildees para as
camadas ativas PSOB 47 OB puro+P3HT e PSOB 47 +P3HT Com a teacutecnica de
spin coating quanto maior a velocidade de rotaccedilatildeo menores satildeo as espessuras dos filmes
Para se obter filmes com espessuras adequadas os seguintes paracircmetros devem ser
observados viscosidade da soluccedilatildeo velocidade de rotaccedilatildeo e tempo de rotaccedilatildeo
3431 ndash Preparando novas amostras
Nesta etapa utilizou-se apenas rotaccedilatildeo de 3000 rpm para confeccionar o filme de
PEDOTPSS A deposiccedilatildeo foi feita com o auxiacutelio de uma conta gotas sendo que para cada
filme foram usadas duas pequenas gotas (001ml) Essa quantidade de soluccedilatildeo foi
suficiente para conseguir um espalhamento satisfatoacuterio e obter um filme fino e uniforme
Depois da deposiccedilatildeo os substratos satildeo colocados na estufa a 100 degC durante 15 minutos
para concluir o processo de secagem
40
Os trecircs tipos de camadas ativas foram preparadas seguindo o procedimento citado
na etapa 1 dos dados experimentais e resultados II Para esse grupo de amostra foi usado
um programa para o espalhamento do filme da camada ativa com uma rotaccedilatildeo fixa de 6000
rpm durante 25 segundos
Para depositar a mistura da camada ativa usou-se uma pipeta com 01 ml de
soluccedilatildeo Primeiramente depositou-se a mistura e em seguida colocou-se o spin coater
para girar atraveacutes do programa de rotaccedilatildeo previamente programado Esse procedimento
garante a uniformidade do filme As amostras foram levadas para a estufa a 100 degC por 20
minutos
O eletrodo superior foi pintado agrave matildeo O esquema usado para a confecccedilatildeo dos
dispositivos e a foto de uma amostra satildeo mostrados na figura 310 As amostras foram
confeccionadas seguindo o esquema mostrado na figura 310 (b) Todas as amostras deste
grupo tiveram um desenho semelhante ao da foto da figura 310 (a) Pois existem
variaccedilotildees nas espessuras dos contatos de Ag pois foram feitos a matildeo livre e sem muito
controle Isso pode ser um problema pois este eleacutetrodo pode aumentar a resistecircncia da
amostra fazendo diminuir as correntes coletadas das cargas geradas pelo dispositivo
Figura 3 10 ndash (a) Foto da amostra (b) Estruturas das camadas dos dispositivos das
novas amostras
41
3431 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W
Usou-se para este grupo de amostras os mesmos procedimentos de caracterizaccedilotildees
para as medidas de o VOC e ISC descrito na etapa 1 dos dados experimentais e resultados II
Para cada medida as amostras ficaram expostas sob o feixe de luz da lacircmpada de Hg que
foi focalizada diretamente na aacuterea ativa por aproximadamente cinco minutos
A aacuterea ativa foi estimada em torno de 05 cmsup2 Foram confeccionadas nove
amostras e os valores de VOC e ISC das amostras que apresentaram melhores desempenhos
satildeo apresentadas na tabela 39
Tabela 3 9 ndash Medidas de VOC e ISC para amostras iluminadas pela lacircmpada Hg 80 W
aproximadamente cinco minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) P (nW)
PS OB 47 21 009 189
OBP3HT 18 002 36
PSOB 47P3HT 17 001 17
3433 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar direta
O mesmo grupo de amostras foi exposto sob luz solar direta em horaacuterio de sol
intenso entre onze horas e doze horas Todas as amostras tiveram um tempo de exposiccedilatildeo
de aproximadamente cinco minutos Os valores de VOC e ISC medidos podem ser vistos na
tabela 310 Nestes experimentos a lente convergente tambeacutem foi utilizada Poreacutem natildeo
foram observados acircngulos de incidecircncia e nem mudanccedila da irradiaccedilatildeo solar As medidas de
VOC e ISC foram realizadas em dia de sol forte e sempre no mesmo horaacuterio A figura 311
mostra como as medidas foram realizadas Para concentrar os raios solares usou-se uma
lente de aumento As medidas foram aferidas com uso de multiacutemetro digital descrito
anteriormente com cabos e garras de jacareacute comuns
42
Figura 3 11 ndash Ilustraccedilatildeo do experimento realizado com uma amostra tendo o contato
desenhado com a geometria em forma de trilhas camada ativa de PS OB 47
Para manter um padratildeo para todas as medidas a distacircncia entre a lente e a amostra
foram padronizadas a fim de que a intensidade de luz solar concentrada sobre cada
dispositivo fosse aproximadamente agrave mesma
Tabela 3 10 ndash Valores de VOC e ISC para amostras iluminada sob luz solar direta expostas
durante cinco minutos cada
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PS OB 47 62 009 558
OBP3HT 33 003 99
PSOB 47P3HT 25 002 50
3434 ndash Curva caracteriacutestica de corrente versus tensatildeo aplicada (IndashV)
A partir desta etapa as caracterizaccedilotildees eleacutetricas dos dispositivos tambeacutem foram
realizadas atraveacutes das medidas das curvas IndashV As medidas foram realizadas no escuro e
sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio Para estes experimentos foram usados os trecircs tipos de
camadas ativas jaacute mencionadas para confeccionar os dispositivos
Os experimentos das medidas foram realizados em sala com temperatura e pressatildeo
atmosferica ambiente e iluminaccedilatildeo de lacircmpadas comuns Tambeacutem foram realizados testes
43
usando a lacircmpada de Hg iluminando diretamente a parte superior da amostra Contudo
natildeo foram observadas mudanccedilas significativas nas medidas para este grupo de amostras
Figura 3 12 ndash Ilustraccedilatildeo da polarizaccedilatildeo direta para amostras com P3HT e gota de
PEDOTPSS para medidas das curvas (IndashV)
Para evitar que a agulha perfurasse o filme fino de PEDOTPSS e atingisse o filme
de FTO uma gota mais espessa de PEDOTPSS foi colocada sobre o filme no ponto onde
a agulha fazia o contato conforme mostra a figura 312
As amostras foram submetidas a uma tensatildeo que variou de um valor maacuteximo a um
valor miacutenimo com passo conhecido e constante de 002 Com os dados coletados nesse
experimento os graacuteficos de corrente versus tensatildeo aplicada foram gerados Este graacutefico eacute
conhecido como curva caracteriacutestica do dispositivo Os resultados obtidos satildeo mostrados
nas figuras 313 314 e 315 foram obtidas sob iluminaccedilatildeo comum do laboratorio LDCI
A figura 313 mostra a curva caracteriacutestica do dispositivo com a camada ativa de
PSOB 47 A iluminaccedilatildeo foi realizada com a lacircmpada do equipamento Keither 2400 e
iluminaccedilatildeo ambiente do laboratoacuterio LDCI (ambas satildeo luz branca) Para polarizaccedilatildeo direta
de -2 a 2 V foram observados valores de VOC de 09 volts enquanto que a corrente de 003
A foi negativa
A figura 314 mostra a curva IndashV para amostra com camada ativa usando
P3HT+OB puro Para essa amostra os valores de VOC = 002 V e ISC 0013 A foram
obtidos
A figura 315 mostra a curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PSOB
47 +P3HT Os valores de VOC = 11 V e ISC 00124 A foram observados neste graacutefico
44
Figura 3 13 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47 Corrente e
tensatildeo observadas 003 uA e 09 Volts respectivamente
Figura 3 14 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de OB puro + P3HT Corrente
e tensatildeo observadas 0013 uA e 002 Volts respectivamente
45
Figura 3 15 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47+P3HT
Corrente e tensatildeo observadas 0012 uA e 11 volts respectivamente
3435 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Aqui jaacute eacute possiacutevel notar um progresso nas medidas em relaccedilatildeo agraves amostras das
etapas anteriores que possuiacuteam camada ativa mais espessa Os valores de VOC e ISC obtidos
com o multiacutemetro digital foram maiores para os dois tipos de iluminaccedilotildees lacircmpada Hg e
luz solar Estes resultados podem ser observados nas tabelas 39 e 310 Os resultados
mostram que o comportamento das amostras com camada ativa de PSOB 47
apresentaram melhores resultados Nota-se que a potecircncia fornecida pelas amostras
iluminadas pela luz solar natural eacute significantemente maior que quando iluminadas pela
lacircmpada de Hg
Nas amostras confeccionadas com blenda de OB puro+P3HT e PSOB 47
+P3HT foram observados resultados semelhantes tanto para VOC quanto para ISC
As trecircs amostras apresentaram comportamento distinto sendo que a amostra com
camada ativa feita com o PSOB 47 o resultado eacute mais parecido com o efeito
fotovoltaico e por isso eacute mais relevante
46
Para as proacutexinas amostras natildeo seraacute mais empregado o uso do P3HT Pois como foi
mostrado nos resultados seu uso natildeo favoreceu melhoras nas medidas Apesar dos
resultados apresentados e conseguidos ateacute aqui serem pequenos ainda assim podem ser
considerados satisfatoacuterios e promissores Pois se trabalhou com materiais novos e estaacute
empregando poliacutemeros isolantes de baixo custo usando oacuteleo vegetal como dopante
Reforccedilando a motivaccedilatildeo para o uso destes materiais no desenvolvimento em dispositivos
fotovoltaicos orgacircnicos
35 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS III
351 ndash Experimentos Etapa 1
Nesta etapa as pesquisas foram centralizadas em misturas de poliacutemeros isolantes
dopados com OB Aleacutem da mistura do PS com OB estudado anteriormente tambeacutem foi
incorporado agrave pesquisa a mistura do PMAM com OB Estudos recentes de Duratildees et al [8]
sobre a absorccedilatildeo de luz destes materiais na faixa de ultravioleta e luz visiacutevel mostraram
que quando o OB eacute adicionado agraves matrizes de PS e de PMAM um aumento significante
na absorccedilatildeo da luz eacute observado
As amostras dos dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos consistiram em camada ativa
contendo PS puro PS com 47 OB PMAM puro e PMAM com 35 de OB
As amostras foram ensanduichadas entre dois eletrodos PEDOT PSS e Ag A
caracterizaccedilatildeo eleacutetrica para as medidas de VOC e ISC foi realizada com a iluminaccedilatildeo da
lacircmpada de Hg 80 W e luz solar As curvas IndashV foram mensuradas usando um sistema de
caracterizaccedilatildeo de semicondutores Keithey 2400
3511 ndash Confecccedilatildeo das amostras usando PS e PMAM 1ordm grupo
Os dispositivos foram preparados sobre um substrato de vidro recoberto com
camada de FTO a resistecircncia da lacircmina eacute de aproximadamente 41-60 Ω
Os filmes de PEDOT PSS foram confeccionados com rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante
25 segundos e secos em estufa a 80 degC por 15 minutos Apoacutes os filmes das camadas ativas
das amostras serem feitos usando rotaccedilatildeo de 5000 rpm por 40 segundos foram secos em
estufa a 100 Cdeg por 15 minutos
47
Por fim foi usada a tinta de Ag para fazer o eletrodo superior Esse eletrodo foi
pintado com pincel comum de cerdas finas O contato superior foi pintado em forma de
linhas sobre o filme da camada ativa conforme mostrado na Figura 310
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo usando lacircmpada de Hg 80 W
As mesmas formas descritas anteriormente de caracterizaccedilatildeo foram utilizadas aqui
para fazer as medidas de VOC e ISC Os resultados obtidos com iluminaccedilatildeo da lacircmpada de
Hg durante cinco minutos de exposiccedilatildeo para o 1ordm grupo de amostra satildeo mostrados na
tabela 311
Tabela 3 11 ndash Resultados das medidas de ISC e VOC das amostras do 1ordm grupo sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpada durante 05 minutos de exposiccedilatildeo
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W)
PS puro 02 000 00
PSOB 47 08 003 0024
PMAM puro 02 000 00
PMAMOB 35 06 002 0012
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar
Foram usados os mesmos procedimentos e instrumentos descritos anteriormente
para obter as medidas de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo de luz solar direta usando-se lentes
convergentes durante cinco minutos de exposiccedilatildeo A tabela 312 mostra os valores
obtidos
Tabela 3 12 ndash Resultados para ISC e VOC sob iluminaccedilatildeo luz solar por aproximadamente
05 minutos de exposiccedilatildeo
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W)
PS puro 11 001 0011
PSOB 47 39 006 0234
PMAM puro 09 002 0018
PMAMOB 35 27 004 0108
48
3512 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Como pode ser visto nas tabelas 311 e 312 os valores de VOC e ISC para as
amostras contendo PS puro e PMAM puro mostraram desempenhos inferiores que aquelas
com adiccedilatildeo do OB Nas caracterizaccedilotildees sob luz solar os desempenhos das amostras foram
superiores quando comparados com os valores obtidos sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada de Ag
Apesar da amostra com camada ativa da mistura de PMAMOB 35 ter mostrado valores
mais baixos quando comparados agrave amostras contendo camada ativa com a mistura de
PSOB 47 ela ainda tem valores superiores agravequeles mostrados quando a camada ativa
era composta por misturas de PSOB 47 +P3HT
352 ndash Experimentos Fase 2
3521 ndash Confecccedilatildeo das amostras do 2ordm grupo
Para o 2ordm grupo de amostras foram confeccionadas quinze unidades sendo que
foram reproduzidas mais de uma amostra para cada tipo de camada ativa Isto foi feito para
observar a reprodutibilidade das amostras e a repetibilidade das medidas As amostras
foram nomeadas de A5 a A19 Todas as amostras seguiram os mesmos criteacuterios de
confecccedilatildeo jaacute mencionados anteriormente Para este grupo foi usada uma rotaccedilatildeo maior no
spin coater
Para fazer o filme de PEDOTPSS foi usada uma rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante
trinta segundos Para a deposiccedilatildeo da camada ativa foi usada uma rotaccedilatildeo de 6000 rpm
durante sessenta segundos Neste caso as amostras foram secas em temperatura ambiente
Este conjunto de amostras deve possuir filmes mais finos que os filmes das amostras
anteriores devido ao aumento da rotaccedilatildeo do spin coater durante a deposiccedilatildeo
Para medir a aacuterea ativa com mais precisatildeo para este grupo de amostras os contatos
superiores de Ag foram desenhados em apenas um ponto A confecccedilatildeo dos dispositivos
seguiu a configuraccedilatildeo das camadas e a geometria do eletrodo de Ag conforme o esquema
mostrado na figura 316 O contato de prata foi pintado em forma de retacircngulo que
representa a aacuterea ativa e ficou em torno de 010cm2
49
Figura 3 16 ndash Estruturas das camadas e do contato de Ag dos dispositivos fotovoltaicos
orgacircnicos usado para o 2 ordm grupo de amostras
3522 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar
Este grupo de amostras foi submetido somente agrave caracterizaccedilatildeo de luz solar direta
As medidas foram realizadas em dias diferentes a fim de observar a repetibilidade das
medidas dos dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos confeccionados
Os dados da tabela 313 mostram medidas de VOC e ISC realizadas entre dez e onze
horas da manhatilde sob sol intenso e usando lentes convergentes Para estas amostras o
tempo de exposiccedilatildeo foi de aproximadamente dez minutos Com tempo de exposiccedilatildeo
maior e usando lentes convergentes as amostras A5 A6 A7 e A8 se aqueceram muito e
se danificaram Contudo valores de VOC obtidos foram bem superiores
Foram realizadas medidas em dois dias usando as amostras A9 A10 A11 A13
A14 A15 A16 A17 A18 e A19 para observar a repetibilidades das medidas As tabelas
14 e 15 mostram medidas de VOC e ISC realizadas nos dias 12052009 e 18052009
respectivamente entre dez e onze horas da manhatilde sob sol forte e usando lentes
convergentes para concentrar os raios solares na camada ativa da amostra
Tabela 3 13 ndash Medidas realizadas para as amostras A5 A6 A7 sob iluminaccedilatildeo solar
direta durante 10 minutos
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W) Amostra
PS puro 18 004 0072 A5
PS OB 47 49 008 0392 A6
PMAM puro 11 001 0011 A7
PMAMOB 35 48 005 024 A8
50
Tabela 3 14 ndash Medidas realizadas no dia 12052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W) Amostra
PS OB 47 11 003 0033 A9
PS puro 08 0 0 A10
PS puro 1 001 001 A11
PS OB 47 19 003 0057 A13
PS OB 47 11 003 0033 A14
PS OB 47 12 002 0024 A15
PMAM puro 09 001 0009 A16
PMAM puro 07 001 0007 A17
PMAMOB 35 11 001 0011 A18
PMAMOB 35 14 005 007 A19
Tabela 3 15 ndash Medidas realizadas no dia 18052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W) Amostra
PS OB 47 12 004 0048 A9
PS puro 06 01 006 A10
PS puro 08 001 008 A11
PS OB 47 21 004 0084 A13
PS OB 47 15 003 0045 A14
PS OB 47 10 002 002 A15
PMAM puro 07 001 00007 A16
PMAM puro 08 001 00008 A17
PMAMOB 35 12 003 0036 A18
PMAMOB 35 13 005 0065 A19
3523 ndash Curva caracteriacutestica corrente versus tensatildeo (IndashV)
Foram realizadas medidas das curvas IndashV usando o sistema de caracterizaccedilatildeo de
semicondutores Os procedimentos adotados foram descritos anteriormente Para estas
amostras foram usadas quatro tipos de camada ativa PS puro PSOB 47 PMAM puro e
51
PMAMOB 35 As medidas das curvas IndashV foram realizadas no escuro e sob iluminaccedilatildeo
natural do laboratoacuterio LDCI
Natildeo foram observadas grandes influecircncias sobre o efeito da iluminaccedilatildeo nas
amostras pois as curvas IndashV obtidas no escuro e no claro apresentaram valores parecidos
para VOC e ISC
Para a camada ativa confeccionada com o poliacutemero PS puro (figura 317) a curva
IndashV realizada no escuro e no ambiente iluminado mostra uma superposiccedilatildeo das curvas
O dispositivo com camada ativa feita de PSOB 47 mostrada na (figura 318)
natildeo se observa diferenccedila significativa nas curvas obtidas no escuro e com iluminaccedilatildeo do
laboratoacuterio O mesmo pode ser observado na (figura 319) onde a camada ativa eacute feita de
PMAM puro Contudo observou-se uma leve diferenccedila nas curvas mostradas na (figura
320) para a amostra confeccionada com camada ativa da mistura de PMAMOB 35
Onde houve um pequeno deslocamento para a corrente
Figura 3 17 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PS puro No escuro e sob
iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
52
Figura 3 18 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PSOB 47 No escuro e
sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
Figura 3 19 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAM puro No escuro
e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
53
Figura 3 20 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAMOB 35 No
escuro e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
3524 ndash Medida de espessura
As espessuras dos filmes foram medidas usando um Perfilocircmetro Dektak 150
VEECO Os filmes de PEDOTPSS depositados pela teacutecnica de spin coating usando
rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante quarenta segundos apresentaram espessuras na ordem de 180
nanocircmetros
Os procedimentos para medir as espessuras consistiram em medir vales e
superfiacutecie Para realizar as medidas dos filmes um risco foi feito usando a ponta de um
estilete conforme mostra a figura 321 O risco foi percorrido com a ponta do perfilocircmetro
com distacircncia de 500 m no sentido transversal Para obter a espessura do filme mede-se
entatildeo a diferenccedila de altura entre um ponto de referecircncia R fundo do vale e M superfiacutecie do
filme conforme mostrado na figura 322 Os procedimentos foram realizados em trecircs
diferentes regiotildees da amostra onde foi obtido um valor meacutedio da espessura do filme
54
Figura 3 21 ndash Risco feito no filme da amostra onde a ponta do perfilocircmetro executou a
varredura
Figura 3 22 ndash Medindo a diferenccedila da altura entre os cursores (R - reference) e (M -
measurement) para determinar a espessura do filme
Todos os quatro tipos de filmes usados para formar as camadas ativas dos
dispositivos que foram depositados por spin coating tiveram suas espessuras medidas Para
cada amostra foram feitos trecircs riscos em pontos alternados a fim de se verificar a
uniformidade na espessura Os riscos seguiram o exemplo ilustrado na figura 321 Os
resultados das trecircs medidas e o seu valor meacutedio para cada filme satildeo mostrados nas tabelas
316 e 317
A tabela 316 mostra os resultados das medidas de espessuras de filmes depositados
com rotaccedilatildeo de 5000 rpm durante 60 segundos A tabela 317 mostra os valores das
afericcedilotildees das espessuras para os filmes depositados com rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante 60
segundos Pode-se observar que os filmes feitos com rotaccedilotildees maiores apresentaram
valores de espessuras menores Tambeacutem eacute observado que a adiccedilatildeo do OB nas matrizes
polimeacutericas isolantes tende a camadas mais espessas mesmo para um mesmo valor de
rotaccedilatildeo quando comparada com os filmes sem o OB
55
Tabela 3 16 ndash Medida dos pontos e a media medida dos filmes das camadas ativas feitos
com rotaccedilatildeo de 5000 rpm Valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M
Camada ativa 1deg Ponto (nm) 2deg Ponto (nm) 3deg Ponto (nm) Meacutedia (nm)
PS puro 194 202 189 195
PS OB 47 283 305 296 2946
PMAM puro 127 90 105 1073
PMAM OB 35 235 269 259 2543
Tabela 3 17 ndash Medida dos pontos e a media dos filmes das camadas ativas feitos com
rotaccedilatildeo de 6000 rpm O valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M
Camada ativa 1deg ponto (nm) 2deg ponto (nm) 3deg ponto (nm) Meacutedia (nm)
PS puro 126 130 128 128
PS OB 47 221 218 208 2156
PMMA puro 76 113 97 953
PMMA OB 35 196 163 180 1796
3524 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Pode-se observar nestas medidas que as amostras contendo misturas de PSOB
47 em sua camada ativa mostraram resultados melhores que as outras amostras
analisadas Tambeacutem foi comprovado que as amostras podem ser reproduzidas sendo que
suas medidas foram repedidas As amostras que foram feitas em duplicatas ou triplicadas
possuem valores de VOC e ISC muito parecidos confirmando assim a reprodutibilidade na
sua fabricaccedilatildeo Atraveacutes das tabelas 314 e 315 pode ser observado que os valores obtidos
satildeo repetidos em dias diferentes mesmo assim natildeo ocorreram diminuiccedilotildees nos valores
medidos de VOC e ISC
Para as curvas IndashV coletadas no laboratoacuterio no escuro e sob iluminaccedilatildeo ambiente
para os dispositivos com camadas ativas com misturas das matrizes polimeacutericas de PSOB
47 e PMAM OB 35 (figuras 318 319 319 e 320) natildeo foram detectadas variaccedilotildees
relevantes entre os diferentes tipos de camadas ativas sob diferentes condiccedilotildees de
iluminaccedilatildeo O intrigante nestas medidas eacute que o mesmo efeito que aparece no claro
aparece tambeacutem no escuro As curvas tendem a um comportamento com resistecircncia de
56
diferencial negativa proacuteximo a tensotildees mais baixas Talvez isso aconteccedila devido agrave
caracteriacutestica intriacutenseca dos materiais utilizados nas confecccedilotildees das amostras
353 ndash Experimentos Etapa 3
3531 ndash Confecccedilatildeo das amostras com parte do FTO removido
Nesta etapa os dispositivos tambeacutem foram preparados sobre substrato de vidro o
mesmo tipo usado anteriormente Poreacutem aqui antes de fazer a deposiccedilatildeo dos filmes parte
do FTO foi removida do substrato de vidro A corrosatildeo do FTO foi feita utilizando uma
tinta homogecircnea preparada com poacute de zinco (Zn)
Para conservar parte do FTO no substrato foi utilizada fita adesiva sendo tambeacutem
possiacutevel utilizar tinta ou esmalte [46] Com parte do FTO protegido o substrato foi
mergulhado em soluccedilatildeo diluiacuteda de aacutecido cloriacutedrico (HCI)
Apoacutes a etapa de corrosatildeo as lacircminas passaram por um processo de limpeza Os
substratos foram limpos para retirar gorduras e resiacuteduos quiacutemicos
A corrosatildeo se fez necessaacuteria para evitar curto circuito entre os eletrodos de contato
do dispositivo Mudou-se a geometria dos substratos porque em algumas medidas de
curvas IndashV que foram obtidas em algumas amostras obteve-se curvas do tipo ocirchmico Isto
pode ter ocorrido porque o eletrodo de FTO estava ocupando toda a superfiacutecie do
substrato de vidro e pode ter ocorrido que na hora das medidas a agulha do equipamento
de medidas pode ter perfurado os filmes das camadas do dispositivo medindo apenas o
filme de FTO que apresenta curva puramente ocirchmica Assim com parte do FTO retirado
garante que a corrente flua apenas pelas camadas dos filmes do dispositivo A geometria
da lacircmina de vidro apoacutes a corrosatildeo pode ser visualizada na figura 323
Figura 3 23 ndash Geometria da lacircmina de vidro apoacutes corrosatildeo do FTO
57
Com o substrato limpo e seco e com a nova geometria desenvolvida segue para a
etapa da deposiccedilatildeo do poliacutemero condutor PEDOTPSS que serviu de um dos eletrodos A
deposiccedilatildeo foi realizada sobre toda a lacircmina de vidro conforme mostra o esquema da figura
324 O filme foi feito usando a teacutecnica de spin coating com rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante
cinquumlenta e cinco segundos o filme foi seco em estufa a 50 degC por 15 minutos
Os materiais utilizados como camada ativa foram PS puro PSOB 47 PMAM
puro e PMAMOB 35 Os diferentes tipos de camadas ativas foram depositados sobre a
estrutura vidroFTOPEDOTPSS usando a teacutecnica de spin coating com rotaccedilatildeo de 7000
rpm durante quarenta segundos Os filmes das camadas ativas foram secos em temperatura
ambiente
O outro eletrodo foi pintado sobre a camada ativa com tinta condutora de Ag A
estrutura vidroFTOPEDOT PSScamada ativaAg do dispositivo final pode ser vista na
figura 324 A regiatildeo ativa tem aacuterea de aproximadamente 009 cm2
Figura 3 24 ndash Geometria das camadas do dispositivo
3532 ndash Caracterizaccedilatildeo das curvas (IndashV )
As amostras foram caracterizadas atraveacutes das curvas IndashV Na figura 325 satildeo
mostradas comparaccedilotildees entre resultados obtidos para camadas ativas com o PS puro e
PSOB 47 Na figura 326 satildeo mostradas comparaccedilotildees entre resultados obtidos para
camadas ativas com o PMAMOB 35 Foi observado que para as camadas ativas sem o
OB o comportamento da curva Indash V eacute puramente ocirchmico ou seja linear Pode-se ressaltar
58
um comportamento resistivo para o filme utilizado nessa camada ativa enquanto que para
o filme da camada ativa com OB as curvas natildeo satildeo lineares
Outro detalhe a ser notado foi que para os filmes de PS puro e PSOB 47 as
correntes obtidas satildeo maiores que para os filmes confeccionados com PMAM puro e
PMAMOB 35 isto concorda com os resultados obtidos atraveacutes da iluminaccedilatildeo onde os
valores de VOC e ISC tambeacutem se apresentaram maiores
O dispositivo feito com o PS puro apresenta uma resistecircncia maior que o
dispositivo feito com PMAM puro isto talvez aconteccedila devido agraves diferenccedilas nas
espessuras das camadas ou nas propriedades intriacutensecas do material
Como pode ainda ser observadas nas figuras 325 e 326 quando se usou camada
ativa contendo o OB em sua mistura mudanccedilas ocorreram nos comportamentos das curvas
IndashV O comportamento da curva natildeo eacute mais linear e apresenta simetria para as duas
polarizaccedilotildees aplicadas (-V+V) Nos casos das curvas observadas para as camadas ativas
contento OB observou-se curvas semelhantes agrave curva de um diodo do tipo metal isolante
metal (MIM) [47]
Figura 3 25 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PS puro
e PS OB 47
59
Figura 3 26 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PMAM
puro e PMAMOB 35
Para quase todas as amostras que confeccionamos nas condiccedilotildees descritas acima
teve-se respostas nas medidas eleacutetricas para as caracterizaccedilotildees das curvas IndashV realizadas
no laboratoacuterio LDCI Foi observado que os dispositivos contendo OB apresentaram um
efeito fotovoltaico em temperatura ambiente As medidas foram realizadas no escuro e
com iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio Nas figuras 327 e 328 satildeo mostradas as curvas IndashV para
os dispositivos confeccionados com camadas ativas de PSOB 47 e PMAMOB 35
respectivamente
Em quase todas as amostras que foram realizadas as medidas das curvas IndashV o
efeito fotovoltaico foi observado Pode-se observar nesses resultados um aumento da
fotocorrente quando as amostras foram iluminadas
60
Figura 3 27 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PSOB
47 no claro e escuro
Figura 3 28 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de
PMAMOB 35 no claro e escuro
61
3533 - Anaacutelise e discussatildeo
Paras esses dispositivos natildeo foram apresentados os caacutelculos da eficiecircncia ( nem o
valor de IPCE porque para determinar tais paracircmetros dos dispositivos fotovoltaicos seraacute
necessaacuterio conhecer a I0 e mencionados no capiacutetulo II Poreacutem para as medidas
realizadas nesta pesquisa natildeo foram considerados o coeficiente de massa de ar o acircngulo
de inclinaccedilatildeo da luz incidente na amostra nem o comprimento de onda Paracircmetros que soacute
seratildeo determinados usando-se um sistema utilizado para caracterizaccedilatildeo de dispositivo
fotovoltaico No momento natildeo havendo disponibilidade de tal equipamento no laboratoacuterio
Observou-se que a inserccedilatildeo de OB em matrizes polimeacutericas isolantes tais como a
de PMAM e PS promoveram a absorccedilatildeo de foacutetons e portanto a formaccedilatildeo de eacutexciton Os
VOC foram de 008 V para o PMAMOB 35 e 03 V para PSOB 47 No caso do valor
de VOC obtidos para o PSOB 47 o nuacutemero eacute aproximadamente o mesmo valor da
diferenccedila da funccedilatildeo trabalho entre o PEDOTPSS (49 eV ) e a Ag (46 eV) No entanto
para o PMAMOB 35 este nuacutemero eacute inferior agrave diferenccedila da funccedilatildeo trabalho entre
PEDOTPSS e a Ag Aqui vale a pena ressaltar que as funccedilotildees trabalho do PEDOTPSS
podem variar entre 48 e 49 eV e a funccedilatildeo trabalho da prata podem variar de 452 eV e
474 eV dependendo da interface entre os materiais da camada ativa Assim pegou-se o
valor de 474 eV para a funccedilatildeo trabalho da prata e de 48 eV para o PEDOTPSS obteve-se
um valor de 006 eV o qual estaacute bastante proacuteximo do valor de 008 eV que eacute a tensatildeo de
circuito aberto obtida para a amostra de PMAMOB 35 Os valores de VOC satildeo limitados
pelo potencial de contato ou pelas diferenccedilas entre a funccedilatildeo trabalho dos eletrodos Sendo
assim neste sistema natildeo eacute possiacutevel conseguir tensotildees de VOC maiores Entretanto se for
utilizado materiais onde as funccedilatildeo trabalho dos eletrodos sejam muito diferentes poderaacute
obter VOC ainda maiores Os resultados obtidos nesse trabalho satildeo menores que os
relatados em trabalhos publicados [48-52] Contudo trabalhou-se com novos materiais
abundantes e baratos Aleacutem de se ter usado oacuteleo vegetal que eacute um material natural e que se
acredita no seu potencial para em breve obter melhores resultados
354 Caracterizaccedilatildeo dos Materiais por Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM)
Um dos paracircmetros importantes nos filmes polimeacutericos eacute a topologia pois a partir
dela se se pode inferir a uniformidade das camadas A questatildeo da uniformidade da
superfiacutecie dos materiais em Eletrocircnica Orgacircnica eacute importante porque permite conhecer o
62
desempenho eletrocircnico dos filmes Fatores como injeccedilatildeo e o transporte de cargas podem
ser facilitados ou bloqueados dependendo da espessura da camada polimeacuterica e da sua
regularidade fiacutesica ou quiacutemica [53] Neste sentido eacute importante investigar a topografia dos
materiais para que se possam entender fenocircmenos de transporte eletrocircnico que podem
ocorrer ou natildeo sob influecircncia da morfologia
As imagens por microscopia de forccedila atocircmica (AFM) revelaram diferenccedilas entre
filmes com as matrizes polimeacutericas puras e filmes com as matrizes modificadas com OB
O PS puro mostrou uma superfiacutecie suave com alguns relevos dispersos na aacuterea de
varredura (Figura 329) A presenccedila de oacuteleo de buriti nesta matriz polimeacuterica modificou
significativamente a superfiacutecie do material Houve formaccedilatildeo de pequenos e numerosos
gloacutebulos que ocorrem em um periacuteodo de espaccedilo muito pequeno resultando em uma
superfiacutecie aparentemente rugosa (Figura 330) Para o material PSOB 47 eacute possiacutevel
observar uma maior ocorrecircncia de picos regiotildees mais claras confirmando a possibilidade
da rugosidade do material
Figura 3 29 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS puro obtida por AFM no modo
contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
63
Figura 3 30 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS OB 47 por AFM modo contato
Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
A superfiacutecie do PMAM ao contraacuterio da superfiacutecie do PS apresentou possiacutevel
protuberacircncia ou gloacutebulos esfeacutericos em toda aacuterea de varredura (Figura 331) Haacute aacutereas onde
existe uma grande incidecircncia de vales identificados na figura por regiotildees mais escuras
Essas podem ser localizadas nas extremidades da amostra enquanto que no centro da
superfiacutecie haacute grandes nuacutemeros de picos indicando a possibilidade de ser um material com
bastante rugosidade
64
Figura 3 31 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PMAM puro obtida por microscopia
de forccedila atocircmica no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
Figura 3 32 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PAMAM OB 35 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
65
A presenccedila de OB na concentraccedilatildeo de 35 na matriz de PMAM resultou em
pequenas mudanccedilas na topografia do material (Figura 332) Natildeo houve grandes mudanccedilas
na morfologia da superfiacutecie do filme que possa ser determinada visualmente Entretanto a
geometria dos gloacutebulos foi alterada de uma forma arredondada (Figura 331) para uma
forma pontiaguda (Figura 332)
Outro material estudado foi o P3HT com OB puro e o P3HT + PSOB 47 A
superfiacutecie do filme de P3HTOB puro (Figura 334) tambeacutem mostrou um material com
possiacuteveis rugosidade em sua superfiacutecie entretanto a diferenccedila entre esta superfiacutecie e a
topografia do material P3HT+ PSOB 47 (figura 335) estaacute no tamanho das estruturas
que compotildeem a superfiacutecie de ambos os materiais
Figura 3 33 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HTOB puro obtida por AFM no
modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
66
Figura 3 34 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HT+PS OB 47 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
A Figura 333 revela estruturas menores que consequumlentemente ocupam um
espaccedilo menor dentro da aacuterea de varredura e por isso se apresentam em grande nuacutemero
resultando a possibilidade de rugosidade mais alta
A Figura 334 mostra estruturas do material P3HT+PS OB 47 que apresentam
geometrias similares agrave do material P3HTOB puro contudo com dimensotildees maiores
Desta forma estas estruturas ocupam um espaccedilo maior dentro da aacuterea de varredura e se
apresentam em menor quantidade proporcionando possiacuteveis rugosidades em tamanhos
menores que o P3HT OB puro
67
Capiacutetulo IV
Conclusotildees e Recomendaccedilotildees
68
4 ndash CONCLUSOtildeES E RECOMENDACcedilOtildeES
Atraveacutes destes estudos preliminares em linhas gerais os dispositivos projetados
construiacutedos e as medidas obtidas neste trabalho permitem direcionar para a construccedilatildeo e
caracterizaccedilatildeo de dispositivos fotovoltaicos baseados no uso do OB como dopante Os
dados obtidos satildeo bastante promissores e sinalizam para o alcance do sucesso na
construccedilatildeo desses dispositivos a partir de matrizes modificadas com OB
Os resultados apresentados no capiacutetulo III no toacutepico referente aos dados
experimentais e resultados I foram dos dispositivos desenvolvidos baseados no modelo
dos dispositivos fotovoltaicos desenvolvidos por Graumltzel com o propoacutesito de observar o
OB como eletroacutelito da camada ativa Medidas de VOC e ISC para as amostras
confeccionadas foram mensuradas embora os resultados obtidos fossem baixos quando
comparados com a literatura Contudo os materiais empregados satildeo novos e mostraram
promissores
No contexto dos dados experimentais e resultados I apresentou-se o
desenvolvimento de dispositivos usando o substrato de PET desenvolvendo a
configuraccedilatildeo de dispositivo fotovoltaico orgacircnico monocamada direcionados na busca de
substratos flexiacuteveis de menor custo no propoacutesito de substituir o substrato de vidro
recoberto com FTO Para estes dispositivos consegui-se obter valores de VOC e ISC sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpada usando um multiacutemetro para as referidas medidas Entretanto esse
tipo de substrato apresentou diversas inviabilidades conforme relatado nesta pesquisa
Novamente trabalhou-se com substrato de vidro recoberto com FTO com
configuraccedilatildeo de dispositivo fotovoltaico orgacircnico monocamada Acredita-se que as
espessuras dos filmes das camadas ativas possam ter influenciado nos baixos resultados
obtidos Ateacute essa etapa dos experimentos as camadas ativas eram construiacutedas
manualmente proporcionando assim camadas ativas espessas
Os resultados apresentados no toacutepico referente aos dados experimentais e resultados
II abordaram a configuraccedilatildeo monocamada em substrato de vidro recoberto com FTO onde
se fez o uso de camadas ativas com poliacutemero semicondutor P3HT misturado com OB Para
efeito de comparaccedilatildeo construiu-se camada ativa usando o PS um poliacutemero isolante
misturado com 47 de OB A partir destes experimentos os filmes dos dispositivos foram
confeccionados com spin coater o que proporcionou a construccedilatildeo de filmes mais finos
As caracterizaccedilotildees foram realizadas usando lacircmpadas e luz solar direta para
medidas de VOC e ISC com o multiacutemetro tambeacutem foram realizadas caracterizaccedilotildees com
69
curvas I-V sob a luz ambiente do laboratoacuterio As curvas levantadas mostraram efeitos
semelhantes ao efeito fotovoltaico para os materiais das camadas ativas pesquisadas Pelos
resultados obtidos nessa etapa do trabalho observou-se que as amostras confeccionadas
com o poliacutemero isolante misturado com o OB apresentaram melhores desempenhos
Embora jaacute existam resultados na literatura usando o semicondutor P3HT para fazer
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos com desempenho relativamente alto nas pesquisas
desenvolvidas nesse trabalho o uso do P3HT natildeo sinalizou vantagens em relaccedilatildeo ao uso
do poliacutemero isolante PS
Nesse trabalho as pesquisas foram focadas apenas em materiais de baixo custo
que proporcionaram resultados animadores usando o poliacutemero PS misturado com OB
Os resultados apresentados nos toacutepicos que abrangem os dados experimentais e
resultados III abordaram o uso dos poliacutemeros isolantes PS e PMAM modificados com OB
na configuraccedilatildeo de dispositivo fotovoltaico em monocamada usando substrato de vidro
recoberto com FTO Foram realizadas medidas eleacutetricas diretas dos dispositivos sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpadas e iluminaccedilatildeo solar fazendo-se uso de multiacutemetro para as medidas
Tendo respostas interessantes com estes experimentos pois as medidas foram realizadas
com multiacutemetros comuns com cabos que apresentam impedacircncias que agregaram perdas
substanciais das tensotildees e correntes geradas pelos dispositivos Mesmo assim obtiveram-
se as medidas de VOC e ISC
Os resultados mais empolgantes foram os caracterizados com curvas I-V
desenvolvidos com substratos tendo parte do FTO removidas no qual se permitiu
visualizar as curvas de tensatildeo e corrente apenas dos filmes sem a interferecircncia do filme
condutor de FTO Em vaacuterias amostras pocircde-se observar um efeito fotovoltaico entretanto
com valores bem abaixo aos relatados pela literatura vigente sobre o assunto
Nesse trabalho apresentou-se um material novo e promissor na aacuterea de pesquisa
dos dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos como tambeacutem o uso de oacuteleos vegetais como
dopante de poliacutemeros para o desenvolvimento de dispositivo de baixo custo com
tecnologia de faacutecil domiacutenio e acessiacutevel
Os resultados apresentados sugerem os seguintes trabalhos futuros
1 Desenvolvimento de dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos agrave base de poliacutemeros
isolantes com camadas ativas mais finas na ordem de nanocircmetros a fim de facilitar
a dissociaccedilatildeo dos eacutexcitons nas interfaces dos materiais O uso de novas teacutecnicas de
deposiccedilatildeo para conseguir filmes nesta ordem de grandeza
70
2 Desenvolvimento de novas estruturas usando os PSOB 47 e PMAMOB 35
em novas arquiteturas como os dispositivos em bicamadas e heterojunccedilatildeo para
melhorar os resultados jaacute obtidos
3 Siacutentese de novas misturas com poliacutemeros usando outros oacuteleos vegetais abundantes
na natureza que apresentaram absorccedilatildeo na faixa do espectro visiacutevel
4 Construccedilatildeo de novos eletrodos de contatos usando teacutecnicas de evaporaccedilatildeo com o
intuito de diminuir as resistecircncias dos contatos e melhorando a coleta das correntes
geradas
5 Caracterizar as amostras usando o simulador solar Caracterizar os filmes usando
perfilocircmetro e AFM buscando filmes com menos rugosidades Correlacionar
medidas das curvas I ndashV com as medidas de AFM
71
REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
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Brasiacutelia DF 2008
75
APEcircNDICES
77
APEcircNDICE 1
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Artigo Publicado
Silva E R Ceschin A M J A Duratildees A possible organic solar cell based on Buriti
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Natal - RN The Electrochemical Society (ECS) the society for solid-state and
electrochemical science and Technology EUA Pennigton 2009 v 23 P 553-556
(2009)
Artigo Aceito
Silva E R Romariz A R S Ceschin A M Study of organic MIM junctions for use
in photovoltaic devices In 25th Symposium on Microelectronics Technology and
Devices SBMicro 2010 Satildeo Paulo - SP The Electrochemical Society (ECS) the society
for solid-state and electrochemical science and Technology EUA Pennigton artigo
aceito (2010)
Resumo Publicado
Silva E R Ceschin A M Photovoltaic effect observed in junctions based on Buriti
oil In 11 th International Conference on Advanced Materials (ICAM2009) 2009 Rio
de Janeiro 11 th International Conference on Advanced Materials 2009
78
A possible Organic Solar Cell Based on Buriti Oil
E R da Silva a J A Duratildees
b and A M Ceschin
a
a Departamento de Engenharia Eleacutetrica - Laboratoacuterio de Dispositivos e Circuito
Integrado Universidade de Brasiacutelia CP 4386 CEP 70904-970 Brasiacutelia DF - Brasil b Instituto de Quiacutemica ndash Laboratoacuterio de Pesquisa em Poliacutemeros Universidade de
Brasiacutelia
CEP 70904-970 Brasiacutelia DF ndash Brasil
This work proposes a new approach - the possible production of
organic solar cells based on Buriti oil We propose the
formation of an active layer three types of mixture always
exploring the use of Buriti oil The active layers were deposited
by spin coating the mixture of Buriti oil polystyrene (PS) Buriti
oil poly (3- hexylthiophene) (P3HT) and blend Buriti oil PS
plus P3HT For the three devices investigated here we use a
glass substrate coated with fluoride-doped tin oxide (FTO) An
electrode of poly (34-ethylenedioxythiophene) poly (4-
styrenesulfonate) (PEDOT PSS) was deposited by spin coating
The other electrode was painted on top with silver conductive
ink (Ag) We show two different illuminations for the
characterization of the devices For the acquisition of measures
resistance () open circuit voltage (VOC) and the short circuit
current (ISC) a common digital multimeter was used
Introduction
Organic solar cells are being investigated for their potential use in the cheap and
clean conversion of abundant solar energy In addition polymer solar cells have
attracted considerable attention because of their potential use in low-cost lightweight
solution processable and flexible large-area panels (1) In the best performing solid state
organic solar cells reported to date (23) a conjugated polymer is blended with an
electron accepting material to form the bulk-heterojunction structure for efficient
exciton dissociation (34) Academic attention has focused on blends of poly (3-
hexylthiophene) (P3HT) and [66]-phenyl C61-butyc acid methyl ester (PCBM) since
these two materials show the highest power conversion efficiency in their bulk-
heterojunction which is around 5 The combination of unique semiconducting
electronic property and mechanical aspects similar to conventional plastics is an
attractive feature in spite of the lower efficiencies prevailing in these systems Each
polymer has unique properties and responds differently to different stimulus However
its characteristics can be improved by blending two polymers or by adding some
compounds called additives producing interesting results As an example we can take a
polystyrene (PS) matrix mixed with Buriti oil this modified material shows a very
broad absorption between 150 to 400 nm with a maximum at 320 nm (67) Figure 1
shows the spectrum of absorption for four types of concentration of Buriti oil in PS
matrix
79
Figure 1 Spectra of absorption of UV radiation of PS films and PS- Buriti oil (7)
This feature makes it a promising candidate for photovoltaic studies Based on
this result we decided to investigate Buriti oil P3HT Buriti oilPS and Buriti
oilPSP3HT mixtures in solar cell fabrication Thus the possible fabrication of the
Buriti oil solar cell and its results are reported and discussed here
Sample Preparation
The devices consist basically of an active layer made of Buriti oilPS or Buriti
oilP3HT films or Buriti oilPSP3HT material placed in-between the bottom
electrode of poly(34-ethylenedioxythiophene)poly(4-styrenesulfonate) (PEDOTPSS)
and the top silver (Ag) electrode Devices were assembled on glass substrates covered
with fluoridedoped tin oxide (FTO) with planar resistance in order of 30 _ cm without
further treatment The actives layer and the bottom electrode were deposited by spin
coating (6000 and 5000 rpm respectively) while the silver electrode was painted
PEDOT PSS was used in order to smooth the FTO surface and to decrease the hole
barrier A first kind of active layer was prepared through deposition (6000 rpm spin
coating) of a solution prepared by dissolving appropriate amounts of PS and Buriti oil
4681 wt (extracted with supercritical CO2) at room temperature in analytical grade
reagent chloroform The second kind of active layer was prepared through deposition of
Buriti oil and P3HT mix dissolved in analytical grade reagent toluene The last active
layer was prepared by mixing Buriti oilPS with P3HT dissolved in an analytical grade
reagent chloroform
After each spin coating deposition the films were dried in a stove at 100 0C for
about 15 minutes Devices of active area A~ 20 cm2 were obtained Figure 2 shows a
schematic view of the finished device
80
Figure 2 Structure of the Buriti oil solar cell
Characterization
The measurements were obtained using a common digital multimeter model
ET-2042C Minipa The samples were subjected to direct irradiation of an Hg spectral
lamp (80 W) for five minutes For such measures we did not consider neither
interference of the illumination nor the samplersquos angle of inclination The series
resistance of the device was also collected as this is one that has a direct relation with
the value of this measure as shown in Table 1 the lower the resistance the greater the
current collected All the results are shown in Table 1
Table 1 VOC and ISC for the different solar cell illuminated with an Hg spectral
lamp (80W)
VOC (mV) ISC (mA) R (cm2)
Buriti oil PS 21 009 740
Buriti oil P3HT 18 002 369
Buriti oil PS+P3HT 17 001 717
To observe a real situation the same sample group was exposed to direct
sunlight in hours of intense sun between 1100 am and 0100 pm taking into account
that all samples had an exposure time of approximately five minutes In this step a
convergent lens was used to concentrate the solar light on the device (8 and 9) In this
experiment angle of incidence and the solar irradiation were not measured The results
are shown in Table 2
Table 2 VOC and ISC for the different solar cell illuminated by direct solar light
VOC (mV) ISC (mA) R (cm2)
Buriti oil PS 62 009 740
Buriti oil P3HT 33 003 369
Buriti oil PS+P3HT 25 002 717
Results and analysis
Based on the values of VOC and ISC obtained for the samples it can be clearly
observed that sunlight exposure provided better results when compared to the artificial
81
illumination The main reason for such a situation could be related to the use of Hg
lamp that is not appropriated In spite of this the devices based-on Buriti oil presented
good performances in both cases This effect may be due to the lower resistance value
of the first samples When the illumination is promoted by the sun the VOC increases
but the ISC remains the same maybe as a consequence of the resistance value or
because the samples becomes hotter For the samples made with Buriti oil P3HT and
Buriti oil PS P3HT materials and illuminated by the spectral lamp similar results for
VOC and ISC were observed Under sunlight illumination the values of VOC and ISC
are greater than that obtained for the spectral lamp lighting
Conclusions
In this paper we show that Buriti oilPS and Buriti oil P3HT materials can be
used as an active layer for solar cells The behavior of the samples based-on Buriti
oilPS showed better results for the two types of illumination It is important to
emphasize tha these results are just a part of the devices characterization which still
requests the fulfillment factor (FF) as well as cell efficiency determination Such
calculations are on process but all the obtained data are satisfactory and promising
because our main aim is to develop solar cells using more accessible organic materials
such as the Buriti oil PS blend
Acknowledgments
The authors gratefully acknowledge CNPq and NAMITECMilenio Institute for
financial support
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Dissertaccedilatildeo de mestrado do Instituto de Quiacutemica da Universidade de Brasiacutelia (2004)
8 httpwwwstumbleuponcomtoolbartopic=Alternative20Energyampurl=http2
53A252F252Fcausecastorg252Fnews_items252F7304
9 httpwwwgoodcleantechcom200805ibm_uses_magnifying_lens_to_bophp
82
Study of organic MIM junctions for use in photovoltaic devices
E R Silva A R S Romariz and A M Ceschin
Departamento De Engenharia Eleacutetrica Laboratoacuterio de Dispositivos e Circuito
Integrado (LDCI) Universidade de Brasiacutelia Campus Darcy Ribeiro Brasiacutelia CP
4386 CEP 70904-970 Brasiacutelia ndash DF Brasil
We report here photovoltaic effects on Buriti oil (Mauritia
flexuosa) mixed in an insulating polymers matrix The samples
studied here consist of an active layer based on polystyrene (PS)
and poly (methilmethacrilate) (PMMA) mixed with Buriti Oil
(BO) The structure of the device was glassFTO Poly (3 4-
ethylenedioxythiophene) (PEDOT) poly (styrenesulfonate)
(PSS) active layer Ag These mixtures are promising materials
in the fabrication of organic photovoltaic devices The advantage
of these mixtures is their low cost of production and ease in
fabrication Electrical measurements were obtained in both a lit
room and in the dark We can observe photovoltaic effects in all
samples mixed with OB This effect is very interesting because
we are working with an insulating polymer instead of the
semiconductor polymer In this work we have been developing a
junction of the metalndash insulatorndashmetal (MIM) diode that acts like
a photovoltaic device
Introduction
In the past years various new materials and mixtures for fabricating
photovoltaic devices have been proposed for higher conversion efficiencies and lower
cost processes (1 2) Organic solar cells are being investigated for their potential use in
the clean conversion of solar energy through large-area solar panels (3 4 and 5)
Academic attention has focused on blends of poly (3-hexylthiophene) (P3HT) and [6
6]-phenyl C61-butyc acid methyl ester (PCBM) since these two materials show the
highest power conversion efficiency in their bulkheterojunction which is around 5
(6)
Each polymer has unique properties and responds differently to different stimuli
However its characteristics can be improved by blending two polymers or by adding
some compounds called additives thus producing interesting results As an example we
can take the BO mixed in a PS matrix and one mixed in a PMMA matrix This modified
material shows a very broad absorption between 250 to 400 nm with a maximum at 320
nm (7) Based on this result we decided to investigate the OB mixtures in the fabrication
of photovoltaic devices One possible way to enhance the quantum efficiency of a
photovoltaic device is to add dyes that have high absorption efficiency to the host
materials (8) The addition of BO in the PS and PMMA matrices increases this
efficiency The OB is added with the polymers to improve the efficiency on the active
layers of the insulating materials In this paper we will present photovoltaic parameters
on devices based on insulating polymers mixed with BO deposited on a substrate
83
covered with fluorine doped tin oxide (FTO) The devices were fabricated by the spin
coating technique the open circuit voltage (VOC) and short-circuit current density (JSC)
of the BOPS device are 03V and 039 nAcm2 respectively which is 0212V higher
than BOPMMA devices The fill factor (FF) that defines power extraction efficiency of
BOPS devices is 026 against 020 in the BOPMMA devices
Experimental
Our devices were based on previous studies about insulating polymers mixed
with BO (7) The material for the active layer BOPS and BOPMMA of the MIM
junction was chosen because this materials posses two regionrsquos absorption the first
range in 250 at 400 nm that has a peak at 320 nm and the second in the range of 500 at
700 nm The fact these materials absolve in visible region allow to realization of study
about applications in photovoltaic devices (9) We were still able to get good results
from the investigation of BO for make photovoltaic devices
The samples were assembled on glass substrates covered with FTO The
resistance of the plate is asymp 41-60 Ω Prior to depositing the layers part of the FTO
substrate was removed the FTO was corroded using a homogenous ink prepared with
powdered zinc (Zn) Additionally it is possible to use tape or enamel in order to save
part of the FTO After these procedures the substrate is dipped in a diluted solution of
hydrochloric acid (HCI) After the corrosion stage the substrate goes through a cleaning
process that was also performed before corrosion The substrates are cleaned to remove
grease and residual chemicals Corrosion is necessary to avoid short circuits between
the devicersquos electrode contacts (10) The devices were fabricated in a typical
sandwiched structure with the active layers sandwiched between two electrodes the
bottom electrodes consist of conducting polymer film deposition of (PEDOT PSS)
purchased from Bayer This forms the anode that was deposited on the FTO We use it
in order to increase the positive carrier collection of the active layer The film was made
using the spin coating technique with 6000 rotations per minute (rpm) for 55 seconds
Next it was dried in an oven at a temperature of 50 deg C for 15 minutes The cathode was
made with a conductive ink of silver (Ag) acquired from Silver Ink having 99 purity
with painting done by hand because more precise techniques were not available The
materials used in the active layer were pure PS PS mixed with 47 BO pure PMMA
and PMMA mixed with 35 BO Four types of active layers were used All the
mixtures were made with an appropriate quantity of the analytical reagent chloroform at
room temperature Before the deposition the solutions were stirred with magnetic
agitate for 30 minutes in order to ensure greater uniformity for the mix A schematic
view finished device (glass FTO PEDOT PSS active layer Ag) is shown in figure
1 The film thicknesses of the active layers were measure using a Dektak 150
profilometer These values are about 1μm We could not obtain a thinner device because
of the high viscosity of the material In our final device the active area is approximately
009 cm2
Figure 1 Schematic of the finished Device
84
Results and Discussion
The devices with different active layers were prepared following the procedure
described above at room temperature The currentndashvoltage (I-V) characteristics were
measured using a Keithley 2400 programmable software semiconductor measuring
system In all samples without oil devices using only insulating polymer like PS and
PMMA ohmic behavior was observed for bias voltage between -2 and 2 V The device
with pure PS has greater resistance than the one with pure PMMA Perhaps this happens
due to differences in layer thickness or intrinsic material properties But when BO is
added to the mixture we get a different behavior for I-V curves in the two cases We
observed that the sample of PS BO had larger current than PMMABO Figure 2
shows the curves for the PS mixture with and without BO 47 In Figure 3 we have
curves for the PMMA mixture with and without BO 35 In these two cases we
observed curves that look like MIM diode characteristic curves
Figure 2 The I-V Curves characteristics of ohmic behavior and MIM diode for
the PMMA
Figure 3 The I-V Curves characteristics of ohmic behavior and MIM diode for the PS
85
We also noticed a photovoltaic effect in the junctions based in BO at room
temperature Measurements were taken both in the dark and with the room fluorescent
light on In all observations we saw slight photovoltaic effects in all devices made using
insulating polymers with BO mixtures in the active layer In Figure 4 this effect is
shown for PSBO and in Figure 5 for PMMABO
Figure 4 Curve characteristics PS dark and light
Figure 5 Curve characteristics PMMA dark and light
86
For such measures we did not consider either air mass coefficient or the
samplersquos inclination angle for these characterizations because we donrsquot have
characterization equipments Thus we are unable to calculate the conversion efficiency
() The voltage bias was varied from -1 to 1 V but here it is shown with a smaller
interval to better visualize this slight effect In Table 1 the values are shown for the
samples insulating polymer mixed with BO for Voc Jsc and fill factor FF In summary
these parameters are important for characterizing our devices The FF is the ratio that
determines the maximum operating current and voltage of the photovoltaic device and
was calculated as FF = VpIpVocIsc (11) All the values are extracted from the curves
Table 1 Summary of the photovoltaic devices performance with and without light
Active Layer VOC
(mV)
JSC
(nAcm2)
FF
PSBO 47 300 039 026
PMMABO 35 86 216 020
We have seen that the insertion of BO at the matrices of insulating polymers
such as PMMA and PS promote the absorption of photons and therefore the formation
of excitons However we do not have a maximum absorption because of the peak of
absorption of the active layers is in range of 200 to 400 nm while the illumination used
was in the visible region The excitons generated were dissociates and the charges
created were collected in their respective electrodes to form the short-circuit Current
(ISC) This current is small due to the film thickness of the active layer Thus carriersrsquo
recombination could be occurring before they reach their respective electrodes
The measured VOC was 008 V to PMMABO and 03 V to PSBO For the
PSBO this number is roughly the same as the difference in work function between
PEDOT PSS and Ag However for the PMMABO this number is lower than the
difference in work function between PEDOTPSS and Ag All this contributed for the
values low ISC VOC and FF The results obtained here are very below that reported in
recent papers (12 13)
Conclusion
We have been working with polymer insulating with additions of material cheap
an abundant of in nature We presented preliminary results for the MIM junction diode
We used BO mixed with insulating polymer to form the active layers This way we get a
value for ISC VOC and FF but we can observe photovoltaic effect in the majority of the
samples with the BO The active layers have a region of absorption outside of the solar
spectrum and the thickness was thick Because of the collection the carrier was hindered
before to reach the collectorrsquos electrode The devices shown here is very easy to make
and can be made in a large area
Acknowledgments
87
The authors gratefully for the financial support received from National Counsel
of Technological and Scientific Development (CNPq) National Institute of Science and
Technology of Micro and Nanoelectronics Systems (NAMITEC) This paper was
partially supported from a scholarship granted by Coordenaccedilatildeo de Aperfeiccediloamento de
Pessoal de Niacutevel Superior (CAPES) for the first author that also wishes to thank for this
References
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13 Ie Y Uto T Saekia A Seki S Tagawa S Aso Y (2009) Synthetic Metals 159
797ndash801
88
iv
AGRADECIMENTOS
Agradeccedilo ao Senhor Deus por mais essa conquista em minha vida
Agrave minha orientadora Artemis Marti Ceschin pela paciecircncia dedicaccedilatildeo e trabalho
ao longo do meu mestrado
Ao Heacutelio Tiago e Heacutelio Juacutenior que sempre me apoiaram incondicionalmente
Aos professores e colegas do Laboratoacuterio de Dispositivos e Circuitos Integrados -
LDCI pelas contribuiccedilotildees e pelo oacutetimo ambiente de trabalho Em especial ao professor Drordm
Joseacute Camargo pelas contribuiccedilotildees acadecircmicas
Agrave Drordf Jussara Duratildees do Laboratoacuterio de poliacutemeros (LaBPOL) do Instituto de
Quiacutemica da Universidade de Brasiacutelia pelas contribuiccedilotildees no desenvolvimento deste
trabalho
Agrave Msc Nizamara Simenremis do Laboratoacuterio de poliacutemeros (LaBPOL) do Instituto
de Quiacutemica da Universidade de Brasiacutelia pelas imagens de AFM discussotildees e amizade ao
longo deste trabalho
Aos funcionaacuterios e colegas dos Laboratoacuterios de Engenharia Eleacutetrica do SG 11 da
Universidade de Brasiacutelia que durante este tempo foi minha segunda casa Em especial aos
colegas do DTL Valter Alvino e Silmar pelo apoacuteio emocional e psicoloacutegico e
contribuiccedilotildees prestadas durante meu mestrado
Aos meus amigos queridos que ao lerem estes agradecimentos saberatildeo o quatildeo
grande foram suas contribuiccedilotildees nesta etapa da minha vida acadecircmica Seria injusto em
esquececirc-los pois todas as pessoas que estiveram comigo seja por alguns dias ou anos
tiveram importacircncia ao longo deste processo
Ao LABPOL pelo fornecimento das soluccedilotildees com oacuteleo de Buriti
As agecircncias financiadoras Capes pelo apoacuteio financeiro
Ao projeto INCT-NAMITEC
Ao projeto CNPqUniversal CT-INFO
Muito Obrigada
v
Dedico este trabalho ao Heacutelio da Silva pelos incentivos paciecircncia e ajuda financeira aos meus
filhos Tiago Rocha e Heacutelio Junior Enfim pela contribuiccedilatildeo prestada pela minha famiacutelia
diretamente e indiretamente ao longo dos anos
vi
ldquoSe todas as pessoas procurassem ser amigas de Deus tendo intimidade espiritual
muacutetua Deus os livraria de todos aqueles que natildeo satildeo seus amigos e proveria tudo em suas
vidas Os protegeria de todo o mal que estaacute reservado para vida terrena E depois da vida
passageira de cada um iriam reinar eternamente com Deusrdquo (Salmos 23-27)
vii
RESUMO
ESTUDO PARA O DESENVOLVIMENTO DE DISPOSITIVOS
FOTOVOLTAICOS ORGAcircNICOS
Autor Elizete Rocha da Silva
Orientador Artemis Marti Ceschin
Programa de Poacutes-graduaccedilatildeo em Engenharia Eleacutetrica
Brasiacutelia junho de 2010
Este trabalho eacute dedicado agrave preparaccedilatildeo e a caracterizaccedilatildeo de dispositivos
fotovoltaicos baseados em matrizes polimeacutericas modificadas com oacuteleo de buriti (OB) O
presente desenvolvimento consiste na deposiccedilatildeo de camada do poliacutemero condutor
PEDOTPSS sobre substrato de vidro com oacutexido de zinco dopado com fluacuteor (FTO) onde
depois foi depositada a camada ativa
Ao longo da pesquisa vaacuterias camadas ativas foram testadas No iniacutecio os filmes
das amostras foram preparados por casting Agrave medida que os resultados eram obtidos
novas ideacuteias iam surgindo e novas teacutecnicas foram sendo incorporadas
Buscando fazer os filmes mais finos e obter melhores resultados os filmes
passaram a serem preparados pela teacutecnica de spin coating Os tipos de camadas ativas
foram PS puro PS OB 47 PS OB 8 PS OB 47+P3HT P3HT+OB PMAM puro e
PMAM OB 35
Para as caracterizaccedilotildees dos dispositivos usou-se para medir tensatildeo e corrente
direta multiacutemetros comuns sob iluminaccedilatildeo de lacircmpadas e luz solar Alguns dispositivos
os paracircmetros de caracterizaccedilotildees foram obtidos das curvas IndashV Os filmes tiveram suas
espessuras medidas com perfilometro suas superfiacutecies tambeacutem foram observadas com
microscopia de forccedila atocircmica (AFM)
As respostas eleacutetricas obtidas foram interessantes e promissoras por estes
resultados levam a crer que estes materiais podem ser usados nos desenvolvimentos de
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos de baixo custo acessiacuteveis e de faacutecil fabricaccedilatildeo
viii
ABSTRACT STUDY FOR DEVELOPMENT OF ORGANIC PHOTOVOLTAIC DEVICES
Author Elizete Rocha da Silva
Supervisor Artemis Marti Ceschin
Programa de Poacutes-graduaccedilatildeo em Engenharia Eleacutetrica
Brasiacutelia June 2010
This work is dedicated to the preparation and characterization of the photovoltaic
devices based on polymer matrices modified with oil buriti (OB) This development
consists in the deposition layer of conducting polymer PEDOT PSS on glass substrate
with zinc oxide doped with fluorine (FTO) which was deposited after the active layer
Throughout this study several active layers were tested At the beginning of the
film samples were prepared by casting When the results were been obtained new ideas
were emerging and new techniques were incorporated
Seeking to make the films thinner to obtain better results the films had to be
prepared by spin coating technique The types of active layers were pure PS PS OB 47
PS B 8 PS B + 47 P3HT P3HT + OB pure and PMAM PMAM OB 35
For the characterizations of the devices used to measure voltage and direct current
multimeters under common lighting of lamps and solar light Some devices the parameters
were obtained from the characterizations of I-V curves The film had its thickness
measured with profilometer their surfaces were also observed with atomic force
microscopy (AFM)
The electrical answers obtained were interesting and promising to these results that
suggests these materials can be used in the development of organic photovoltaic devices at
low cost accessible and easy to manufacture
ix
SUMAacuteRIO
1 ndash INTRODUCcedilAtildeO 2
11 ndash OBJETIVO GERAL 4
12 ndash OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS E ORGANIZACcedilAtildeO DO ESTUDO 4
2 ndash CONCEITOS BAacuteSICOS 6
21 ndash POLIacuteMEROS CONDUTORES 6
23 ndash CARACTERIZACcedilAtildeO DO DISPOSITIVO FOTOVOLTAICO 10
231ndash Eficiecircncia quacircntica externa (IPCE) 10
232 ndash Tensatildeo de circuito aberto (VOC) e Corrente de curto circuito (ISC) 11
233 ndash Curva caracteriacutestica IndashV 12
234 ndash Fator de preenchimento (FF) e Conversatildeo de Potencia () 13
24 ndash POLIacuteMEROS UTILIZADOS 14
241 ndash Polistireno (PS) 14
242 ndash Poli metacrilato de metila (PMAM) 15
244 ndash Poli (3-hexiltiofeno) (P3HT) 18
3 ndash PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS 23
31 ndash MATERIAIS 23
32 ndash EQUIPAMENTOS UTILIZADOS 23
321 ndash Multiacutemetros 23
322 ndash Spin coater 23
323 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores (Curva IndashV) 25
324 ndash Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM) 26
33 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS I 27
331 ndash Experimentos Etapa 1 27
3311 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo dos eletrodos 27
3312 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo da camada ativa 27
x
3313 ndash Formaccedilatildeo do dispositivo 28
3314 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W 28
3315 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 29
332 ndash Experimentos Etapa 2 29
3321 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras 29
3323 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 30
3331 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras 31
3332 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W 32
334 ndash Experimentos Etapa 4 33
3341 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras 34
3342 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W 34
3343 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 35
341 ndash Misturas usando P3HT 35
342 ndash Experimentos Etapa 1 36
3421 ndash Preparaccedilatildeo dos filmes por spin coater 36
3422 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W 37
3423 ndash Caracterizaccedilatildeo com luz solar direta 38
3423 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 39
343 ndash Experimentos Etapa 2 39
3431 ndash Preparando novas amostras 39
3431 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W 41
3433 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar direta 41
3434 ndash Curva caracteriacutestica de corrente versus tensatildeo aplicada (IndashV) 42
3435 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 45
35 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS III 46
351 ndash Experimentos Etapa 1 46
xi
3511 ndash Confecccedilatildeo das amostras usando PS e PMAM 1ordm grupo 46
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo usando lacircmpada de Hg 80 W 47
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar 47
3522 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar 49
3523 ndash Curva caracteriacutestica corrente versus tensatildeo (IndashV) 50
3524 ndash Medida de espessura 53
353 ndash Experimentos Etapa 3 56
3531 ndash Confecccedilatildeo das amostras com parte do FTO removido 56
3532 ndash Caracterizaccedilatildeo das curvas (IndashV ) 57
3533 - Anaacutelise e discussatildeo 61
354 Caracterizaccedilatildeo dos Materiais por Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM) 61
4 ndash CONCLUSOtildeES E RECOMENDACcedilOtildeES 68
REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 71
APEcircNDICE 1 77
Produccedilotildees Bibliograacuteficas 77
xii
LISTA DE TABELAS
Tabela 3 1 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos 29
Tabela 3 2 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos 30
Tabela 3 3 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos 32
Tabela 3 4 ndash Valores medidos de VOC e ISC com iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W para variaccedilatildeo de iluminaccedilatildeo para a amostra P4 32
Tabela 3 5 ndash Valores de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo de lacircmpada incandescente de 100 W
durante 5 minutos 35
Tabela 3 6 ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito com um ponto de
prata Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos 38
Tabela 3 7ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito de prata em forma de
trilhas com concentraccedilatildeo em um ponto Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos 38
Tabela 3 8 ndash Resultados obtidos das medidas de VOC e ISC usando luz solar direta durante
5 minutos 38
Tabela 3 9 ndash Medidas de VOC e ISC para amostras iluminadas pela lacircmpada Hg 80 W
aproximadamente cinco minutos 41
Tabela 3 10 ndash Valores de VOC e ISC para amostras iluminada sob luz solar direta expostas
durante cinco minutos cada 42
Tabela 3 11 ndash Resultados das medidas de ISC e VOC das amostras do 1ordm grupo sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpada durante 05 minutos de exposiccedilatildeo 47
Tabela 3 12 ndash Resultados para ISC e VOC sob iluminaccedilatildeo luz solar por aproximadamente
05 minutos de exposiccedilatildeo 47
Tabela 3 13 ndash Medidas realizadas para as amostras A5 A6 A7 sob iluminaccedilatildeo solar
direta durante 10 minutos 49
Tabela 3 14 ndash Medidas realizadas no dia 12052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos 50
Tabela 3 15 ndash Medidas realizadas no dia 18052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos 50
Tabela 3 16 ndash Medida dos pontos e a media medida dos filmes das camadas ativas feitos
com rotaccedilatildeo de 5000 rpm Valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M 55
Tabela 3 17 ndash Medida dos pontos e a media dos filmes das camadas ativas feitos com
rotaccedilatildeo de 6000 rpm O valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M 55
xiii
LISTA DE FIGURAS
Figura 2 1 ndash Estrutura quiacutemica do poliacetileno mostrando as ligaccedilotildees alternadas em
simples e duplas 6
Figura 2 2 ndash Formaccedilatildeo da estrutura do condutor poliacetileno (a) Formaccedilatildeo de bandas
distintas pela superposiccedilatildeo de N orbitais (b) aproximaccedilatildeo da banda riacutegida para um nuacutemero
grande de orbitais 7
Figura 2 3 ndash Estrutura de uma ceacutelula solar orgacircnica A camada ativa pode compreender
uma ou mais camadas semicondutoras uma mistura de materiais ou a combinaccedilatildeo destas
duas estruturas 8
Figura 2 4 ndash Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um dispositivo fotovoltaico feito com uma
camada de poliacutemero entre dois eletrodos 8
Figura 2 5 ndash Processos envolvidos na geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica em um dispositivo
fotovoltaico orgacircnico 9
Figura 2 6 ndash Diagrama de niacuteveis de energia de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico Sob
iluminaccedilatildeo o eleacutetron (e-) eacute jogado para o niacutevel de maior energia LUMO deixando uma
lacuna (h+) no niacutevel de menor energia HOMO (Criaccedilatildeo do eacutexciton) que seratildeo coletados
pelos eletrodos 1 funccedilatildeo trabalho do 1ordm eletrodo (transparente) 2 funccedilatildeo trabalho do
2ordm eletrodo χ eletroafinidade IP potencial de ionizaccedilatildeo e Eg energia do gap 10
Figura 2 7 ndash Diagrama esquemaacutetico do dispositivo fotovoltaico 2 poliacutemero1 no escuro
com o alinhamento dos niacuteveis de Fermi a) e sob iluminaccedilatildeo b) potencial de built-in ( Vbi)
intriacutenseco em temperatura ambiente esta proacuteximo ao valor de tensatildeo 12
Figura 2 8 ndash Curva caracteriacutestica IndashV de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico no escuro e
sob iluminaccedilatildeo Tambeacutem eacute mostrado o ponto de corrente de curto circuito e tensatildeo de
circuito aberto O retacircngulo pintado indica o fator de preenchimento (FF) 13
Figura 2 9 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PS (C8H8)n 15
Figura 2 10 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PMMA (C5O2H8)n 16
Figura 2 11 ndash Representaccedilatildeo da cadeia principal do PEDOT [25] 17
Figura 2 12 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica da interaccedilatildeo entre o PEDOT e PSS [25]
17
Figura 2 13 ndash Estrutura quiacutemica do P3HT (C10H18S)n [13] 18
Figura 2 14 ndash Foto da palmeira do Buriti (Mauritia Flexuosa) conhecida como Buritizeiro
[21] 19
Figura 2 15 ndash Ilustraccedilatildeo dos frutos maduros do Buriti (a) aspecto da casca (b) polpa de
cor amarelada [21] 19
Figura 2 16 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PS puro e PSOB [40] 20
xiv
Figura 2 17 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PMAM puro e PMAM
OB [40] 21
Figura 3 1 ndash (a)bomba de vaacutecuo (b) compressor de ar comprimido (c) vaacutelvula de controle
e (d) spin coater 24
Figura 3 2 ndash Equipamento de spin coater instalado no laboratoacuterio LDCI vista lateral e
frontal 25
Figura 3 3 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores Keithley 2400 laboratoacuterio
LDCI 25
Figura 3 4 ndash Vista frontal do AFM marca VEECO Innova 26
Figura 3 5 ndash Amostras confeccionadas com duas lacircminas de substrato de vidro recoberto
com FTO baseada no modelo de Graumltzel 28
Figura 3 6 ndash (a) Esquema da amostra confeccionada no substrato flexiacutevel de plaacutestico
(PET) (b) foto do substrato finalizado 31
Figura 3 7 ndash Amostra feita com substrato de PET apoacutes ser submetidos agrave fonte de lacircmpada
incandescente de 100 W por 20 minutos 33
Figura 3 8 ndash (a) Esquema da amostra para substrato de vidro recoberto com FTO (b) foto
da amostra finalizada 34
Figura 3 9 ndash (a) Geometria do eletrodo de Ag confeccionado em forma de ponto e (b)
geometria do eletrodo de Ag feito em forma de trilhas 37
Figura 3 10 ndash (a) Foto da amostra (b) Estruturas das camadas dos dispositivos das novas
amostras 40
Figura 3 11 ndash Ilustraccedilatildeo do experimento realizado com uma amostra tendo o contato
desenhado com a geometria em forma de trilhas camada ativa de PS OB 47 42
Figura 3 12 ndash Ilustraccedilatildeo da polarizaccedilatildeo direta para amostras com P3HT e gota de
PEDOTPSS para medidas das curvas (IndashV) 43
Figura 3 13 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47 Corrente e
tensatildeo observadas 003 uA e 09 Volts respectivamente 44
Figura 3 14 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de OB puro + P3HT Corrente
e tensatildeo observadas 0013 uA e 002 Volts respectivamente 44
Figura 3 15 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47+P3HT
Corrente e tensatildeo observadas 0012 uA e 11 volts respectivamente 45
Figura 3 16 ndash Estruturas das camadas e do contato de Ag dos dispositivos fotovoltaicos
orgacircnicos usado para o 2 ordm grupo de amostras 49
Figura 3 17 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PS puro No escuro e sob
iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 51
xv
Figura 3 18 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PSOB 47 No escuro e
sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 52
Figura 3 19 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAM puro No escuro
e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 52
Figura 3 20 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAMOB 35 No
escuro e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 53
Figura 3 21 ndash Risco feito no filme da amostra onde a ponta do perfilocircmetro executou a
varredura 54
Figura 3 22 ndash Medindo a diferenccedila da altura entre os cursores (R - reference) e (M -
measurement) para determinar a espessura do filme 54
Figura 3 23 ndash Geometria da lacircmina de vidro apoacutes corrosatildeo do FTO 56
Figura 3 24 ndash Geometria das camadas do dispositivo 57
Figura 3 25 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PS puro
e PS OB 47 58
Figura 3 26 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PMAM
puro e PMAMOB 35 59
Figura 3 27 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PSOB
47 no claro e escuro 60
Figura 3 28 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de
PMAMOB 35 no claro e escuro 60
Figura 3 29 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS puro obtida por AFM no modo
contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 62
Figura 3 30 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS OB 47 por AFM modo
contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 63
Figura 3 31 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PMAM puro obtida por microscopia
de forccedila atocircmica no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 64
Figura 3 32 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PAMAM OB 35 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 64
Figura 3 33 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HTOB puro obtida por AFM no
modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 65
Figura 3 34 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HT+PS OB 47 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 66
xvi
LISTA DE SIacuteMBOLOS NOMENCLATURA E ABREVIACcedilOtildeES
Ag ndash Prata
BC ndash Banda de conduccedilatildeo
BV ndash Banda de valecircncia
CHCL3 ndash Clorofoacutermio
C7H8 ndash Tolueno
Eg ndash Energia de gap (Energia de banda proibida)
FTO ndash Oacutexido de estanho dopado com fluacuteor termo em inglecircs Tin Oxide doped with
Fluorine
FF ndash Fator de preenchimento termo em inglecircs fill factor
GPIB ndash General Purpose Interface Bus
HOMO ndash Orbital molecular mais alto ocupado termo em inglecircs highest occupied
molecular orbital
ITO ndash Oacutexido de iacutendio estanho termo em inglecircs Indium Tin Oxide
IPCE ndash Eficiecircncia de conversatildeo de foacutetons incidentes em eleacutetrons Eficiecircncia quacircntica
externa termo em inglecircs Incident Photon Converted in Electron Efficiency
I0 ndash Intensidade de luz incidente em W m2
ISC ndash Corrente de curto circuito termo em inglecircs current short circuit
IndashV ndash Corrente versus tensatildeo aplicada
JSC ndash Densidade de fotocorrente de curto circuito termo em inglecircs photocurrent density
short circuit
LUMO ndash Orbital molecular mais baixo desocupado termo em inglecircs lowest unoccupied
molecular orbital
OB ndash Oacuteleo de Buriti
OLED ndash Diodo emissor de luz orgacircnico termo em inglecircs Organic light emitting devices
OPV ndash Ceacutelulas orgacircnicas fotovoltaicas termo em inglecircs Organic Photovoltaic
PET ndash Poli (Tereftalato de Etila)
xvii
PEDOT ndash Poli (34-etileno dioxitiofeno)
PS ndash Poliestireno
PSSndash Poli (Estireno-Sulfonato)
PMAM ndash Poli Metacrilato de Metila
P3HT ndash Poli (3-hexil tiofeno)
rpm ndash Rotaccedilatildeo por minuto
TO - Oacutexido de estanho termo em inglecircs Tin Oacutexide
Tm ndash Temperatura de fusatildeo cristalina
Tg ndash Temperatura de transiccedilatildeo viacutetrea
UV ndash Ultravioleta
VIS ndash Visiacutevel
VOC ndash Tensatildeo circuito aberto termo em inglecircs Open-circuit voltage
V bi ndash Potencial de built-in
ndash eficiecircncia de conversatildeo de potecircncia
λ ndash comprimento de onda
π ndash orbital ligante
πndash orbital antiligante
ndash Funccedilatildeo trabalho do material
Capiacutetulo I
Introduccedilatildeo
2
1 ndash INTRODUCcedilAtildeO
Atualmente um assunto muito debatido na esfera mundial eacute o problema da emissatildeo
de gases que provocam o efeito estufa Essa questatildeo relaciona-se por exemplo com o
desvio do curso de um rio para formar barragem para construccedilatildeo de hidreleacutetrica ou o uso
de carvatildeo ou diesel para o funcionamento de geradores de energia eleacutetrica todas essas
accedilotildees tecircm forte contribuiccedilatildeo para mudanccedilas no ambiente natural
Uma maneira eficaz de amenizar o impacto de tais accedilotildees sobre o meio ambiente
consiste no aproveitamento da energia solar que eacute uma fonte de energia renovaacutevel tanto
como fonte de calor quanto de luz O sol eacute responsaacutevel direta ou indiretamente pela
maioria das fontes de energia utilizadas atualmente a energia do sol eacute responsaacutevel pela
evaporaccedilatildeo a radiaccedilatildeo solar induz as circulaccedilotildees atmosfeacutericas causando ventos necessaacuterios
para a obtenccedilatildeo de energia eoacutelica [1] A energia luminosa pode ser transformada em
energia eleacutetrica por meio das ceacutelulas solares Na atualidade eacute uma das alternativas
energeacuteticas mais promissoras para enfrentar os desafios dos proacuteximos anos
Por ser uma energia captada diretamente a partir da incidecircncia dos raios solares a
energia produzida por ceacutelulas fotovoltaicas eacute uma tecnologia que natildeo emite gases
poluentes na atmosfera e natildeo produz ruiacutedos nem vibraccedilotildees durante o processo de
conversatildeo
Embora seja uma tecnologia relativamente antiga a produccedilatildeo de energia por ceacutelulas
fotovoltaicas natildeo teve ainda grande expansatildeo comercial devido ao elevado preccedilo de
implantaccedilatildeo do sistema Com a existecircncia de grupo gerador movido a diesel mais barato
haacute um maior uso desse tipo de sistemas em lugares que natildeo satildeo atendidos pela rede de
energia puacuteblica [23]
Tendo em vista esse cenaacuterio soacutecio econocircmico e tambeacutem ambiental existe a
necessidade de se buscar novas tecnologias para a produccedilatildeo de ceacutelulas fotovoltaicas a
custos mais acessiacuteveis viabilizando assim sua execuccedilatildeo tendo em vista que a energia solar
eacute importante na preservaccedilatildeo do meio ambiente por apresentar vantagens sobre as outras
formas de obtenccedilatildeo de energia [4] Para cada metro quadrado de coletor solar instalado
evita-se a inundaccedilatildeo de cinquumlenta e seis metros quadrados de terras feacuterteis para a
construccedilatildeo de novas usinas hidreleacutetricas
A energia solar fotovoltaica eacute a energia da conversatildeo direta da luz em eletricidade
(Efeito Fotovoltaico) que consiste no aparecimento de uma diferenccedila de potencial nos
3
extremos de uma estrutura de material semicondutor produzido pela absorccedilatildeo da luz A
ceacutelula fotovoltaica eacute a unidade fundamental no processo de conversatildeo [5]
As ceacutelulas solares orgacircnicas necessitam de muito menos energia para serem
fabricadas que as de siliacutecio convencional ie o consumo de energia gasto para fabricaccedilatildeo
de uma ceacutelula solar orgacircnica eacute muito pequeno de forma que a energia por ela gerada seraacute
muito maior do que a gasta para a sua fabricaccedilatildeo A ceacutelula solar de siliacutecio possui um
processo de fabricaccedilatildeo com preccedilos elevados inviabilizando sua fabricaccedilatildeo em larga escala
devido aos gastos elevados de energia em sua produccedilatildeo O impacto final no balanccedilo de
energia natildeo eacute positivo ou seja se gasta muito mais energia para produzir a ceacutelula que a
energia que ela eacute capaz de gerar em curto prazo
A partir de uma reflexatildeo sobre este cenaacuterio observou-se que semicondutores
orgacircnicos baseados em pequenas moleacuteculas conjugadas e poliacutemeros oferecem a
oportunidade de produzir dispositivos com larga aacuterea e baixo custo sobre substratos
plaacutesticos flexiacuteveis [67] Nesse campo as misturas de poliacutemeros (blendas polimeacutericas) ou a
aditivaccedilatildeo de poliacutemeros produzem resultados interessantes Um exemplo eacute o poliestireno
(PS) e o poli-metacrilato de metila (PMAM) misturado com oacuteleo de buriti (Mauritia
flexuosa) o material modificado tem alta absorccedilatildeo entre 250 nm a 700 nm com o maacuteximo
em 320 nm [8] Isto o torna um candidato promissor para os estudos fotovoltaicos A partir
da descoberta dos poliacutemeros condutores e suas propriedades as investigaccedilotildees sobre a
possibilidade de empregaacute-los como mateacuteria prima na construccedilatildeo de dispositivos
fotovoltaicos foram intensificadas
Com base nessas observaccedilotildees optou-se por investigar misturas de PS e PMAM
com oacuteleo de buriti a fim de construir e caracterizar dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos
Tais dispositivos podem ser construiacutedos sobre substratos plaacutesticos e em temperatura
ambiente desta forma sendo flexiacuteveis e com baixo custo [9] Entre os diversos materiais
potencialmente interessantes para esse fim encontra-se tambeacutem o Poli (3-hexiltiofeno)
(P3HT) Com base em vaacuterias referecircncias [1011] sobre o uso do P3HT misturado com
nanopartiacuteculas e com C60 (Fulereno) resolveu-se testar a mistura P3HT com oacuteleo de Buriti
Este trabalho consiste no estudo para o desenvolvimento e caracterizaccedilatildeo de
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos baseados no oacuteleo de buriti que apresenta propriedades
oacutepticas de absorccedilatildeo misturado com poliacutemeros isolantes (PS e PMAM) e com o poliacutemero
semicondutor P3HT
4
11 ndash OBJETIVO GERAL
O objetivo do presente trabalho eacute o desenvolvimento e a caracterizaccedilatildeo de
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos a partir de poliacutemero semicondutor ou de poliacutemeros
isolantes modificados pelo oacuteleo de buriti
12 ndash OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS E ORGANIZACcedilAtildeO DO ESTUDO
1 Fazer deposiccedilatildeo de filmes finos de blendas polimeacutericas a partir de
mistura de poliacutemeros isolantes PS e PMAM e do poliacutemero
semicondutor P3HT com oacuteleo de buriti
2 Montagem dos dispositivos em substratos de vidro e de plaacutestico
3 Caracterizaccedilatildeo eleacutetrica dos dispositivos desenvolvidos atraveacutes de
medidas diretas sob iluminaccedilatildeo de lacircmpadas e luz solar direta
Medidas das curvas IndashV no escuro e com iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio
4 Caracterizaccedilatildeo morfoloacutegica dos filmes depositados por spin coater
Medir as espessuras dos filmes e aacuterea ativa
Ao longo desta pesquisa seraacute mostrada a confecccedilatildeo dos dispositivos que
apresentaram algum comportamento fotovoltaico ou aqueles que tiveram resultados
interessantes Vaacuterias tentativas foram feitas a fim de buscar aquelas que apresentassem
resultados e comportamento satisfatoacuterio para um dispositivo fotovoltaico orgacircnico
Este trabalho foi dividido em quatro capiacutetulos No capiacutetulo dois seraacute feita uma
revisatildeo de alguns conceitos importantes sobre dispositivos orgacircnicos materiais utilizados
e equipamentos de caracterizaccedilatildeo No capiacutetulo trecircs seratildeo descritos os procedimentos
experimentais e resultados os quais seratildeo subdivididos em dados experimentais I II e III e
em alguns casos subdivididos em etapas Seratildeo abordadas as teacutecnicas utilizadas nas
construccedilotildees e caracterizaccedilotildees dos dispositivos No capiacutetulo quatro seratildeo apresentadas as
conclusotildees e recomendaccedilotildees para trabalhos futuros
5
Capiacutetulo II
Conceitos Baacutesicos
6
2 ndash CONCEITOS BAacuteSICOS
21 ndash POLIacuteMEROS CONDUTORES
O termo poliacutemero eacute usado para designar macromoleacuteculas formadas pela repeticcedilatildeo
de unidades chamadas de monocircmeros Alguns poliacutemeros ocorrem naturalmente outros satildeo
sintetizados Os poliacutemeros sinteacuteticos tiveram seu grande desenvolvimento no iniacutecio do
seacuteculo 20 poreacutem a grande maioria dos poliacutemeros desenvolvidos nessa eacutepoca era isolante
Na deacutecada de 50 surgiram os primeiros poliacutemeros condutores extriacutensecos que eram
poliacutemeros isolantes incorporados com materiais portadores de cargas eleacutetricas
Nos anos 70 a equipe de Hideki Shirakawa et al [12] do instituto de Tecnologia de
Toacutequio produziu um filme de poliacetileno ([CH]n) de coloraccedilatildeo prateada e que conduzia
corrente depois Shirakawa produziu um outro filme condutor de poliacetileno de
coloraccedilatildeo dourada e com maior condutividade apoacutes dopagem com iodo Apoacutes as primeiras
descobertas vaacuterios outros poliacutemeros condutores foram desenvolvidos A descoberta das
propriedades eleacutetricas do poliacetileno laureou Heeger McDiarmid e Shirakwa com o
precircmio Nobel de quiacutemica em 2000 [12]
Os poliacutemeros condutores tambeacutem satildeo chamados de metais sinteacuteticos por possuiacuterem
propriedades eleacutetricas oacutepticas e magneacuteticas semelhantes aos metais e semicondutores
Os semicondutores orgacircnicos satildeo poliacutemeros cuja estrutura principal eacute composta por
carbono Satildeo semicondutores porque possuem ligaccedilotildees simples e duplas alternadas A
figura 21 mostra a estrutura quiacutemica do condutor orgacircnico poliacetileno cuja estrutura eacute a
mais simples
A sobreposiccedilatildeo de dois niacuteveis eletrocircnicos (orbitais) cria separaccedilotildees nos niacuteveis de
energia formando um orbital ligante (π) e um antiligante (π) que podem ser chamados de
banda de valecircncia e banda de conduccedilatildeo respectivamente Os orbitais podem ser
classificados de duas formas orbital molecular mais baixo desocupado (LUMO) e orbital
molecular mais alto ocupado (HOMO)
Figura 2 1 ndash Estrutura quiacutemica do poliacetileno mostrando as ligaccedilotildees alternadas em
simples e duplas
7
Semelhante aos semicondutores inorgacircnicos os semicondutores orgacircnicos possuem
dois eleacutetrons em cada niacutevel de energia com spin oposto formando ao longo da cadeia os
orbitais π e π com banda similar aos inorgacircnicos [13] Na figura 22 o orbital π
corresponde agrave banda de valecircncia (BV) e o orbital π a banda de conduccedilatildeo (BC)
Em temperatura de 0K todos os estados eletrocircnicos da banda BV estatildeo ocupados
enquanto que os da BC estatildeo desocupados O espaccedilo entre a BC (LUMO) e BV (HOMO) eacute
chamado de Energia de banda proibida (Eg)
Figura 2 2 ndash Formaccedilatildeo da estrutura do condutor poliacetileno (a) Formaccedilatildeo de bandas
distintas pela superposiccedilatildeo de N orbitais (b) aproximaccedilatildeo da banda riacutegida para um nuacutemero
grande de orbitais
22 ndash DISPOSITIVOS FOTOVOLTAICOS ORGAcircNICOS
Os dispositivos fotovoltaicos transformam energia luminosa em energia eleacutetrica
Satildeo divididos em duas classes de acordo com a aplicaccedilatildeo tecnoloacutegica Detectores de luz
como os fotodetectores e fotocondutores e ceacutelulas solares que convertem luz em energia
eleacutetrica [14 15] A conversatildeo da luz solar em energia eleacutetrica nas ceacutelulas solares depende
da geraccedilatildeo de cargas positivas e negativas e da captura das mesmas pelos eletrodos antes
das recombinaccedilotildees dos pares eleacutetrons ndash lacunas
O dispositivo fotovoltaico orgacircnico eacute composto de uma camada ativa
ensanduichada entre dois eletrodos com diferentes funccedilotildees trabalho Para melhor captaccedilatildeo
da luz um dos eletrodos tem que ser transparente Os materiais mais usados como eletrodo
8
transparente satildeo o oacutexido de estanho (TO) o oacutexido de estanho iacutendio (ITO) e oacutexido de
estanho dopado com fluacuteor (FTO) [14] O outro eletrodo pode ser feito de alumiacutenio caacutelcio
ouro prata cobre etc A figura 23 mostra o esquema de um dispositivo fotovoltaico
orgacircnico (ceacutelula solar orgacircnica)
Figura 2 3 ndash Estrutura de uma ceacutelula solar orgacircnica A camada ativa pode compreender
uma ou mais camadas semicondutoras uma mistura de materiais ou a combinaccedilatildeo destas
duas estruturas
Quando a camada ativa eacute iluminada por alguma fonte de luz atraveacutes do eletrodo
transparente a energia luminosa eacute transferida aos eleacutetrons que estatildeo no niacutevel HOMO Os
eleacutetrons absorvem a energia do foacuteton e satildeo promovidos para o niacutevel LUMO criando assim
uma lacuna no niacutevel HOMO O eacutexciton eacute definido como o par eleacutetron-lacuna ligado pela
atraccedilatildeo Coulombiana e eacute chamado de ―eacutexciton Wannier ―[16]
A figura 24 mostra a seccedilatildeo transversal de um dispositivo fabricado da maneira
mais simples contendo uma camada de poliacutemero entre dois eletrodos A aacuterea ativa eacute a
parte da sobreposiccedilatildeo do filme da camada ativa com o filme do eletrodo de contato de
prata Um dos eletrodos deve ser transparente agrave entrada de luz neste caso o FTO
Figura 2 4 ndash Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um dispositivo fotovoltaico feito com uma
camada de poliacutemero entre dois eletrodos
9
O processo de geraccedilatildeo de fotocorrente em dispositivos orgacircnicos fotovoltaicos
segue os seguintes passos mostrados na figura 25
Figura 2 5 ndash Processos envolvidos na geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica em um dispositivo
fotovoltaico orgacircnico
Apesar dos poliacutemeros conjugados apresentarem alto coeficiente de absorccedilatildeo em
torno de 105 cm
-1 somente parte da luz eacute absorvida e seraacute convertida em pares eleacutetrons-
lacunas Esses pares eleacutetrons - lacunas contribuiratildeo para a fotocorrente a qual ainda
depende da espessura da camada ativa polimeacuterica
O comprimento de difusatildeo de um eacutexciton em poliacutemeros conjugados eacute cerca de 10
nm devido a isso a espessura da camada ativa possui influecircncia direta sobre o
funcionamento do dispositivo Dispositivo com camada ativa muito espessa apresenta
resistecircncia agrave movimentaccedilatildeo dos portadores de cargas impedindo que as cargas positivas e
negativas sejam coletadas em seus respectivos eletrodos
Para ter um dispositivo com bom desempenho deve se construir camada ativa na
ordem de dezenas de nanocircmetros Os eacutexcitons devem ser criados nas proximidades das
interfaces do metalcamada ativa (regiatildeo ativa mostrado na figura 24) onde possa existir
maior efeito de alto campo eleacutetrico favorecendo assim a dissociaccedilatildeo dos eacutexcitons [17]
Para haver uma diferenccedila de potencial eacute necessaacuterio que os portadores sejam
coletados pelos respectivos eletrodos antes de se recombinarem A dissociaccedilatildeo do eacutexciton
ocorre em regiatildeo de alto campo eleacutetrico geralmente na interface metal-poliacutemero A figura
26 mostra um diagrama de energia para o dispositivo fotovoltaico orgacircnico sob
iluminaccedilatildeo
10
Figura 2 6 ndash Diagrama de niacuteveis de energia de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico Sob
iluminaccedilatildeo o eleacutetron (e-) eacute jogado para o niacutevel de maior energia LUMO deixando uma
lacuna (h+) no niacutevel de menor energia HOMO (Criaccedilatildeo do eacutexciton) que seratildeo coletados
pelos eletrodos 1 funccedilatildeo trabalho do 1ordm eletrodo (transparente) 2 funccedilatildeo trabalho do
2ordm eletrodo χ eletroafinidade IP potencial de ionizaccedilatildeo e Eg energia do gap
23 ndash CARACTERIZACcedilAtildeO DO DISPOSITIVO FOTOVOLTAICO
Para fazer comparaccedilotildees e caracterizar os dispositivos alguns paracircmetros satildeo
importantes para determinar a eficiecircncia entre os diferentes tipos de camada ativa dos
dispositivos Por meio do espectro dinacircmico ou resposta espectral teremos a eficiecircncia
quacircntica externa (IPCE) Para obterem-se os valores de tensatildeo circuito abeto (VOC)
corrente de curto circuito (ISC) fator de preenchimento (FF) e eficiecircncia de conversatildeo de
potecircncia () foram usados os valores retirados das curvas caracteriacutesticas I ndashV no escuro e
sob iluminaccedilatildeo [18]
231ndash Eficiecircncia quacircntica externa (IPCE)
Para se obter a resposta espectral ou espectro dinacircmico a amostra eacute submetida a
um feixe de luz monocromaacutetica de vaacuterios comprimentos de onda sem a aplicaccedilatildeo de
11
tensatildeo A eficiecircncia quacircntica externa eacute a razatildeo entre a densidade de fotocorrente de curto
circuito (JSC) medida e a intensidade de luz monocromaacutetica que incide sobre a amostra
conforme mostra a equaccedilatildeo 21
IPCE()=
(21)
Onde
JSC eacute a densidade de fotocorrente de curto circuito dada em microAcm2
λ eacute o comprimento de onda em nm
I0 eacute a intensidade de luz incidente em W m2
1024 eacute o fator de conversatildeo de energia em comprimento de onda [18]
Portanto o IPCE eacute um valor de medida de eficiecircncia para os dispositivos
fotovoltaicos
232 ndash Tensatildeo de circuito aberto (VOC) e Corrente de curto circuito (ISC)
Quando os materiais orgacircnicos das camadas ativas satildeo colocados em contato com o
eletrodo inorgacircnico existe um balanceamento de cargas entre os materiais de diferentes
funccedilotildees trabalhos ateacute que o equiliacutebrio seja atingido Nesta situaccedilatildeo haacute um nivelamento dos
niacuteveis de energia de Fermi dos materiais e um campo eleacutetrico intriacutenseco eacute criado na
interface do dispositivo
Em um dispositivo sob iluminaccedilatildeo depois da dissociaccedilatildeo dos eacutexcitons as cargas
satildeo transportadas para os eletrodos pelo campo eleacutetrico intriacutenseco que iraacute aumentar a
energia do eletrodo de menor funccedilatildeo trabalho (1) e diminuir a energia de Fermi do
eletrodo de maior funccedilatildeo trabalho (2) quase atingindo a condiccedilatildeo de banda plana
criando uma diferenccedila de potencial definida como tensatildeo de circuito aberto VOC
A figura 27 mostra o diagrama esquemaacutetico de um dispositivo fotovoltaico A
tensatildeo de circuito aberto VOC pode ser obtida da curva caracteriacutestica IndashV de um dispositivo
sob iluminaccedilatildeo quando a corrente eacute zero
12
Figura 2 7 ndash Diagrama esquemaacutetico do dispositivo fotovoltaico 2 poliacutemero1 no escuro
com o alinhamento dos niacuteveis de Fermi a) e sob iluminaccedilatildeo b) potencial de built-in ( Vbi)
intriacutenseco em temperatura ambiente esta proacuteximo ao valor de tensatildeo
Em temperaturas baixas a iluminaccedilatildeo poderaacute trazer a condiccedilatildeo de banda plana e a
tensatildeo de circuito aberto VOC seraacute igual ao potencial de built in (Vbi) Este potencial eacute
definido como a diferenccedila de funccedilatildeo trabalho entre os eletrodos em temperatura ambiente
pois a condiccedilatildeo de banda plana natildeo eacute totalmente atingida e uma pequena correccedilatildeo deve ser
adicionada ao VOC para obter o Vbi [14]
O valor da corrente eleacutetrica maacutexima que atravessa o dispositivo quando iluminado
sem nenhuma tensatildeo aplicada eacute chamado de corrente de curto circuito (ISC)
Para definir a densidade de fotocorrente (JSC) utiliza-se o valor de ISC dividido pela
aacuterea ativa do dispositivo
233 ndash Curva caracteriacutestica IndashV
Atraveacutes da curva IndashV temos a resposta eleacutetrica do dispositivo fotovoltaico A figura
28 mostra a curva caracteriacutestica IndashV no escuro e sob iluminaccedilatildeo de um dispositivo ideal
fotovoltaico No escuro a curva de resposta eacute semelhante agrave de um diodo retificador quando
a corrente soacute aparece para a tensatildeo direta Sob iluminaccedilatildeo a curva de ISC desce para o
terceiro e quarto quadrante Na polarizaccedilatildeo direta o eletrodo de maior funccedilatildeo trabalho eacute
polarizado positivamente e o de menor funccedilatildeo trabalho eacute polarizado negativamente
[1819]
13
Figura 2 8 ndash Curva caracteriacutestica IndashV de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico no escuro e
sob iluminaccedilatildeo Tambeacutem eacute mostrado o ponto de corrente de curto circuito e tensatildeo de
circuito aberto O retacircngulo pintado indica o fator de preenchimento (FF)
234 ndash Fator de preenchimento (FF) e Conversatildeo de Potencia ()
A quantidade maacutexima de energia eleacutetrica extraiacuteda do dispositivo fotovoltaico eacute
determinada pelo fator de preenchimento (FF) ou seja eacute a razatildeo entre a potecircncia maacutexima
fornecida pelo dispositivo fotovoltaico e a potecircncia nominal do mesmo Na figura 8 o fator
de preenchimento eacute representado pela razatildeo entre as aacutereas do retacircngulo cinza (representa a
potecircncia maacutexima que o dispositivo fornece) pela aacuterea do retacircngulo azul (representa a
potecircncia nominal) Assim a equaccedilatildeo 22 mostra a relaccedilatildeo matemaacutetica para a obtenccedilatildeo do
FF
(22)
Onde Vm e Im satildeo as intersecccedilotildees da curva IndashV com a potecircncia maacutexima do
retacircngulo
14
Para aplicaccedilatildeo de um dispositivo fotovoltaico como ceacutelulas solares um dos focos
de interesse eacute a potecircncia eleacutetrica extraiacuteda que eacute determinada pela eficiecircncia de conversatildeo
de potecircncia () Para encontrar este valor divide-se o valor da potecircncia maacutexima gerada
pela ceacutelula (P) pela potecircncia da luz incidente (Pin) A expressatildeo para o caacutelculo de eacute
mostrada na equaccedilatildeo 23
=
(23)
Onde I0 eacute a intensidade de luz incidente sobre a ceacutelula solar Usando a equaccedilatildeo 22
para calculara o FF temos a equaccedilatildeo 24
(24)
24 ndash POLIacuteMEROS UTILIZADOS
Os poliacutemeros sinteacuteticos satildeo produtos quiacutemicos obtidos sinteticamente que
apresentam cadeias longas e dentre eles podemos encontrar materiais importantes para o
uso em engenharia
As propriedades dos poliacutemeros dependem muito do tipo de monocircmero que o
originaram Outros fatores que influenciam suas propriedades satildeo o tipo de reaccedilatildeo
empregada para sua obtenccedilatildeo e a teacutecnica de preparaccedilatildeo Podemos citar trecircs tipos de reaccedilotildees
a partir das quais se podem produzir um poliacutemero a poliadiccedilatildeo policondensaccedilatildeo e a
modificaccedilatildeo quiacutemica de outro poliacutemero [20]
241 ndash Polistireno (PS)
O PS eacute uma resina termoplaacutestica foi descoberto em 1831 Apesar de ter sido
proposto para uso logo apoacutes sua descoberta demorou a ser colocado no comeacutercio Isto
ocorreu porque a polimerizaccedilatildeo do monocircmero natildeo era controlada e ocorria muito
rapidamente dificultando o carregamento e a estocagem dos monocircmeros A representaccedilatildeo
da estrutura quiacutemica do PS pode ser vista na figura 29 [21]
15
Figura 2 9 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PS (C8H8)n
O PS eacute um dos plaacutesticos mais utilizados no Brasil cuja aplicaccedilatildeo pode se estender a
diversos tipos de utensiacutelios para uso domeacutesticos Em uso na fabricaccedilatildeo de objetos tais
como brinquedos escovas embalagens riacutegidas para cosmeacuteticos no isolamento ao frio na
embalagem de equipamentos em pranchas flutuantes em paineacuteis para a induacutestria
automobiliacutestica e produtos para a induacutestria de eletro-eletrocircnico etc
Suas caracteriacutesticas marcantes satildeo rigidez semelhante ao vidro alta resistecircncia
quiacutemica baixa resistecircncia a solventes orgacircnicos baixa resistecircncia a intempeacuteries boa
condiccedilatildeo de isolamento teacutermico e eleacutetrico relevante sensibilidade agrave luz incolor e
transparente [21] Frente ao calor eacute classificado como termoplaacutestico de uso geral Trata-se
de um poliacutemero de baixo custo e de faacutecil aquisiccedilatildeo No Brasil os principais fabricantes satildeo
a BASF do Brasil que produz o PS com o nome comercial de Plystirol e a Monsanto do
Brasil que o fabrica com o nome comercial de Lustrex Possui temperatura de fusatildeo
cristalina (Tm) 235 degC e temperatura de transiccedilatildeo viacutetrea (Tg) de 100 degC [20]
242 ndash Poli metacrilato de metila (PMAM)
Eacute um poliacutemero amorfo linear sua siacutentese eacute por adiccedilatildeo e requer um centro ativo
como iniciador Possui caracteriacutesticas oacutepticas e mecacircnicas resistentes aos aacutecidos orgacircnicos
[21 22] A representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica pode ser vista na figura 210
16
Figura 2 10 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PMMA (C5O2H8)n
Tambeacutem conhecido como plaacutestico acriacutelico esse termoplaacutestico eacute um poliacutemero
sinteacutetico de origem petroquiacutemica assim como o PS cujas principais caracteriacutesticas satildeo
transparecircncia boa resistecircncia quiacutemica resistente a impactos e a intempeacuteries
Eacute um poliacutemero considerado de baixo custo e de faacutecil aquisiccedilatildeo No Brasil
destacam-se como fabricantes a CP Bahia e a Rohm amp Haas que produzem
respectivamente o Acrigel e o Acryloid
O PMAM eacute usado em placas para sinalizaccedilatildeo de traacutefego em estradas nas induacutestrias
automobiliacutesticas de aviaccedilatildeo e na construccedilatildeo civil Eacute vastamente empregado na fabricaccedilatildeo
de fibras oacutepticas e em eletro-eletrocircnicos aleacutem disso o PMAM tem sido utilizado na
ortopedia desde sua siacutentese Pesquisa na aacuterea da eletrocircnica orgacircnica estaacute sendo
desenvolvida [2223] e tambeacutem na aacuterea da medicina como na esteacutetica e em outras
aplicaccedilotildees na aacuterea da sauacutede [2425]
Possui temperatura de fusatildeo cristalina (Tm) 160 degC e temperatura de transiccedilatildeo viacutetrea
(Tg) de 105 degC[20]
243 ndash Poli(34-Etileno Dioxitiofeno)Poli(Estireno-Sulfonato) (PEDOTPSS)
As pesquisas sobre poliacutemeros condutores tecircm atraiacutedo cientistas e grandes empresas
Ao longo desta deacutecada grandes descobertas foram realizadas em relaccedilatildeo aos poliacutemeros
condutores [26]
Cientistas da Bayer AG [27 28] contribuiacuteram para o desenvolvimento do Poli (34-
etileno dioxitiofeno) (PEDOT) que apresenta propriedades e caracteriacutesticas interessantes
mesmo em seu estado dopado A cadeia principal estaacute representada na figura 211
17
Figura 2 11 ndash Representaccedilatildeo da cadeia principal do PEDOT [28]
O PEDOT possui alta condutividade contudo natildeo eacute soluacutevel em aacutegua Para tornaacute-lo
soluacutevel foi adicionado o poli (estireno sulfonado) (PSS) assim as altas taxas de
condutividade foram perdidas no processo de dopagem Apesar disto a combinaccedilatildeo do
PEDOTPSS ilustrado na figura 212 resultou em um poliacutemero com caracteriacutesticas e
condiccedilotildees favoraacuteveis tornando simples a deposiccedilatildeo dos filmes
O PEDOTPSS eacute apresentado em soluccedilatildeo azul escuro e possui condutividade
maacutexima de 10 S cm (depende da espessura e do processo de confecccedilatildeo do filme) Mostra
alta taxa de absorccedilatildeo luminosa entre 900 nm e 2000 nm [28]
Figura 2 12 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica da interaccedilatildeo entre o PEDOT e PSS [28]
O PEDOTPSS eacute um exemplo de poliacutemero condutor comercial que atraiu usuaacuterios e
pesquisadores em vaacuterios paiacuteses Atualmente existem vaacuterios estudos de dispositivos
orgacircnicos para aplicaccedilotildees em ceacutelulas solares que utilizam o PEDOTPSS [30-32] Seu uso
18
em pesquisas se estende a outros dispositivos orgacircnicos como OLEDs sensores
transistores etc [32 33]
244 ndash Poli (3-hexiltiofeno) (P3HT)
O P3HT eacute um poliacutemero sinteacutetico semicondutor tipo p fabricado e comercializado
pela Aldrichreg possui alto peso molecular Sua estrutura com grades reacutegio-regulares
favorece os estudos para aplicaccedilotildees em ceacutelulas fotovoltaicas orgacircnicas (OPV) Possui
propriedades fotoluminescentes na faixa de comprimento de onda 450 nm e 575 nm [34]
Tambeacutem pode ser combinado com outro tipo de poliacutemeros para aplicaccedilotildees em ceacutelulas
solares [35-37] O transporte de cargas majoritaacuterio eacute de lacunas
A Soluccedilatildeo do P3HT pode ser solubilizada em clorofoacutermio (CHCL3) Aleacutem deste
solvente o P3HT pode ser diluiacutedo em tolueno (C7H8) tri-cloro-benzeno cloro-benzeno e
xyleno soluacutevel A estrutura quiacutemica pode ser vista na figura 213
Figura 2 13 ndash Estrutura quiacutemica do P3HT (C10H18S)n
245 ndash Oacuteleo de Buriti (Mauritia Flexuosa L) ndash OB
A palmeira do buriti (Mauritia flexuosa L) aparece em regiotildees de vaacuterzea e brejo e eacute
comumente encontrada na regiatildeo da Amazocircnia A figura 214 ilustra a foto da palmeira do
buritizeiro Tanto as palmeiras como os frutos satildeo muito utilizados pelas pessoas que
moram nas regiotildees ribeirinhas por exemplo para fazer coberturas de casas com as folhas
ou para extrair a polpa dos frutos para o uso na alimentaccedilatildeo
19
Figura 2 14 ndash Foto da palmeira do Buriti (Mauritia Flexuosa) conhecida como Buritizeiro
[21]
A palmeira do buritizeiro costuma ter altura de ateacute cinquumlenta metros A meacutedia de
frutos colhidos em todos os cachos varia de quinhentos a oitocentos frutos O fruto do
buriti apresenta forma arredondada e eliacuteptica mede aproximadamente de quatro a seis
centiacutemetros de diacircmetro com peso variando entre vinte e cinco a quarenta gramas A
figura 215 ilustra o fruto do buritizeiro tambeacutem pode ser observada a cor amarelada da
polpa
Figura 2 15 ndash Ilustraccedilatildeo dos frutos maduros do Buriti (a) aspecto da casca (b) polpa de
cor amarelada [21]
Estudos desenvolvidos por Moreira et al [38- 40] mostram propriedades oacutepticas de
absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica na faixa do ultravioleta e do visiacutevel solar (UV-VIS)
20
Duratildees et al [39] estudando as soluccedilotildees do OB diluiacuteda em clorofoacutermio observaram
grau de absorccedilatildeo de radiaccedilatildeo UV-VIS na faixa de 245 248 e 276 nm Tambeacutem foram
avaliadas a incorporaccedilatildeo do OB em matrizes de PMAM e PS que apresentaram niacuteveis de
absorccedilatildeo em comprimentos de onda maiores do que 276 nm
A figura 216 mostra os espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo ultravioleta (UV) dos
filmes de PS e PS com OB nas proporccedilotildees estudadas Observa-se nesses espectros que o
filme de PS sem o OB apresenta absorccedilatildeo insignificante nessa regiatildeo do espectro
eletromagneacutetico Esse material mostra uma pequena banda de absorccedilatildeo entre 250 nm Nos
espectros do material polimeacuterico misturado com OB percebe-se um aumento da absorccedilatildeo
da radiaccedilatildeo como consequumlecircncia do aumento do teor de OB nas amostras Esta absorccedilatildeo eacute
indicada por uma banda larga e intensa entre 275 nm e 375 nm que se desloca para
comprimentos de onda maiores agrave medida que a concentraccedilatildeo do oacuteleo aumenta nos
materiais compostos [40]
Figura 2 16 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PS puro e PSOB [40]
A figura 217 mostra os espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes de
PMAM puro e PMAM OB nas proporccedilotildees estudadas O estudo de espectroscopia por
absorccedilatildeo na regiatildeo do UV mostrou que o OB proporcionou uma elevaccedilatildeo de ateacute 400 na
absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo pelo PMAM misturado com OB Este aumento ocorreu regularmente
21
com o teor do dopante exceto para o material com maior percentual do oacuteleo onde
provavelmente a sua maior quantidade tenha dificultado a incorporaccedilatildeo no PMAM
Como consequumlecircncia da incorporaccedilatildeo do OB na matriz de PMAM foi observada
uma banda larga de absorccedilatildeo entre 260 nm e 380 nm que sofreu deslocamento para
comprimentos de onda maiores acompanhando o aumento no teor de oacuteleo das amostras
Nota-se portanto que o comportamento das amostras de PMAM OB eacute semelhante ao dos
materiais PS OB com exceccedilatildeo da inversatildeo de absorccedilatildeo dos filmes feitos com percentuais
do OB de 3455 e 4681 nos filmes de PMAM
Figura 2 17 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PMAM puro e PMAM
OB [40]
22
Capiacutetulo III
Procedimentos Experimentais e
Resultados
23
3 ndash PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS
31 ndash MATERIAIS
Escolheu-se trabalhar com substrato de vidro por que eacute transparente fornece
sustentaccedilatildeo mecacircnica natildeo se degrada com o calor permite a entrada de luz no dispositivo
e possui uma camada condutora com resistecircncia relativamente baixa As resistecircncias das
lacircminas foram medidas com multiacutemetro digital comum e apresentaram um valor em torno
de 41-70 Ω A resistecircncia desses substratos muda de acordo com o processo de
deposiccedilatildeo dos filmes de FTO [41 42] Tambeacutem foram usados substratos flexiacuteveis de
plaacutestico (PET) no tamanho de 2 cm x 3 cm
Os poliacutemeros condutores usados foram o PEDOTPSS e o P3HT Usou-se o PEDOT
PSS para fazer um dos eletrodos O P3HT foi usado misturado com o oacuteleo de buriti para
fazer um tipo de camada ativa Trabalhou-se com misturas de poliacutemeros isolantes PS e
PMAM com OB preparadas no Laboratoacuterio de Poliacutemeros do Instituto de Quiacutemica da UnB
Usou-se misturas com concentraccedilotildees de 8 e 47 de OB na matriz de PS e misturas com
35 de OB na matriz de PMAM conforme descrito por JR Duratildees em [40]
Para fazer o eletrodo superior usou-se a tinta condutora de prata marca INK
SILVER (tinta 100 prata) com pureza da prata 99 e tamanho da partiacutecula de prata 05
a 70 m dissolvidas em solvente e um verniz de alta aderecircncia (NOS002) Em algumas
amostras usou-se tambeacutem o grafite de um laacutepis HB
32 ndash EQUIPAMENTOS UTILIZADOS
321 ndash Multiacutemetros
Para fazer as medidas eleacutetricas diretas de ISC empregou-se o uso do multiacutemetro
analoacutegico ET-3021 porque possuiacutea escala de ateacute micro ampeacutere Para as medidas diretas de
resistecircncia seacuterie e de VOC usou-se o multiacutemetro digital modelo ET-2042C
322 ndash Spin coater
Os filmes finos foram preparados utilizando um conjunto de equipamento que
compotildee o spin coater (Laureal modelo WS- 400B-6NPPLITE) do Laboratoacuterio de
Dispositivo e Circuitos Integrados da UnB (LDCI) mostrado na figura 31
24
Figura 3 1 ndash (a)bomba de vaacutecuo (b) compressor de ar comprimido (c) vaacutelvula de
controle e (d) spin coater
O equipamento de spin coater consiste em um conjunto composto de bomba de
vaacutecuo compressor de ar comprimido regulador de pressatildeo e o spin coater que possui
compartimento feito de teflon Acoplado ao spin coater haacute um display de cristal liquido
(LCD) para visualizaccedilatildeo dos programas realizados
Tem-se ateacute 20 programas de processamentos (A ateacute T) contendo ateacute 51 etapas cada
um que podem ser armazenados definitivamente na memoacuteria caso haja possibilidade de
modificar o programa posteriormente Cada etapa do programa inclui tempo total de
duraccedilatildeo da deposiccedilatildeo velocidade de rotaccedilatildeo do substrato em rpm e
aceleraccedilatildeodesaceleraccedilatildeo Satildeo possiacuteveis rotaccedilotildees de ateacute 11000 rpm
Na figura 32 haacute uma foto mostrando a lateral e parte da frente do compartimento
onde o substrato eacute colocado no momento da centrifugaccedilatildeo Ao lado do spin coater pode ser
visualizado o display de LCD programaacutevel acoplado
25
Figura 3 2 ndash Equipamento de spin coater instalado no laboratoacuterio LDCI vista lateral e
frontal
323 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores (Curva IndashV)
As curvas IndashV das amostras foram obtidas com um sistema de caracterizaccedilatildeo de
semicondutores Keithley modelo 2400 mostrado na figura 33 o qual permite aplicar
tensotildees entre 1 μV e 1100 V e medir a corrente entre 10 pA e 105 A
Figura 3 3 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores Keithley 2400 laboratoacuterio
LDCI
26
Todo o processo de medidas eacute controlado atraveacutes de um microcomputador que eacute
conectado aos equipamentos atraveacutes de uma interface paralela (General Purpose Interface
Bus (GPIB) que controla os equipamentos coleta e armazena os dados O programa usado
para este fim eacute o software LABVIEW 61
324 ndash Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM)
A caracterizaccedilatildeo morfoloacutegica dos filmes das camadas ativas foi obtida em um
equipamento de medidas de microscopia de forccedila atocircmica AFM marca VEECO DInnova
(figura 34) com ponteira de nitrato de siliacutecio (forma em V) com constante de mola de
058 Nm Todas as imagens foram obtidas em modo contato (512 x 512 pixel) e taxa de
varredura de 1 Hz
Figura 3 4 ndash Vista frontal do AFM marca VEECO Innova
27
Os filmes caracterizados por AFM consistiram em camadas ativas feitas com
soluccedilotildees de PS puro PSOB 47 PMAM puro PMAMOB 35 P3HTOB puro e
P3HT PS OB 47 depositadas sobre substrato de vidro recoberto com FTO por spin
coating e com rotaccedilatildeo de 7000 rpm por 40 segundos
33 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS I
331 ndash Experimentos Etapa 1
Nesta etapa utilizou-se a metodologia adaptada a partir da descriccedilatildeo da montagem da
ceacutelula solar de Graumltzel [43] Essa ceacutelula eacute tambeacutem conhecida como ceacutelula solar de corante
Nessa ceacutelula a geraccedilatildeo de energia eacute produzida por um efeito eletroquiacutemico [44] Para cada
amostra foram usadas duas lacircminas de vidro tamanho 1 cm x 25 cm recoberto com FTO
Os substratos foram utilizados conforme retirados das embalagens ou seja natildeo passaram
por nenhum tipo de limpeza
3311 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo dos eletrodos
Para um dos eletrodos usou-se o grafite que foi obtido a partir de um laacutepis para
desenho HB No lado do substrato contendo o FTO pintou-se a lacircmina com o laacutepis Para o
outro eletrodo foi usado uma soluccedilatildeo PEDOT PSS As amostras foram confeccionadas
manualmente e as deposiccedilotildees foram feitas com pincel comum A soluccedilatildeo de PEDOT PSS
ficou agitando durante 2 horas antes da deposiccedilatildeo sobre o substrato a fim de obter-se uma
soluccedilatildeo mais homogecircnea Devido o filme de PEDOTPSS ser espesso o processo de
secagem a temperatura ambiente foi demorado Assim apoacutes a pintura se fez necessaacuterio a
secagem das amostras na estufa durante 8 horas a 80 ordmC e para concluir o processo
ficaram em temperatura ambiente por mais 24 horas
3312 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo da camada ativa
Antes de fazer a deposiccedilatildeo do filme da camada ativa de PSOB 8 a mistura foi
agitada durante 30 minutos com intuito de obter-se uma dissoluccedilatildeo completa da soluccedilatildeo
28
Sobre o eletrodo de PEDOTPSS foi depositada por casting uma quantidade da soluccedilatildeo de
PSOB 8
3313 ndash Formaccedilatildeo do dispositivo
Para formar o dispositivo as duas lacircminas de vidro foram juntadas uma com
grafite e a outra com PEDOTPSS e a camada ativa de PSOB 8 As duas foram juntadas
antes que a camada ativa estivesse seca de modo a ajudar na colagem das mesmas Para
garantir a uniatildeo fiacutesica das lacircminas foi usado um clipe conforme mostrado na figura 35 A
aacuterea ativa eacute da ordem de 1 cm2
Figura 3 5 ndash Amostras confeccionadas com duas lacircminas de substrato de vidro
recoberto com FTO baseada no modelo de Graumltzel
3314 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
A fonte de iluminaccedilatildeo utilizada na caracterizaccedilatildeo dos dados experimentais e
resultados I consistiu em uma lacircmpada incandescente comum de 100 W ligada em seacuterie
com um varivolt de 240 volts
Foram feitas quatro amostras (CS1 CS2 CS3 e CS4) da forma como descrito
acima As medidas eleacutetricas foram tomadas usando-se dois multiacutemetros um digital e outro
analoacutegico As amostras foram iluminadas com a lacircmpada incandescente de 100 W e foram
observados valores de ISC e VOC nos multiacutemetros a partir de uma tensatildeo de 240 volts na
lacircmpada Todas as amostras ficaram expostas durante aproximadamente 5 minutos Os
valores de ISC e VOC obtidos satildeo mostrados na tabela 31
29
Tabela 3 1 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W) Tensatildeo da
lacircmpada
CS1 mdash mdash mdash 240
CS2 03 09 027 240
CS3 06 05 030 240
CS4 02 01 020 240
3315 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Pode-se observar o aparecimento de VOC e tambeacutem de ISC em trecircs das amostras
confeccionadas com tensatildeo de alimentaccedilatildeo na fonte de iluminaccedilatildeo de 240 volts Os
valores de VOC e ISC satildeo um pouco diferentes entre as trecircs amostras apesar de elas terem
sido confeccionadas seguindo os mesmos procedimentos Isto pode ter sido devido agrave
dificuldade em se controlar a espessura das camadas ativas Os resultados obtidos para VOC
e ISC satildeo menores do que os reportados na literatura [4344] Contudo os materiais usados
satildeo diferentes dos relatados na literatura Neste dispositivo o OB estaacute se comportando
como um corante e promovendo o processo eletroquiacutemico de transformaccedilatildeo de energia
luminosa em energia eleacutetrica Assim uma mudanccedila na concentraccedilatildeo de oacuteleo poderaacute
modificar os resultados obtidos ateacute aqui
332 ndash Experimentos Etapa 2
3321 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras
Na segunda etapa foram confeccionadas quatro amostras (CS5 CS6 CS7 e CS8)
utilizando a mesma metodologia do experimento da Etapa 1 mudando apenas a
concentraccedilatildeo do OB de 8 para 47 No lugar do clipe para unir as duas lacircminas usou-se
fita adesiva
3322 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
As medidas das amostras foram realizadas usando os mesmos equipamentos jaacute
citados e descritos anteriormente Duas destas amostras natildeo tiveram medidas de ISC nem
30
VOC Para as demais soacute foram observadas medidas de VOC e ISC apoacutes a tensatildeo da lacircmpada
atingir 200 volts Todas as amostras ficaram expostas durante 5 minutos Os valores de ISC
e VOC obtidos satildeo mostrados na tabela 32
Tabela 3 2 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W) Tensatildeo da
lacircmpada
CS5 ndash ndash ndash 240
CS6 18 09 162 240
CS7 ndash ndash 240
CS8 09 03 027 240
3323 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Os valores de VOC e ISC obtidos nesta etapa satildeo maiores que os obtidos na Etapa1
Isto pode estar relacionado ao efeito corante do OB Nesta etapa mudou-se a concentraccedilatildeo
de 8 de OB para 47 de OB esse paracircmetro foi o uacutenico a ser mudado entre as duas
etapas Estas amostras bem como as da Etapa 1 natildeo puderam ter seus valores de VOC e ISC
medidos novamente porque as amostras descolavam os eletrodos danificando os
dispositivos Assim estas estruturas natildeo foram repetidas
333 ndash Experimentos Etapa 3
Nesta etapa mudou-se o tipo de substrato e a configuraccedilatildeo das amostras A
configuraccedilatildeo de construccedilatildeo baseada na estrutura dos dispositivos desenvolvidos por
Graumltzel natildeo foi mais usada O substrato de vidro foi substituiacutedo por um substrato de
plaacutestico de Poli (Tereftalato de Etila) (PET) a fim de desenvolver amostras flexiacuteveis e de
menor custo As camadas ativas tiveram a concentraccedilatildeo do OB de 47 O substrato de
PET foi limpo com clorofoacutermio acetona e aacutegua deionizada Apoacutes o processo de limpeza os
substratos foram secos a temperatura ambiente por 2 horas Para substituir a camada
condutora de FTO e construir um dos eletrodos utilizou-se leit-C e leit-C diluente
adquirido da FLUKA esses dois elementos produzem a pasta de carbono O PEDOTPSS
31
foi utilizado para formar um filme sobre o eletrodo de carbono E por uacuteltimo foi usada a
Ag para fazer o eletrodo superior
3331 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras
Com o substrato recortado no tamanho de 2 cm x 3 cm inicia-se o processo de
limpeza As folhas de PET foram imersas em clorofoacutermio durante 30 minutos em soluccedilatildeo
de acetona por mais 30 minutos e por ultimo foram enxaguadas com aacutegua deionizada O
processo de secagem foi realizado em temperatura ambiente dentro da estufa
A pasta de carbono foi preparada para ser o eletrodo inferior Essa foi espalhada
manualmente com ajuda de uma espaacutetula sobre toda a folha do PET Com o substrato
preparado e tendo a superfiacutecie recoberta com um filme de carbono jaacute seco a soluccedilatildeo de
PEDOT PSS foi pintada sobre o filme de carbono com um pincel de cerdas macias
comum Antes da deposiccedilatildeo a soluccedilatildeo de PEDOT PSS foi agitada durante 2 horas
Apoacutes a pintura do filme de PEDOTPSS as amostras foram colocadas na estufa agrave
temperatura de 50 degC durante 8 horas e permaneceram por mais 24 horas em temperatura
ambiente dentro da estufa A camada ativa foi depositada usando uma pipeta contendo 001
uL de PSOB 47 Para formar o contato inferior uma pequena parte do filme de
PEDOTPSS foi deixado visiacutevel
Apoacutes a deposiccedilatildeo da camada ativa as amostras ficaram em temperatura ambiente
por 24 horas para concluir o processo de secagem O eletrodo superior foi pintado com
tinta de Ag sobre uma pequena aacuterea da camada ativa A secagem do eletrodo superior foi
em temperatura ambiente A aacuterea ativa destas amostras eacute da ordem de 05 cm2 A figura 36
a) mostra o esquema final da amostra e a figura 36 b) uma foto do dispositivo finalizado
Figura 3 6 ndash (a) Esquema da amostra confeccionada no substrato flexiacutevel de plaacutestico
(PET) (b) foto do substrato finalizado
32
3332 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
Nesta etapa foram confeccionadas cinco amostras chamadas de P1 P2 P3 P4 e
P5 As medidas eleacutetricas foram realizadas usando os equipamentos jaacute descritos nas etapas
anteriores Os valores de VOC e ISC foram medidos apoacutes a tensatildeo da lacircmpada atingir 200
volts Todas as amostras ficaram expostas sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada durante cinco
minutos As amostras tiveram as resistecircncias medidas Pois os substratos utilizados aqui
eram isolantes e o filme condutor foi construiacutedo manualmente As resistecircncias das
amostras satildeo mostradas na tabela 33 juntamente com os valores de ISC VOC e potecircncia
calculada
Todas as amostras apresentaram valores de VOC e ISC para tensatildeo de iluminaccedilatildeo da
lacircmpada acima de 220 volts exceto a amostra P4 A amostra P4 mostrou valores
mensuraacuteveis de VOC e ISC a partir de iluminaccedilatildeo da lacircmpada com tensatildeo de 110 volts Os
valores desta variaccedilatildeo satildeo mostrados na tabela 34
Tabela 3 3 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (W) Tensatildeo da
Lacircmpada
Resistecircncia
Ohms
P1 ndash ndash ndash 240 540
P2 09 01 09 240 890
P3 15 07 105 240 550
P4 09 06 054 240 1500
2000 P5 24 09 216 240
Tabela 3 4 ndash Valores medidos de VOC e ISC com iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W para variaccedilatildeo de iluminaccedilatildeo para a amostra P4
Variaccedilatildeo das tensotildees VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W)
110 04 01 04
160 06 02 012
220 07 03 021
240 09 06 054
33
3333 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Na tabela 33 natildeo foi observada nenhuma ligaccedilatildeo direta dos valores de ISC e VOC
com as resistecircncias medidas das amostras Em relaccedilatildeo agraves amostras feitas nas Etapas 1 e 2
pode-se notar valores de ISC e VOC maiores
Foi observado que em todas as amostras confeccionadas no substrato de PET apoacutes
alguns minutos de aquecimento pela fonte de luz (lacircmpada de 100 w) as amostras se
deformavam Agrave medida que os testes eram repetidos as amostras se retorciam e em
algumas amostras os filmes ressecaram e se soltaram dos substratos Apesar destes
comportamentos ao se repetir os testes os valores de VOC e ISC permaneciam inalterados
para as amostras que os filmes natildeo estavam completamente rompidos A figura 37
apresenta a foto de uma amostra apoacutes ser submetida agrave fonte iluminaccedilatildeo de lacircmpada
incandescente de 100 W por 20 minutos Devido aacute sua deformaccedilatildeo e degradaccedilatildeo com o
calor este tipo de substrato foi descartada
Figura 3 7 ndash Amostra feita com substrato de PET apoacutes ser submetidos agrave fonte de lacircmpada
incandescente de 100 W por 20 minutos
334 ndash Experimentos Etapa 4
Devido ao retorcimento e agrave deterioraccedilatildeo das amostras confeccionadas com
substrato de PET nesta etapa voltou-se a utilizar o substrato de vidro recoberto com FTO
A prata foi usada para construir o eletrodo superior das amostras Para a camada ativa
continuou-se com uso do PSOB 47 Seguindo o mesmo esquema utilizado anteriormente
34
para confecccedilatildeo das amostras de PET mudou-se apenas o substrato O esquema do
dispositivo pode ser visto na figura 38
3341 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras
As resistecircncias dos substratos de vidro de 1 cm x 25 cm estatildeo entre 89 a 115 Ω
Os substratos foram limpos com clorofoacutermio acetona e aacutegua deionizada
Apoacutes o processo de limpeza todos os substratos foram secos a temperatura
ambiente por 2 horas
O eletrodo de PEDOTPSS foi pintado sobre o filme de FTO do substrato Em
seguida as amostras foram colocadas na estufa a 80 degC durante 24 horas
Apoacutes a secagem da camada de PEDOTPSS foi realizada a deposiccedilatildeo da camada
ativa com o auxilio de uma pipeta contendo 001 ml de soluccedilatildeo de PSOB 47 O
processo de secagem foi em temperatura ambiente por 24 horas
Por uacuteltimo foi feito o contato superior de tinta de Ag sobre a camada ativa de PS
OB 47 utilizando um pincel fino de cerdas comuns A aacuterea ativa foi estimada e ficou em
torno de 025 cm2 A figura 38 a) mostra o esquema que foi usado para confeccionar as
amostras e a figura 38 b) ilustra a amostra finalizada
Figura 3 8 ndash (a) Esquema da amostra para substrato de vidro recoberto com FTO (b) foto
da amostra finalizada
3342 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
Nesta etapa foram confeccionadas 10 amostras que foram nomeadas de v1 v2 v3
v4 v5 v6 v7 v8 v9 e v10 A tabela 35 mostra os valores daquelas que apresentaram
melhores desempenhos de VOC e ISC As medidas eleacutetricas foram realizadas usando os
equipamentos jaacute descritos nas etapas anteriores As medidas obtidas satildeo inferiores agravequelas
jaacute conseguidas nos itens anteriores Valores de VOC e ISC significativos ocorreram apoacutes a
tensatildeo da lacircmpada atingir 220 volts Todas as amostras ficaram expostas sob a luz da
lacircmpada durante 10 minutos As amostras foram iluminadas atraveacutes do vidroFTO
35
Tabela 3 5 ndash Valores de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo de lacircmpada incandescente de 100 W
durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W) Tensatildeo lacircmpada
v3 06 02 012 240
v5 05 01 050 240
v7 11 09 099 240
3343 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Apesar das amostras terem sido feitas seguindo os mesmos procedimentos os
valores de VOC e ISC obtidos satildeo diferentes Isto pode ter ocorrido devido agraves diferenccedilas nas
espessuras das camadas ativas que natildeo puderam ser controladas e tambeacutem no tamanho das
aacutereas ativas que podem ser levemente diferentes Aqui natildeo se pode falar em comparaccedilatildeo
com as outras amostras feitas anteriormente porque a aacuterea da camada ativa foi bastante
reduzida e as estruturas satildeo diferenciadas Desta forma os valores obtidos mesmo
menores ainda satildeo vaacutelidos
34 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS II
341 ndash Misturas usando P3HT
Nesta etapa foi proposto um estudo sobre diferentes misturas para a construccedilatildeo das
camadas ativas sempre incorporando o uso do OB Tipos de camadas ativas utilizadas
PSOB 47 P3HT+OB puro e PSOB 47 + P3HT
Para os trecircs tipos de dispositivos aqui investigados foi usado substrato de vidro
recoberto com FTO sobre o qual foi depositado por spin coating um filme de
PEDOTPSS que serviu como eletrodo inferior As camadas ativas foram depositadas
sobre o eletrodo de PEDOTPSS usando a teacutecnica de spin coating O eletrodo superior foi
pintado com tinta condutiva de Ag A figura 38 mostra o esquema do dispositivo que foi
utilizado para a confecccedilatildeo destas amostras
Para as medidas diretas de VOC e ISC foram usados dois tipos de iluminaccedilatildeo
artificial com lacircmpada de mercuacuterio Spektrallamp 80 W e iluminaccedilatildeo natural solar
36
342 ndash Experimentos Etapa 1
Nas etapas anteriores os filmes das amostras foram produzidos manualmente por
casting mas os resultados obtidos nas medidas iniciais natildeo foram satisfatoacuterios A fim de
buscar melhores resultados e tendo jaacute disponiacutevel no laboratoacuterio o equipamento de spin
coater para produzir filmes mais finos e homogecircneos a metodologia de confecccedilatildeo dos
filmes foi mudada Os filmes finos foram preparados em rotaccedilotildees variadas a fim de se
obter um filme adequado
3421 ndash Preparaccedilatildeo dos filmes por spin coater
Para preparar o primeiro grupo de amostras usaram-se substratos de vidro
recobertos com FTO Todos os substratos foram lavados em aacutegua deionizada e colocados
em estufa a 80degC para secar Para fazer o filme de PEDOTPSS inicialmente foi usada
rotaccedilatildeo de 500 rpm durante 25 segundos para espalhar a soluccedilatildeo uniformemente em todo
o substrato em seguida usou-se uma rotaccedilatildeo de 3000 rpm durante 40 segundos para
finalizar a confecccedilatildeo do filme
O filme de PEDOTPSS obtido dessa forma ficou bastante fino de modo que a
amostra saia do spin coater quase seca A fim de eliminar-se qualquer vestiacutegio do
solvente que no caso do PEDOT PSS usou-se agrave aacutegua as amostras foram colocadas na
estufa em temperatura de 50 degC por 1 hora Antes de depositar a camada ativa uma parte
do filme de PEDOTPSS foi protegido com fita onde foi construiacutedo o eletrodo inferior
Foram preparados trecircs tipos de soluccedilotildees para formar a camada ativa A primeira foi
uma soluccedilatildeo jaacute preparada de PS OB 47 no LABPOL do instituto de Quiacutemica UnB [41]
A segunda uma mistura de PS OB 47 mais o P3HT na proporccedilatildeo de 11 e a terceira foi
uma soluccedilatildeo de 1 ml de P3HT com 001 ml de OB puro As trecircs soluccedilotildees foram agitadas
durante 2 horas antes de serem depositadas por spin coating Os filmes da camada ativa
foram feitos com rotaccedilatildeo de 4000 rpm durante 40 segundos
Como o clorofoacutermio eacute um solvente que tem evaporaccedilatildeo raacutepida a deposiccedilatildeo da
camada ativa foi feita com o substrato jaacute girando no spin coater A deposiccedilatildeo foi realizada
com ajuda de uma pipeta As secagens das camadas ativas foram em temperatura ambiente
dentro da estufa para proteger as amostras de impurezas tais como poeira e contaminaccedilotildees
em geral
37
Por fim foi pintado no topo das amostras o eletrodo de Ag Foram construiacutedas duas
geometrias para se observar a influecircncia na quantidade de cargas coletadas e tambeacutem a
influecircncia do tamanho da aacuterea ativa As geometrias satildeo mostradas nas figuras 39 (a) e 39
(b)
Figura 3 9 ndash (a) Geometria do eletrodo de Ag confeccionado em forma de ponto e (b)
geometria do eletrodo de Ag feito em forma de trilhas
3422 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W
A fonte de iluminaccedilatildeo utilizada na caracterizaccedilatildeo dos dados experimentais e
resultados II consistiu em uma lacircmpada Hg spektrallamp de 80 W ligada a uma fonte de
alimentaccedilatildeo DROSSEL FUumlR SPEKTRALLAMP POWER SUPPLY FOR SPECTRAL
LAMPS
As medidas eleacutetricas das amostras foram realizadas usando os mesmos
equipamentos jaacute citados nos dados experimentais e resultados I
Cada amostra ficou exposta agrave radiaccedilatildeo direta da lacircmpada de Hg aproximadamente
por 5 minutos Para estas medidas natildeo foram considerados interferecircncia acircngulo de
inclinaccedilatildeo da amostra ou da lacircmpada Os valores de VOC e ISC obtidos para os dois tipos de
contatos para as geometrias desenhadas em forma de ponto e em trilha satildeo mostrados nas
tabelas 36 e 37 respectivamente
38
Tabela 3 6 ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito com um ponto de
prata Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PSOB 47 02 001 2
OB puroP3HT 06 002 12
PSOB 47P3HT 06 002 12
Tabela 3 7ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito de prata em forma de
trilhas com concentraccedilatildeo em um ponto Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PSOB 47 12 006 72
OB puroP3HT 11 005 55
PSOB 47P3HT 11 005 55
3423 ndash Caracterizaccedilatildeo com luz solar direta
As amostras com geometria de contato em forma de trilhas foram escolhidas para
serem caracterizadas pela luz solar direta Pois este grupo de amostra apresentou melhores
desempenhos quando submetidas agrave luz da lacircmpada espectral de Hg em relaccedilatildeo agraves amostras
confeccionadas com eletrodos em forma de ponto As medidas foram realizadas em dia de
sol intenso nos horaacuterios entre onze horas e doze horas Para realizar estas medidas foi
utilizada uma lente convergente [45] Isso foi feito para concentrar os raios solares sobre as
amostras Todas as amostras deste grupo ficaram expostas por aproximadamente 5 minutos
cada Os resultados satildeo mostrados na tabela 38
Tabela 3 8 ndash Resultados obtidos das medidas de VOC e ISC usando luz solar direta durante
5 minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PSOB 47 22 002 44
OB puroP3HT 18 002 36
PSOB 47P3HT 17 001 17
39
3423 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Para as amostras com contato de prata com a geometria desenhada em forma de
trilhas foram observados valores de VOC e ISC maiores do que aqueles com contato de
prata desenhado em forma de ponto Isto indica que realmente a geometria das trilhas
favorece a coleta das cargas geradas Neste caso tambeacutem existe uma aacuterea ativa maior o
que contribuiu para uma maior absorccedilatildeo da luz e consequumlentemente um aumento na
quantidade de cargas
As amostras com a camada ativa de PSOB 47 mostraram VOC e ISC superiores agraves
outras que continham a mistura do P3HT em sua camada ativa
Quando as amostras foram submetidas agrave luz solar direta houve um aumento
significativo de VOC contudo tivemos valores de ISC reduzidos em relaccedilatildeo aos valores
obtidos com a iluminaccedilatildeo da lacircmpada Hg Isto pode ser devido ao calor gerado pelo sol
que promoveu um espalhamento das cargas Pode-se notar que a potecircncia fornecida
tambeacutem diminuiu quando a luz solar foi usada como fonte de luz para caracterizaccedilatildeo das
amostras
343 ndash Experimentos Etapa 2
Para fazer uma investigaccedilatildeo em funccedilatildeo da espessura da camada ativa foram
confeccionadas novas amostras Continuou-se o uso dos trecircs tipos de soluccedilotildees para as
camadas ativas PSOB 47 OB puro+P3HT e PSOB 47 +P3HT Com a teacutecnica de
spin coating quanto maior a velocidade de rotaccedilatildeo menores satildeo as espessuras dos filmes
Para se obter filmes com espessuras adequadas os seguintes paracircmetros devem ser
observados viscosidade da soluccedilatildeo velocidade de rotaccedilatildeo e tempo de rotaccedilatildeo
3431 ndash Preparando novas amostras
Nesta etapa utilizou-se apenas rotaccedilatildeo de 3000 rpm para confeccionar o filme de
PEDOTPSS A deposiccedilatildeo foi feita com o auxiacutelio de uma conta gotas sendo que para cada
filme foram usadas duas pequenas gotas (001ml) Essa quantidade de soluccedilatildeo foi
suficiente para conseguir um espalhamento satisfatoacuterio e obter um filme fino e uniforme
Depois da deposiccedilatildeo os substratos satildeo colocados na estufa a 100 degC durante 15 minutos
para concluir o processo de secagem
40
Os trecircs tipos de camadas ativas foram preparadas seguindo o procedimento citado
na etapa 1 dos dados experimentais e resultados II Para esse grupo de amostra foi usado
um programa para o espalhamento do filme da camada ativa com uma rotaccedilatildeo fixa de 6000
rpm durante 25 segundos
Para depositar a mistura da camada ativa usou-se uma pipeta com 01 ml de
soluccedilatildeo Primeiramente depositou-se a mistura e em seguida colocou-se o spin coater
para girar atraveacutes do programa de rotaccedilatildeo previamente programado Esse procedimento
garante a uniformidade do filme As amostras foram levadas para a estufa a 100 degC por 20
minutos
O eletrodo superior foi pintado agrave matildeo O esquema usado para a confecccedilatildeo dos
dispositivos e a foto de uma amostra satildeo mostrados na figura 310 As amostras foram
confeccionadas seguindo o esquema mostrado na figura 310 (b) Todas as amostras deste
grupo tiveram um desenho semelhante ao da foto da figura 310 (a) Pois existem
variaccedilotildees nas espessuras dos contatos de Ag pois foram feitos a matildeo livre e sem muito
controle Isso pode ser um problema pois este eleacutetrodo pode aumentar a resistecircncia da
amostra fazendo diminuir as correntes coletadas das cargas geradas pelo dispositivo
Figura 3 10 ndash (a) Foto da amostra (b) Estruturas das camadas dos dispositivos das
novas amostras
41
3431 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W
Usou-se para este grupo de amostras os mesmos procedimentos de caracterizaccedilotildees
para as medidas de o VOC e ISC descrito na etapa 1 dos dados experimentais e resultados II
Para cada medida as amostras ficaram expostas sob o feixe de luz da lacircmpada de Hg que
foi focalizada diretamente na aacuterea ativa por aproximadamente cinco minutos
A aacuterea ativa foi estimada em torno de 05 cmsup2 Foram confeccionadas nove
amostras e os valores de VOC e ISC das amostras que apresentaram melhores desempenhos
satildeo apresentadas na tabela 39
Tabela 3 9 ndash Medidas de VOC e ISC para amostras iluminadas pela lacircmpada Hg 80 W
aproximadamente cinco minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) P (nW)
PS OB 47 21 009 189
OBP3HT 18 002 36
PSOB 47P3HT 17 001 17
3433 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar direta
O mesmo grupo de amostras foi exposto sob luz solar direta em horaacuterio de sol
intenso entre onze horas e doze horas Todas as amostras tiveram um tempo de exposiccedilatildeo
de aproximadamente cinco minutos Os valores de VOC e ISC medidos podem ser vistos na
tabela 310 Nestes experimentos a lente convergente tambeacutem foi utilizada Poreacutem natildeo
foram observados acircngulos de incidecircncia e nem mudanccedila da irradiaccedilatildeo solar As medidas de
VOC e ISC foram realizadas em dia de sol forte e sempre no mesmo horaacuterio A figura 311
mostra como as medidas foram realizadas Para concentrar os raios solares usou-se uma
lente de aumento As medidas foram aferidas com uso de multiacutemetro digital descrito
anteriormente com cabos e garras de jacareacute comuns
42
Figura 3 11 ndash Ilustraccedilatildeo do experimento realizado com uma amostra tendo o contato
desenhado com a geometria em forma de trilhas camada ativa de PS OB 47
Para manter um padratildeo para todas as medidas a distacircncia entre a lente e a amostra
foram padronizadas a fim de que a intensidade de luz solar concentrada sobre cada
dispositivo fosse aproximadamente agrave mesma
Tabela 3 10 ndash Valores de VOC e ISC para amostras iluminada sob luz solar direta expostas
durante cinco minutos cada
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PS OB 47 62 009 558
OBP3HT 33 003 99
PSOB 47P3HT 25 002 50
3434 ndash Curva caracteriacutestica de corrente versus tensatildeo aplicada (IndashV)
A partir desta etapa as caracterizaccedilotildees eleacutetricas dos dispositivos tambeacutem foram
realizadas atraveacutes das medidas das curvas IndashV As medidas foram realizadas no escuro e
sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio Para estes experimentos foram usados os trecircs tipos de
camadas ativas jaacute mencionadas para confeccionar os dispositivos
Os experimentos das medidas foram realizados em sala com temperatura e pressatildeo
atmosferica ambiente e iluminaccedilatildeo de lacircmpadas comuns Tambeacutem foram realizados testes
43
usando a lacircmpada de Hg iluminando diretamente a parte superior da amostra Contudo
natildeo foram observadas mudanccedilas significativas nas medidas para este grupo de amostras
Figura 3 12 ndash Ilustraccedilatildeo da polarizaccedilatildeo direta para amostras com P3HT e gota de
PEDOTPSS para medidas das curvas (IndashV)
Para evitar que a agulha perfurasse o filme fino de PEDOTPSS e atingisse o filme
de FTO uma gota mais espessa de PEDOTPSS foi colocada sobre o filme no ponto onde
a agulha fazia o contato conforme mostra a figura 312
As amostras foram submetidas a uma tensatildeo que variou de um valor maacuteximo a um
valor miacutenimo com passo conhecido e constante de 002 Com os dados coletados nesse
experimento os graacuteficos de corrente versus tensatildeo aplicada foram gerados Este graacutefico eacute
conhecido como curva caracteriacutestica do dispositivo Os resultados obtidos satildeo mostrados
nas figuras 313 314 e 315 foram obtidas sob iluminaccedilatildeo comum do laboratorio LDCI
A figura 313 mostra a curva caracteriacutestica do dispositivo com a camada ativa de
PSOB 47 A iluminaccedilatildeo foi realizada com a lacircmpada do equipamento Keither 2400 e
iluminaccedilatildeo ambiente do laboratoacuterio LDCI (ambas satildeo luz branca) Para polarizaccedilatildeo direta
de -2 a 2 V foram observados valores de VOC de 09 volts enquanto que a corrente de 003
A foi negativa
A figura 314 mostra a curva IndashV para amostra com camada ativa usando
P3HT+OB puro Para essa amostra os valores de VOC = 002 V e ISC 0013 A foram
obtidos
A figura 315 mostra a curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PSOB
47 +P3HT Os valores de VOC = 11 V e ISC 00124 A foram observados neste graacutefico
44
Figura 3 13 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47 Corrente e
tensatildeo observadas 003 uA e 09 Volts respectivamente
Figura 3 14 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de OB puro + P3HT Corrente
e tensatildeo observadas 0013 uA e 002 Volts respectivamente
45
Figura 3 15 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47+P3HT
Corrente e tensatildeo observadas 0012 uA e 11 volts respectivamente
3435 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Aqui jaacute eacute possiacutevel notar um progresso nas medidas em relaccedilatildeo agraves amostras das
etapas anteriores que possuiacuteam camada ativa mais espessa Os valores de VOC e ISC obtidos
com o multiacutemetro digital foram maiores para os dois tipos de iluminaccedilotildees lacircmpada Hg e
luz solar Estes resultados podem ser observados nas tabelas 39 e 310 Os resultados
mostram que o comportamento das amostras com camada ativa de PSOB 47
apresentaram melhores resultados Nota-se que a potecircncia fornecida pelas amostras
iluminadas pela luz solar natural eacute significantemente maior que quando iluminadas pela
lacircmpada de Hg
Nas amostras confeccionadas com blenda de OB puro+P3HT e PSOB 47
+P3HT foram observados resultados semelhantes tanto para VOC quanto para ISC
As trecircs amostras apresentaram comportamento distinto sendo que a amostra com
camada ativa feita com o PSOB 47 o resultado eacute mais parecido com o efeito
fotovoltaico e por isso eacute mais relevante
46
Para as proacutexinas amostras natildeo seraacute mais empregado o uso do P3HT Pois como foi
mostrado nos resultados seu uso natildeo favoreceu melhoras nas medidas Apesar dos
resultados apresentados e conseguidos ateacute aqui serem pequenos ainda assim podem ser
considerados satisfatoacuterios e promissores Pois se trabalhou com materiais novos e estaacute
empregando poliacutemeros isolantes de baixo custo usando oacuteleo vegetal como dopante
Reforccedilando a motivaccedilatildeo para o uso destes materiais no desenvolvimento em dispositivos
fotovoltaicos orgacircnicos
35 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS III
351 ndash Experimentos Etapa 1
Nesta etapa as pesquisas foram centralizadas em misturas de poliacutemeros isolantes
dopados com OB Aleacutem da mistura do PS com OB estudado anteriormente tambeacutem foi
incorporado agrave pesquisa a mistura do PMAM com OB Estudos recentes de Duratildees et al [8]
sobre a absorccedilatildeo de luz destes materiais na faixa de ultravioleta e luz visiacutevel mostraram
que quando o OB eacute adicionado agraves matrizes de PS e de PMAM um aumento significante
na absorccedilatildeo da luz eacute observado
As amostras dos dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos consistiram em camada ativa
contendo PS puro PS com 47 OB PMAM puro e PMAM com 35 de OB
As amostras foram ensanduichadas entre dois eletrodos PEDOT PSS e Ag A
caracterizaccedilatildeo eleacutetrica para as medidas de VOC e ISC foi realizada com a iluminaccedilatildeo da
lacircmpada de Hg 80 W e luz solar As curvas IndashV foram mensuradas usando um sistema de
caracterizaccedilatildeo de semicondutores Keithey 2400
3511 ndash Confecccedilatildeo das amostras usando PS e PMAM 1ordm grupo
Os dispositivos foram preparados sobre um substrato de vidro recoberto com
camada de FTO a resistecircncia da lacircmina eacute de aproximadamente 41-60 Ω
Os filmes de PEDOT PSS foram confeccionados com rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante
25 segundos e secos em estufa a 80 degC por 15 minutos Apoacutes os filmes das camadas ativas
das amostras serem feitos usando rotaccedilatildeo de 5000 rpm por 40 segundos foram secos em
estufa a 100 Cdeg por 15 minutos
47
Por fim foi usada a tinta de Ag para fazer o eletrodo superior Esse eletrodo foi
pintado com pincel comum de cerdas finas O contato superior foi pintado em forma de
linhas sobre o filme da camada ativa conforme mostrado na Figura 310
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo usando lacircmpada de Hg 80 W
As mesmas formas descritas anteriormente de caracterizaccedilatildeo foram utilizadas aqui
para fazer as medidas de VOC e ISC Os resultados obtidos com iluminaccedilatildeo da lacircmpada de
Hg durante cinco minutos de exposiccedilatildeo para o 1ordm grupo de amostra satildeo mostrados na
tabela 311
Tabela 3 11 ndash Resultados das medidas de ISC e VOC das amostras do 1ordm grupo sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpada durante 05 minutos de exposiccedilatildeo
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W)
PS puro 02 000 00
PSOB 47 08 003 0024
PMAM puro 02 000 00
PMAMOB 35 06 002 0012
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar
Foram usados os mesmos procedimentos e instrumentos descritos anteriormente
para obter as medidas de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo de luz solar direta usando-se lentes
convergentes durante cinco minutos de exposiccedilatildeo A tabela 312 mostra os valores
obtidos
Tabela 3 12 ndash Resultados para ISC e VOC sob iluminaccedilatildeo luz solar por aproximadamente
05 minutos de exposiccedilatildeo
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W)
PS puro 11 001 0011
PSOB 47 39 006 0234
PMAM puro 09 002 0018
PMAMOB 35 27 004 0108
48
3512 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Como pode ser visto nas tabelas 311 e 312 os valores de VOC e ISC para as
amostras contendo PS puro e PMAM puro mostraram desempenhos inferiores que aquelas
com adiccedilatildeo do OB Nas caracterizaccedilotildees sob luz solar os desempenhos das amostras foram
superiores quando comparados com os valores obtidos sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada de Ag
Apesar da amostra com camada ativa da mistura de PMAMOB 35 ter mostrado valores
mais baixos quando comparados agrave amostras contendo camada ativa com a mistura de
PSOB 47 ela ainda tem valores superiores agravequeles mostrados quando a camada ativa
era composta por misturas de PSOB 47 +P3HT
352 ndash Experimentos Fase 2
3521 ndash Confecccedilatildeo das amostras do 2ordm grupo
Para o 2ordm grupo de amostras foram confeccionadas quinze unidades sendo que
foram reproduzidas mais de uma amostra para cada tipo de camada ativa Isto foi feito para
observar a reprodutibilidade das amostras e a repetibilidade das medidas As amostras
foram nomeadas de A5 a A19 Todas as amostras seguiram os mesmos criteacuterios de
confecccedilatildeo jaacute mencionados anteriormente Para este grupo foi usada uma rotaccedilatildeo maior no
spin coater
Para fazer o filme de PEDOTPSS foi usada uma rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante
trinta segundos Para a deposiccedilatildeo da camada ativa foi usada uma rotaccedilatildeo de 6000 rpm
durante sessenta segundos Neste caso as amostras foram secas em temperatura ambiente
Este conjunto de amostras deve possuir filmes mais finos que os filmes das amostras
anteriores devido ao aumento da rotaccedilatildeo do spin coater durante a deposiccedilatildeo
Para medir a aacuterea ativa com mais precisatildeo para este grupo de amostras os contatos
superiores de Ag foram desenhados em apenas um ponto A confecccedilatildeo dos dispositivos
seguiu a configuraccedilatildeo das camadas e a geometria do eletrodo de Ag conforme o esquema
mostrado na figura 316 O contato de prata foi pintado em forma de retacircngulo que
representa a aacuterea ativa e ficou em torno de 010cm2
49
Figura 3 16 ndash Estruturas das camadas e do contato de Ag dos dispositivos fotovoltaicos
orgacircnicos usado para o 2 ordm grupo de amostras
3522 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar
Este grupo de amostras foi submetido somente agrave caracterizaccedilatildeo de luz solar direta
As medidas foram realizadas em dias diferentes a fim de observar a repetibilidade das
medidas dos dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos confeccionados
Os dados da tabela 313 mostram medidas de VOC e ISC realizadas entre dez e onze
horas da manhatilde sob sol intenso e usando lentes convergentes Para estas amostras o
tempo de exposiccedilatildeo foi de aproximadamente dez minutos Com tempo de exposiccedilatildeo
maior e usando lentes convergentes as amostras A5 A6 A7 e A8 se aqueceram muito e
se danificaram Contudo valores de VOC obtidos foram bem superiores
Foram realizadas medidas em dois dias usando as amostras A9 A10 A11 A13
A14 A15 A16 A17 A18 e A19 para observar a repetibilidades das medidas As tabelas
14 e 15 mostram medidas de VOC e ISC realizadas nos dias 12052009 e 18052009
respectivamente entre dez e onze horas da manhatilde sob sol forte e usando lentes
convergentes para concentrar os raios solares na camada ativa da amostra
Tabela 3 13 ndash Medidas realizadas para as amostras A5 A6 A7 sob iluminaccedilatildeo solar
direta durante 10 minutos
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W) Amostra
PS puro 18 004 0072 A5
PS OB 47 49 008 0392 A6
PMAM puro 11 001 0011 A7
PMAMOB 35 48 005 024 A8
50
Tabela 3 14 ndash Medidas realizadas no dia 12052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W) Amostra
PS OB 47 11 003 0033 A9
PS puro 08 0 0 A10
PS puro 1 001 001 A11
PS OB 47 19 003 0057 A13
PS OB 47 11 003 0033 A14
PS OB 47 12 002 0024 A15
PMAM puro 09 001 0009 A16
PMAM puro 07 001 0007 A17
PMAMOB 35 11 001 0011 A18
PMAMOB 35 14 005 007 A19
Tabela 3 15 ndash Medidas realizadas no dia 18052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W) Amostra
PS OB 47 12 004 0048 A9
PS puro 06 01 006 A10
PS puro 08 001 008 A11
PS OB 47 21 004 0084 A13
PS OB 47 15 003 0045 A14
PS OB 47 10 002 002 A15
PMAM puro 07 001 00007 A16
PMAM puro 08 001 00008 A17
PMAMOB 35 12 003 0036 A18
PMAMOB 35 13 005 0065 A19
3523 ndash Curva caracteriacutestica corrente versus tensatildeo (IndashV)
Foram realizadas medidas das curvas IndashV usando o sistema de caracterizaccedilatildeo de
semicondutores Os procedimentos adotados foram descritos anteriormente Para estas
amostras foram usadas quatro tipos de camada ativa PS puro PSOB 47 PMAM puro e
51
PMAMOB 35 As medidas das curvas IndashV foram realizadas no escuro e sob iluminaccedilatildeo
natural do laboratoacuterio LDCI
Natildeo foram observadas grandes influecircncias sobre o efeito da iluminaccedilatildeo nas
amostras pois as curvas IndashV obtidas no escuro e no claro apresentaram valores parecidos
para VOC e ISC
Para a camada ativa confeccionada com o poliacutemero PS puro (figura 317) a curva
IndashV realizada no escuro e no ambiente iluminado mostra uma superposiccedilatildeo das curvas
O dispositivo com camada ativa feita de PSOB 47 mostrada na (figura 318)
natildeo se observa diferenccedila significativa nas curvas obtidas no escuro e com iluminaccedilatildeo do
laboratoacuterio O mesmo pode ser observado na (figura 319) onde a camada ativa eacute feita de
PMAM puro Contudo observou-se uma leve diferenccedila nas curvas mostradas na (figura
320) para a amostra confeccionada com camada ativa da mistura de PMAMOB 35
Onde houve um pequeno deslocamento para a corrente
Figura 3 17 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PS puro No escuro e sob
iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
52
Figura 3 18 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PSOB 47 No escuro e
sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
Figura 3 19 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAM puro No escuro
e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
53
Figura 3 20 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAMOB 35 No
escuro e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
3524 ndash Medida de espessura
As espessuras dos filmes foram medidas usando um Perfilocircmetro Dektak 150
VEECO Os filmes de PEDOTPSS depositados pela teacutecnica de spin coating usando
rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante quarenta segundos apresentaram espessuras na ordem de 180
nanocircmetros
Os procedimentos para medir as espessuras consistiram em medir vales e
superfiacutecie Para realizar as medidas dos filmes um risco foi feito usando a ponta de um
estilete conforme mostra a figura 321 O risco foi percorrido com a ponta do perfilocircmetro
com distacircncia de 500 m no sentido transversal Para obter a espessura do filme mede-se
entatildeo a diferenccedila de altura entre um ponto de referecircncia R fundo do vale e M superfiacutecie do
filme conforme mostrado na figura 322 Os procedimentos foram realizados em trecircs
diferentes regiotildees da amostra onde foi obtido um valor meacutedio da espessura do filme
54
Figura 3 21 ndash Risco feito no filme da amostra onde a ponta do perfilocircmetro executou a
varredura
Figura 3 22 ndash Medindo a diferenccedila da altura entre os cursores (R - reference) e (M -
measurement) para determinar a espessura do filme
Todos os quatro tipos de filmes usados para formar as camadas ativas dos
dispositivos que foram depositados por spin coating tiveram suas espessuras medidas Para
cada amostra foram feitos trecircs riscos em pontos alternados a fim de se verificar a
uniformidade na espessura Os riscos seguiram o exemplo ilustrado na figura 321 Os
resultados das trecircs medidas e o seu valor meacutedio para cada filme satildeo mostrados nas tabelas
316 e 317
A tabela 316 mostra os resultados das medidas de espessuras de filmes depositados
com rotaccedilatildeo de 5000 rpm durante 60 segundos A tabela 317 mostra os valores das
afericcedilotildees das espessuras para os filmes depositados com rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante 60
segundos Pode-se observar que os filmes feitos com rotaccedilotildees maiores apresentaram
valores de espessuras menores Tambeacutem eacute observado que a adiccedilatildeo do OB nas matrizes
polimeacutericas isolantes tende a camadas mais espessas mesmo para um mesmo valor de
rotaccedilatildeo quando comparada com os filmes sem o OB
55
Tabela 3 16 ndash Medida dos pontos e a media medida dos filmes das camadas ativas feitos
com rotaccedilatildeo de 5000 rpm Valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M
Camada ativa 1deg Ponto (nm) 2deg Ponto (nm) 3deg Ponto (nm) Meacutedia (nm)
PS puro 194 202 189 195
PS OB 47 283 305 296 2946
PMAM puro 127 90 105 1073
PMAM OB 35 235 269 259 2543
Tabela 3 17 ndash Medida dos pontos e a media dos filmes das camadas ativas feitos com
rotaccedilatildeo de 6000 rpm O valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M
Camada ativa 1deg ponto (nm) 2deg ponto (nm) 3deg ponto (nm) Meacutedia (nm)
PS puro 126 130 128 128
PS OB 47 221 218 208 2156
PMMA puro 76 113 97 953
PMMA OB 35 196 163 180 1796
3524 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Pode-se observar nestas medidas que as amostras contendo misturas de PSOB
47 em sua camada ativa mostraram resultados melhores que as outras amostras
analisadas Tambeacutem foi comprovado que as amostras podem ser reproduzidas sendo que
suas medidas foram repedidas As amostras que foram feitas em duplicatas ou triplicadas
possuem valores de VOC e ISC muito parecidos confirmando assim a reprodutibilidade na
sua fabricaccedilatildeo Atraveacutes das tabelas 314 e 315 pode ser observado que os valores obtidos
satildeo repetidos em dias diferentes mesmo assim natildeo ocorreram diminuiccedilotildees nos valores
medidos de VOC e ISC
Para as curvas IndashV coletadas no laboratoacuterio no escuro e sob iluminaccedilatildeo ambiente
para os dispositivos com camadas ativas com misturas das matrizes polimeacutericas de PSOB
47 e PMAM OB 35 (figuras 318 319 319 e 320) natildeo foram detectadas variaccedilotildees
relevantes entre os diferentes tipos de camadas ativas sob diferentes condiccedilotildees de
iluminaccedilatildeo O intrigante nestas medidas eacute que o mesmo efeito que aparece no claro
aparece tambeacutem no escuro As curvas tendem a um comportamento com resistecircncia de
56
diferencial negativa proacuteximo a tensotildees mais baixas Talvez isso aconteccedila devido agrave
caracteriacutestica intriacutenseca dos materiais utilizados nas confecccedilotildees das amostras
353 ndash Experimentos Etapa 3
3531 ndash Confecccedilatildeo das amostras com parte do FTO removido
Nesta etapa os dispositivos tambeacutem foram preparados sobre substrato de vidro o
mesmo tipo usado anteriormente Poreacutem aqui antes de fazer a deposiccedilatildeo dos filmes parte
do FTO foi removida do substrato de vidro A corrosatildeo do FTO foi feita utilizando uma
tinta homogecircnea preparada com poacute de zinco (Zn)
Para conservar parte do FTO no substrato foi utilizada fita adesiva sendo tambeacutem
possiacutevel utilizar tinta ou esmalte [46] Com parte do FTO protegido o substrato foi
mergulhado em soluccedilatildeo diluiacuteda de aacutecido cloriacutedrico (HCI)
Apoacutes a etapa de corrosatildeo as lacircminas passaram por um processo de limpeza Os
substratos foram limpos para retirar gorduras e resiacuteduos quiacutemicos
A corrosatildeo se fez necessaacuteria para evitar curto circuito entre os eletrodos de contato
do dispositivo Mudou-se a geometria dos substratos porque em algumas medidas de
curvas IndashV que foram obtidas em algumas amostras obteve-se curvas do tipo ocirchmico Isto
pode ter ocorrido porque o eletrodo de FTO estava ocupando toda a superfiacutecie do
substrato de vidro e pode ter ocorrido que na hora das medidas a agulha do equipamento
de medidas pode ter perfurado os filmes das camadas do dispositivo medindo apenas o
filme de FTO que apresenta curva puramente ocirchmica Assim com parte do FTO retirado
garante que a corrente flua apenas pelas camadas dos filmes do dispositivo A geometria
da lacircmina de vidro apoacutes a corrosatildeo pode ser visualizada na figura 323
Figura 3 23 ndash Geometria da lacircmina de vidro apoacutes corrosatildeo do FTO
57
Com o substrato limpo e seco e com a nova geometria desenvolvida segue para a
etapa da deposiccedilatildeo do poliacutemero condutor PEDOTPSS que serviu de um dos eletrodos A
deposiccedilatildeo foi realizada sobre toda a lacircmina de vidro conforme mostra o esquema da figura
324 O filme foi feito usando a teacutecnica de spin coating com rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante
cinquumlenta e cinco segundos o filme foi seco em estufa a 50 degC por 15 minutos
Os materiais utilizados como camada ativa foram PS puro PSOB 47 PMAM
puro e PMAMOB 35 Os diferentes tipos de camadas ativas foram depositados sobre a
estrutura vidroFTOPEDOTPSS usando a teacutecnica de spin coating com rotaccedilatildeo de 7000
rpm durante quarenta segundos Os filmes das camadas ativas foram secos em temperatura
ambiente
O outro eletrodo foi pintado sobre a camada ativa com tinta condutora de Ag A
estrutura vidroFTOPEDOT PSScamada ativaAg do dispositivo final pode ser vista na
figura 324 A regiatildeo ativa tem aacuterea de aproximadamente 009 cm2
Figura 3 24 ndash Geometria das camadas do dispositivo
3532 ndash Caracterizaccedilatildeo das curvas (IndashV )
As amostras foram caracterizadas atraveacutes das curvas IndashV Na figura 325 satildeo
mostradas comparaccedilotildees entre resultados obtidos para camadas ativas com o PS puro e
PSOB 47 Na figura 326 satildeo mostradas comparaccedilotildees entre resultados obtidos para
camadas ativas com o PMAMOB 35 Foi observado que para as camadas ativas sem o
OB o comportamento da curva Indash V eacute puramente ocirchmico ou seja linear Pode-se ressaltar
58
um comportamento resistivo para o filme utilizado nessa camada ativa enquanto que para
o filme da camada ativa com OB as curvas natildeo satildeo lineares
Outro detalhe a ser notado foi que para os filmes de PS puro e PSOB 47 as
correntes obtidas satildeo maiores que para os filmes confeccionados com PMAM puro e
PMAMOB 35 isto concorda com os resultados obtidos atraveacutes da iluminaccedilatildeo onde os
valores de VOC e ISC tambeacutem se apresentaram maiores
O dispositivo feito com o PS puro apresenta uma resistecircncia maior que o
dispositivo feito com PMAM puro isto talvez aconteccedila devido agraves diferenccedilas nas
espessuras das camadas ou nas propriedades intriacutensecas do material
Como pode ainda ser observadas nas figuras 325 e 326 quando se usou camada
ativa contendo o OB em sua mistura mudanccedilas ocorreram nos comportamentos das curvas
IndashV O comportamento da curva natildeo eacute mais linear e apresenta simetria para as duas
polarizaccedilotildees aplicadas (-V+V) Nos casos das curvas observadas para as camadas ativas
contento OB observou-se curvas semelhantes agrave curva de um diodo do tipo metal isolante
metal (MIM) [47]
Figura 3 25 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PS puro
e PS OB 47
59
Figura 3 26 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PMAM
puro e PMAMOB 35
Para quase todas as amostras que confeccionamos nas condiccedilotildees descritas acima
teve-se respostas nas medidas eleacutetricas para as caracterizaccedilotildees das curvas IndashV realizadas
no laboratoacuterio LDCI Foi observado que os dispositivos contendo OB apresentaram um
efeito fotovoltaico em temperatura ambiente As medidas foram realizadas no escuro e
com iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio Nas figuras 327 e 328 satildeo mostradas as curvas IndashV para
os dispositivos confeccionados com camadas ativas de PSOB 47 e PMAMOB 35
respectivamente
Em quase todas as amostras que foram realizadas as medidas das curvas IndashV o
efeito fotovoltaico foi observado Pode-se observar nesses resultados um aumento da
fotocorrente quando as amostras foram iluminadas
60
Figura 3 27 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PSOB
47 no claro e escuro
Figura 3 28 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de
PMAMOB 35 no claro e escuro
61
3533 - Anaacutelise e discussatildeo
Paras esses dispositivos natildeo foram apresentados os caacutelculos da eficiecircncia ( nem o
valor de IPCE porque para determinar tais paracircmetros dos dispositivos fotovoltaicos seraacute
necessaacuterio conhecer a I0 e mencionados no capiacutetulo II Poreacutem para as medidas
realizadas nesta pesquisa natildeo foram considerados o coeficiente de massa de ar o acircngulo
de inclinaccedilatildeo da luz incidente na amostra nem o comprimento de onda Paracircmetros que soacute
seratildeo determinados usando-se um sistema utilizado para caracterizaccedilatildeo de dispositivo
fotovoltaico No momento natildeo havendo disponibilidade de tal equipamento no laboratoacuterio
Observou-se que a inserccedilatildeo de OB em matrizes polimeacutericas isolantes tais como a
de PMAM e PS promoveram a absorccedilatildeo de foacutetons e portanto a formaccedilatildeo de eacutexciton Os
VOC foram de 008 V para o PMAMOB 35 e 03 V para PSOB 47 No caso do valor
de VOC obtidos para o PSOB 47 o nuacutemero eacute aproximadamente o mesmo valor da
diferenccedila da funccedilatildeo trabalho entre o PEDOTPSS (49 eV ) e a Ag (46 eV) No entanto
para o PMAMOB 35 este nuacutemero eacute inferior agrave diferenccedila da funccedilatildeo trabalho entre
PEDOTPSS e a Ag Aqui vale a pena ressaltar que as funccedilotildees trabalho do PEDOTPSS
podem variar entre 48 e 49 eV e a funccedilatildeo trabalho da prata podem variar de 452 eV e
474 eV dependendo da interface entre os materiais da camada ativa Assim pegou-se o
valor de 474 eV para a funccedilatildeo trabalho da prata e de 48 eV para o PEDOTPSS obteve-se
um valor de 006 eV o qual estaacute bastante proacuteximo do valor de 008 eV que eacute a tensatildeo de
circuito aberto obtida para a amostra de PMAMOB 35 Os valores de VOC satildeo limitados
pelo potencial de contato ou pelas diferenccedilas entre a funccedilatildeo trabalho dos eletrodos Sendo
assim neste sistema natildeo eacute possiacutevel conseguir tensotildees de VOC maiores Entretanto se for
utilizado materiais onde as funccedilatildeo trabalho dos eletrodos sejam muito diferentes poderaacute
obter VOC ainda maiores Os resultados obtidos nesse trabalho satildeo menores que os
relatados em trabalhos publicados [48-52] Contudo trabalhou-se com novos materiais
abundantes e baratos Aleacutem de se ter usado oacuteleo vegetal que eacute um material natural e que se
acredita no seu potencial para em breve obter melhores resultados
354 Caracterizaccedilatildeo dos Materiais por Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM)
Um dos paracircmetros importantes nos filmes polimeacutericos eacute a topologia pois a partir
dela se se pode inferir a uniformidade das camadas A questatildeo da uniformidade da
superfiacutecie dos materiais em Eletrocircnica Orgacircnica eacute importante porque permite conhecer o
62
desempenho eletrocircnico dos filmes Fatores como injeccedilatildeo e o transporte de cargas podem
ser facilitados ou bloqueados dependendo da espessura da camada polimeacuterica e da sua
regularidade fiacutesica ou quiacutemica [53] Neste sentido eacute importante investigar a topografia dos
materiais para que se possam entender fenocircmenos de transporte eletrocircnico que podem
ocorrer ou natildeo sob influecircncia da morfologia
As imagens por microscopia de forccedila atocircmica (AFM) revelaram diferenccedilas entre
filmes com as matrizes polimeacutericas puras e filmes com as matrizes modificadas com OB
O PS puro mostrou uma superfiacutecie suave com alguns relevos dispersos na aacuterea de
varredura (Figura 329) A presenccedila de oacuteleo de buriti nesta matriz polimeacuterica modificou
significativamente a superfiacutecie do material Houve formaccedilatildeo de pequenos e numerosos
gloacutebulos que ocorrem em um periacuteodo de espaccedilo muito pequeno resultando em uma
superfiacutecie aparentemente rugosa (Figura 330) Para o material PSOB 47 eacute possiacutevel
observar uma maior ocorrecircncia de picos regiotildees mais claras confirmando a possibilidade
da rugosidade do material
Figura 3 29 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS puro obtida por AFM no modo
contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
63
Figura 3 30 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS OB 47 por AFM modo contato
Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
A superfiacutecie do PMAM ao contraacuterio da superfiacutecie do PS apresentou possiacutevel
protuberacircncia ou gloacutebulos esfeacutericos em toda aacuterea de varredura (Figura 331) Haacute aacutereas onde
existe uma grande incidecircncia de vales identificados na figura por regiotildees mais escuras
Essas podem ser localizadas nas extremidades da amostra enquanto que no centro da
superfiacutecie haacute grandes nuacutemeros de picos indicando a possibilidade de ser um material com
bastante rugosidade
64
Figura 3 31 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PMAM puro obtida por microscopia
de forccedila atocircmica no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
Figura 3 32 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PAMAM OB 35 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
65
A presenccedila de OB na concentraccedilatildeo de 35 na matriz de PMAM resultou em
pequenas mudanccedilas na topografia do material (Figura 332) Natildeo houve grandes mudanccedilas
na morfologia da superfiacutecie do filme que possa ser determinada visualmente Entretanto a
geometria dos gloacutebulos foi alterada de uma forma arredondada (Figura 331) para uma
forma pontiaguda (Figura 332)
Outro material estudado foi o P3HT com OB puro e o P3HT + PSOB 47 A
superfiacutecie do filme de P3HTOB puro (Figura 334) tambeacutem mostrou um material com
possiacuteveis rugosidade em sua superfiacutecie entretanto a diferenccedila entre esta superfiacutecie e a
topografia do material P3HT+ PSOB 47 (figura 335) estaacute no tamanho das estruturas
que compotildeem a superfiacutecie de ambos os materiais
Figura 3 33 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HTOB puro obtida por AFM no
modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
66
Figura 3 34 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HT+PS OB 47 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
A Figura 333 revela estruturas menores que consequumlentemente ocupam um
espaccedilo menor dentro da aacuterea de varredura e por isso se apresentam em grande nuacutemero
resultando a possibilidade de rugosidade mais alta
A Figura 334 mostra estruturas do material P3HT+PS OB 47 que apresentam
geometrias similares agrave do material P3HTOB puro contudo com dimensotildees maiores
Desta forma estas estruturas ocupam um espaccedilo maior dentro da aacuterea de varredura e se
apresentam em menor quantidade proporcionando possiacuteveis rugosidades em tamanhos
menores que o P3HT OB puro
67
Capiacutetulo IV
Conclusotildees e Recomendaccedilotildees
68
4 ndash CONCLUSOtildeES E RECOMENDACcedilOtildeES
Atraveacutes destes estudos preliminares em linhas gerais os dispositivos projetados
construiacutedos e as medidas obtidas neste trabalho permitem direcionar para a construccedilatildeo e
caracterizaccedilatildeo de dispositivos fotovoltaicos baseados no uso do OB como dopante Os
dados obtidos satildeo bastante promissores e sinalizam para o alcance do sucesso na
construccedilatildeo desses dispositivos a partir de matrizes modificadas com OB
Os resultados apresentados no capiacutetulo III no toacutepico referente aos dados
experimentais e resultados I foram dos dispositivos desenvolvidos baseados no modelo
dos dispositivos fotovoltaicos desenvolvidos por Graumltzel com o propoacutesito de observar o
OB como eletroacutelito da camada ativa Medidas de VOC e ISC para as amostras
confeccionadas foram mensuradas embora os resultados obtidos fossem baixos quando
comparados com a literatura Contudo os materiais empregados satildeo novos e mostraram
promissores
No contexto dos dados experimentais e resultados I apresentou-se o
desenvolvimento de dispositivos usando o substrato de PET desenvolvendo a
configuraccedilatildeo de dispositivo fotovoltaico orgacircnico monocamada direcionados na busca de
substratos flexiacuteveis de menor custo no propoacutesito de substituir o substrato de vidro
recoberto com FTO Para estes dispositivos consegui-se obter valores de VOC e ISC sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpada usando um multiacutemetro para as referidas medidas Entretanto esse
tipo de substrato apresentou diversas inviabilidades conforme relatado nesta pesquisa
Novamente trabalhou-se com substrato de vidro recoberto com FTO com
configuraccedilatildeo de dispositivo fotovoltaico orgacircnico monocamada Acredita-se que as
espessuras dos filmes das camadas ativas possam ter influenciado nos baixos resultados
obtidos Ateacute essa etapa dos experimentos as camadas ativas eram construiacutedas
manualmente proporcionando assim camadas ativas espessas
Os resultados apresentados no toacutepico referente aos dados experimentais e resultados
II abordaram a configuraccedilatildeo monocamada em substrato de vidro recoberto com FTO onde
se fez o uso de camadas ativas com poliacutemero semicondutor P3HT misturado com OB Para
efeito de comparaccedilatildeo construiu-se camada ativa usando o PS um poliacutemero isolante
misturado com 47 de OB A partir destes experimentos os filmes dos dispositivos foram
confeccionados com spin coater o que proporcionou a construccedilatildeo de filmes mais finos
As caracterizaccedilotildees foram realizadas usando lacircmpadas e luz solar direta para
medidas de VOC e ISC com o multiacutemetro tambeacutem foram realizadas caracterizaccedilotildees com
69
curvas I-V sob a luz ambiente do laboratoacuterio As curvas levantadas mostraram efeitos
semelhantes ao efeito fotovoltaico para os materiais das camadas ativas pesquisadas Pelos
resultados obtidos nessa etapa do trabalho observou-se que as amostras confeccionadas
com o poliacutemero isolante misturado com o OB apresentaram melhores desempenhos
Embora jaacute existam resultados na literatura usando o semicondutor P3HT para fazer
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos com desempenho relativamente alto nas pesquisas
desenvolvidas nesse trabalho o uso do P3HT natildeo sinalizou vantagens em relaccedilatildeo ao uso
do poliacutemero isolante PS
Nesse trabalho as pesquisas foram focadas apenas em materiais de baixo custo
que proporcionaram resultados animadores usando o poliacutemero PS misturado com OB
Os resultados apresentados nos toacutepicos que abrangem os dados experimentais e
resultados III abordaram o uso dos poliacutemeros isolantes PS e PMAM modificados com OB
na configuraccedilatildeo de dispositivo fotovoltaico em monocamada usando substrato de vidro
recoberto com FTO Foram realizadas medidas eleacutetricas diretas dos dispositivos sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpadas e iluminaccedilatildeo solar fazendo-se uso de multiacutemetro para as medidas
Tendo respostas interessantes com estes experimentos pois as medidas foram realizadas
com multiacutemetros comuns com cabos que apresentam impedacircncias que agregaram perdas
substanciais das tensotildees e correntes geradas pelos dispositivos Mesmo assim obtiveram-
se as medidas de VOC e ISC
Os resultados mais empolgantes foram os caracterizados com curvas I-V
desenvolvidos com substratos tendo parte do FTO removidas no qual se permitiu
visualizar as curvas de tensatildeo e corrente apenas dos filmes sem a interferecircncia do filme
condutor de FTO Em vaacuterias amostras pocircde-se observar um efeito fotovoltaico entretanto
com valores bem abaixo aos relatados pela literatura vigente sobre o assunto
Nesse trabalho apresentou-se um material novo e promissor na aacuterea de pesquisa
dos dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos como tambeacutem o uso de oacuteleos vegetais como
dopante de poliacutemeros para o desenvolvimento de dispositivo de baixo custo com
tecnologia de faacutecil domiacutenio e acessiacutevel
Os resultados apresentados sugerem os seguintes trabalhos futuros
1 Desenvolvimento de dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos agrave base de poliacutemeros
isolantes com camadas ativas mais finas na ordem de nanocircmetros a fim de facilitar
a dissociaccedilatildeo dos eacutexcitons nas interfaces dos materiais O uso de novas teacutecnicas de
deposiccedilatildeo para conseguir filmes nesta ordem de grandeza
70
2 Desenvolvimento de novas estruturas usando os PSOB 47 e PMAMOB 35
em novas arquiteturas como os dispositivos em bicamadas e heterojunccedilatildeo para
melhorar os resultados jaacute obtidos
3 Siacutentese de novas misturas com poliacutemeros usando outros oacuteleos vegetais abundantes
na natureza que apresentaram absorccedilatildeo na faixa do espectro visiacutevel
4 Construccedilatildeo de novos eletrodos de contatos usando teacutecnicas de evaporaccedilatildeo com o
intuito de diminuir as resistecircncias dos contatos e melhorando a coleta das correntes
geradas
5 Caracterizar as amostras usando o simulador solar Caracterizar os filmes usando
perfilocircmetro e AFM buscando filmes com menos rugosidades Correlacionar
medidas das curvas I ndashV com as medidas de AFM
71
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[49] ndash Macedo A G Zanetti F Mikowski A Hummelen J C Lepienski C M da
Luz M G E Roman L S Improving light harvesting in polymer photodetector devices
through nanoindented metal mask films Jornal of Applyed Physycol Vol 104 pp
033714-6 2008
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Increased short circuit current in organic photovoltaic using high-surface area electrode
based on ZnO nanowires decorated with CdTe quantum dots Nanotechnology Vol 22
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[51] ndash Ahlswede E Muhleisen W bin Moh W Mohd W Hanisch J Powalla M
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(Mauritia Flexuosa L) Tese de Doutorado Instituto de Quiacutemica Universidade de Brasiacutelia
Brasiacutelia DF 2008
75
APEcircNDICES
77
APEcircNDICE 1
Produccedilotildees Bibliograacuteficas
Artigo Publicado
Silva E R Ceschin A M J A Duratildees A possible organic solar cell based on Buriti
oil In 24th Symposium on Microelectronics Technology and Devices SBMicro 2009
Natal - RN The Electrochemical Society (ECS) the society for solid-state and
electrochemical science and Technology EUA Pennigton 2009 v 23 P 553-556
(2009)
Artigo Aceito
Silva E R Romariz A R S Ceschin A M Study of organic MIM junctions for use
in photovoltaic devices In 25th Symposium on Microelectronics Technology and
Devices SBMicro 2010 Satildeo Paulo - SP The Electrochemical Society (ECS) the society
for solid-state and electrochemical science and Technology EUA Pennigton artigo
aceito (2010)
Resumo Publicado
Silva E R Ceschin A M Photovoltaic effect observed in junctions based on Buriti
oil In 11 th International Conference on Advanced Materials (ICAM2009) 2009 Rio
de Janeiro 11 th International Conference on Advanced Materials 2009
78
A possible Organic Solar Cell Based on Buriti Oil
E R da Silva a J A Duratildees
b and A M Ceschin
a
a Departamento de Engenharia Eleacutetrica - Laboratoacuterio de Dispositivos e Circuito
Integrado Universidade de Brasiacutelia CP 4386 CEP 70904-970 Brasiacutelia DF - Brasil b Instituto de Quiacutemica ndash Laboratoacuterio de Pesquisa em Poliacutemeros Universidade de
Brasiacutelia
CEP 70904-970 Brasiacutelia DF ndash Brasil
This work proposes a new approach - the possible production of
organic solar cells based on Buriti oil We propose the
formation of an active layer three types of mixture always
exploring the use of Buriti oil The active layers were deposited
by spin coating the mixture of Buriti oil polystyrene (PS) Buriti
oil poly (3- hexylthiophene) (P3HT) and blend Buriti oil PS
plus P3HT For the three devices investigated here we use a
glass substrate coated with fluoride-doped tin oxide (FTO) An
electrode of poly (34-ethylenedioxythiophene) poly (4-
styrenesulfonate) (PEDOT PSS) was deposited by spin coating
The other electrode was painted on top with silver conductive
ink (Ag) We show two different illuminations for the
characterization of the devices For the acquisition of measures
resistance () open circuit voltage (VOC) and the short circuit
current (ISC) a common digital multimeter was used
Introduction
Organic solar cells are being investigated for their potential use in the cheap and
clean conversion of abundant solar energy In addition polymer solar cells have
attracted considerable attention because of their potential use in low-cost lightweight
solution processable and flexible large-area panels (1) In the best performing solid state
organic solar cells reported to date (23) a conjugated polymer is blended with an
electron accepting material to form the bulk-heterojunction structure for efficient
exciton dissociation (34) Academic attention has focused on blends of poly (3-
hexylthiophene) (P3HT) and [66]-phenyl C61-butyc acid methyl ester (PCBM) since
these two materials show the highest power conversion efficiency in their bulk-
heterojunction which is around 5 The combination of unique semiconducting
electronic property and mechanical aspects similar to conventional plastics is an
attractive feature in spite of the lower efficiencies prevailing in these systems Each
polymer has unique properties and responds differently to different stimulus However
its characteristics can be improved by blending two polymers or by adding some
compounds called additives producing interesting results As an example we can take a
polystyrene (PS) matrix mixed with Buriti oil this modified material shows a very
broad absorption between 150 to 400 nm with a maximum at 320 nm (67) Figure 1
shows the spectrum of absorption for four types of concentration of Buriti oil in PS
matrix
79
Figure 1 Spectra of absorption of UV radiation of PS films and PS- Buriti oil (7)
This feature makes it a promising candidate for photovoltaic studies Based on
this result we decided to investigate Buriti oil P3HT Buriti oilPS and Buriti
oilPSP3HT mixtures in solar cell fabrication Thus the possible fabrication of the
Buriti oil solar cell and its results are reported and discussed here
Sample Preparation
The devices consist basically of an active layer made of Buriti oilPS or Buriti
oilP3HT films or Buriti oilPSP3HT material placed in-between the bottom
electrode of poly(34-ethylenedioxythiophene)poly(4-styrenesulfonate) (PEDOTPSS)
and the top silver (Ag) electrode Devices were assembled on glass substrates covered
with fluoridedoped tin oxide (FTO) with planar resistance in order of 30 _ cm without
further treatment The actives layer and the bottom electrode were deposited by spin
coating (6000 and 5000 rpm respectively) while the silver electrode was painted
PEDOT PSS was used in order to smooth the FTO surface and to decrease the hole
barrier A first kind of active layer was prepared through deposition (6000 rpm spin
coating) of a solution prepared by dissolving appropriate amounts of PS and Buriti oil
4681 wt (extracted with supercritical CO2) at room temperature in analytical grade
reagent chloroform The second kind of active layer was prepared through deposition of
Buriti oil and P3HT mix dissolved in analytical grade reagent toluene The last active
layer was prepared by mixing Buriti oilPS with P3HT dissolved in an analytical grade
reagent chloroform
After each spin coating deposition the films were dried in a stove at 100 0C for
about 15 minutes Devices of active area A~ 20 cm2 were obtained Figure 2 shows a
schematic view of the finished device
80
Figure 2 Structure of the Buriti oil solar cell
Characterization
The measurements were obtained using a common digital multimeter model
ET-2042C Minipa The samples were subjected to direct irradiation of an Hg spectral
lamp (80 W) for five minutes For such measures we did not consider neither
interference of the illumination nor the samplersquos angle of inclination The series
resistance of the device was also collected as this is one that has a direct relation with
the value of this measure as shown in Table 1 the lower the resistance the greater the
current collected All the results are shown in Table 1
Table 1 VOC and ISC for the different solar cell illuminated with an Hg spectral
lamp (80W)
VOC (mV) ISC (mA) R (cm2)
Buriti oil PS 21 009 740
Buriti oil P3HT 18 002 369
Buriti oil PS+P3HT 17 001 717
To observe a real situation the same sample group was exposed to direct
sunlight in hours of intense sun between 1100 am and 0100 pm taking into account
that all samples had an exposure time of approximately five minutes In this step a
convergent lens was used to concentrate the solar light on the device (8 and 9) In this
experiment angle of incidence and the solar irradiation were not measured The results
are shown in Table 2
Table 2 VOC and ISC for the different solar cell illuminated by direct solar light
VOC (mV) ISC (mA) R (cm2)
Buriti oil PS 62 009 740
Buriti oil P3HT 33 003 369
Buriti oil PS+P3HT 25 002 717
Results and analysis
Based on the values of VOC and ISC obtained for the samples it can be clearly
observed that sunlight exposure provided better results when compared to the artificial
81
illumination The main reason for such a situation could be related to the use of Hg
lamp that is not appropriated In spite of this the devices based-on Buriti oil presented
good performances in both cases This effect may be due to the lower resistance value
of the first samples When the illumination is promoted by the sun the VOC increases
but the ISC remains the same maybe as a consequence of the resistance value or
because the samples becomes hotter For the samples made with Buriti oil P3HT and
Buriti oil PS P3HT materials and illuminated by the spectral lamp similar results for
VOC and ISC were observed Under sunlight illumination the values of VOC and ISC
are greater than that obtained for the spectral lamp lighting
Conclusions
In this paper we show that Buriti oilPS and Buriti oil P3HT materials can be
used as an active layer for solar cells The behavior of the samples based-on Buriti
oilPS showed better results for the two types of illumination It is important to
emphasize tha these results are just a part of the devices characterization which still
requests the fulfillment factor (FF) as well as cell efficiency determination Such
calculations are on process but all the obtained data are satisfactory and promising
because our main aim is to develop solar cells using more accessible organic materials
such as the Buriti oil PS blend
Acknowledgments
The authors gratefully acknowledge CNPq and NAMITECMilenio Institute for
financial support
References
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7 JA Duratildees Compoacutesitos Fotoprotetores-Siacutentese e Caracterizaccedilatildeo de Poliestireno
e Poli(metacrilato de metila) Dopados com Oacuteleo de Buriti (Mauritia Flexuosa)
Dissertaccedilatildeo de mestrado do Instituto de Quiacutemica da Universidade de Brasiacutelia (2004)
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82
Study of organic MIM junctions for use in photovoltaic devices
E R Silva A R S Romariz and A M Ceschin
Departamento De Engenharia Eleacutetrica Laboratoacuterio de Dispositivos e Circuito
Integrado (LDCI) Universidade de Brasiacutelia Campus Darcy Ribeiro Brasiacutelia CP
4386 CEP 70904-970 Brasiacutelia ndash DF Brasil
We report here photovoltaic effects on Buriti oil (Mauritia
flexuosa) mixed in an insulating polymers matrix The samples
studied here consist of an active layer based on polystyrene (PS)
and poly (methilmethacrilate) (PMMA) mixed with Buriti Oil
(BO) The structure of the device was glassFTO Poly (3 4-
ethylenedioxythiophene) (PEDOT) poly (styrenesulfonate)
(PSS) active layer Ag These mixtures are promising materials
in the fabrication of organic photovoltaic devices The advantage
of these mixtures is their low cost of production and ease in
fabrication Electrical measurements were obtained in both a lit
room and in the dark We can observe photovoltaic effects in all
samples mixed with OB This effect is very interesting because
we are working with an insulating polymer instead of the
semiconductor polymer In this work we have been developing a
junction of the metalndash insulatorndashmetal (MIM) diode that acts like
a photovoltaic device
Introduction
In the past years various new materials and mixtures for fabricating
photovoltaic devices have been proposed for higher conversion efficiencies and lower
cost processes (1 2) Organic solar cells are being investigated for their potential use in
the clean conversion of solar energy through large-area solar panels (3 4 and 5)
Academic attention has focused on blends of poly (3-hexylthiophene) (P3HT) and [6
6]-phenyl C61-butyc acid methyl ester (PCBM) since these two materials show the
highest power conversion efficiency in their bulkheterojunction which is around 5
(6)
Each polymer has unique properties and responds differently to different stimuli
However its characteristics can be improved by blending two polymers or by adding
some compounds called additives thus producing interesting results As an example we
can take the BO mixed in a PS matrix and one mixed in a PMMA matrix This modified
material shows a very broad absorption between 250 to 400 nm with a maximum at 320
nm (7) Based on this result we decided to investigate the OB mixtures in the fabrication
of photovoltaic devices One possible way to enhance the quantum efficiency of a
photovoltaic device is to add dyes that have high absorption efficiency to the host
materials (8) The addition of BO in the PS and PMMA matrices increases this
efficiency The OB is added with the polymers to improve the efficiency on the active
layers of the insulating materials In this paper we will present photovoltaic parameters
on devices based on insulating polymers mixed with BO deposited on a substrate
83
covered with fluorine doped tin oxide (FTO) The devices were fabricated by the spin
coating technique the open circuit voltage (VOC) and short-circuit current density (JSC)
of the BOPS device are 03V and 039 nAcm2 respectively which is 0212V higher
than BOPMMA devices The fill factor (FF) that defines power extraction efficiency of
BOPS devices is 026 against 020 in the BOPMMA devices
Experimental
Our devices were based on previous studies about insulating polymers mixed
with BO (7) The material for the active layer BOPS and BOPMMA of the MIM
junction was chosen because this materials posses two regionrsquos absorption the first
range in 250 at 400 nm that has a peak at 320 nm and the second in the range of 500 at
700 nm The fact these materials absolve in visible region allow to realization of study
about applications in photovoltaic devices (9) We were still able to get good results
from the investigation of BO for make photovoltaic devices
The samples were assembled on glass substrates covered with FTO The
resistance of the plate is asymp 41-60 Ω Prior to depositing the layers part of the FTO
substrate was removed the FTO was corroded using a homogenous ink prepared with
powdered zinc (Zn) Additionally it is possible to use tape or enamel in order to save
part of the FTO After these procedures the substrate is dipped in a diluted solution of
hydrochloric acid (HCI) After the corrosion stage the substrate goes through a cleaning
process that was also performed before corrosion The substrates are cleaned to remove
grease and residual chemicals Corrosion is necessary to avoid short circuits between
the devicersquos electrode contacts (10) The devices were fabricated in a typical
sandwiched structure with the active layers sandwiched between two electrodes the
bottom electrodes consist of conducting polymer film deposition of (PEDOT PSS)
purchased from Bayer This forms the anode that was deposited on the FTO We use it
in order to increase the positive carrier collection of the active layer The film was made
using the spin coating technique with 6000 rotations per minute (rpm) for 55 seconds
Next it was dried in an oven at a temperature of 50 deg C for 15 minutes The cathode was
made with a conductive ink of silver (Ag) acquired from Silver Ink having 99 purity
with painting done by hand because more precise techniques were not available The
materials used in the active layer were pure PS PS mixed with 47 BO pure PMMA
and PMMA mixed with 35 BO Four types of active layers were used All the
mixtures were made with an appropriate quantity of the analytical reagent chloroform at
room temperature Before the deposition the solutions were stirred with magnetic
agitate for 30 minutes in order to ensure greater uniformity for the mix A schematic
view finished device (glass FTO PEDOT PSS active layer Ag) is shown in figure
1 The film thicknesses of the active layers were measure using a Dektak 150
profilometer These values are about 1μm We could not obtain a thinner device because
of the high viscosity of the material In our final device the active area is approximately
009 cm2
Figure 1 Schematic of the finished Device
84
Results and Discussion
The devices with different active layers were prepared following the procedure
described above at room temperature The currentndashvoltage (I-V) characteristics were
measured using a Keithley 2400 programmable software semiconductor measuring
system In all samples without oil devices using only insulating polymer like PS and
PMMA ohmic behavior was observed for bias voltage between -2 and 2 V The device
with pure PS has greater resistance than the one with pure PMMA Perhaps this happens
due to differences in layer thickness or intrinsic material properties But when BO is
added to the mixture we get a different behavior for I-V curves in the two cases We
observed that the sample of PS BO had larger current than PMMABO Figure 2
shows the curves for the PS mixture with and without BO 47 In Figure 3 we have
curves for the PMMA mixture with and without BO 35 In these two cases we
observed curves that look like MIM diode characteristic curves
Figure 2 The I-V Curves characteristics of ohmic behavior and MIM diode for
the PMMA
Figure 3 The I-V Curves characteristics of ohmic behavior and MIM diode for the PS
85
We also noticed a photovoltaic effect in the junctions based in BO at room
temperature Measurements were taken both in the dark and with the room fluorescent
light on In all observations we saw slight photovoltaic effects in all devices made using
insulating polymers with BO mixtures in the active layer In Figure 4 this effect is
shown for PSBO and in Figure 5 for PMMABO
Figure 4 Curve characteristics PS dark and light
Figure 5 Curve characteristics PMMA dark and light
86
For such measures we did not consider either air mass coefficient or the
samplersquos inclination angle for these characterizations because we donrsquot have
characterization equipments Thus we are unable to calculate the conversion efficiency
() The voltage bias was varied from -1 to 1 V but here it is shown with a smaller
interval to better visualize this slight effect In Table 1 the values are shown for the
samples insulating polymer mixed with BO for Voc Jsc and fill factor FF In summary
these parameters are important for characterizing our devices The FF is the ratio that
determines the maximum operating current and voltage of the photovoltaic device and
was calculated as FF = VpIpVocIsc (11) All the values are extracted from the curves
Table 1 Summary of the photovoltaic devices performance with and without light
Active Layer VOC
(mV)
JSC
(nAcm2)
FF
PSBO 47 300 039 026
PMMABO 35 86 216 020
We have seen that the insertion of BO at the matrices of insulating polymers
such as PMMA and PS promote the absorption of photons and therefore the formation
of excitons However we do not have a maximum absorption because of the peak of
absorption of the active layers is in range of 200 to 400 nm while the illumination used
was in the visible region The excitons generated were dissociates and the charges
created were collected in their respective electrodes to form the short-circuit Current
(ISC) This current is small due to the film thickness of the active layer Thus carriersrsquo
recombination could be occurring before they reach their respective electrodes
The measured VOC was 008 V to PMMABO and 03 V to PSBO For the
PSBO this number is roughly the same as the difference in work function between
PEDOT PSS and Ag However for the PMMABO this number is lower than the
difference in work function between PEDOTPSS and Ag All this contributed for the
values low ISC VOC and FF The results obtained here are very below that reported in
recent papers (12 13)
Conclusion
We have been working with polymer insulating with additions of material cheap
an abundant of in nature We presented preliminary results for the MIM junction diode
We used BO mixed with insulating polymer to form the active layers This way we get a
value for ISC VOC and FF but we can observe photovoltaic effect in the majority of the
samples with the BO The active layers have a region of absorption outside of the solar
spectrum and the thickness was thick Because of the collection the carrier was hindered
before to reach the collectorrsquos electrode The devices shown here is very easy to make
and can be made in a large area
Acknowledgments
87
The authors gratefully for the financial support received from National Counsel
of Technological and Scientific Development (CNPq) National Institute of Science and
Technology of Micro and Nanoelectronics Systems (NAMITEC) This paper was
partially supported from a scholarship granted by Coordenaccedilatildeo de Aperfeiccediloamento de
Pessoal de Niacutevel Superior (CAPES) for the first author that also wishes to thank for this
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Buriti oil In Microelectronics Technology and Devices SBMicro 2009 EUA
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10 Macedo AG Zanetti F Mikowski A Hummelen JC Lepienski CM da Luz
MGE and Roman LS (2008)Journal of Applied Physics 104 Issue 3 pp 033714-
033714-6
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12 Zhan X Tan Z Domercq B An Z Zhang X Barlow S Li Y Zhu D Kippelen B
and Marder SR (2007) J Am Chem Soc 129 7246
13 Ie Y Uto T Saekia A Seki S Tagawa S Aso Y (2009) Synthetic Metals 159
797ndash801
88
v
Dedico este trabalho ao Heacutelio da Silva pelos incentivos paciecircncia e ajuda financeira aos meus
filhos Tiago Rocha e Heacutelio Junior Enfim pela contribuiccedilatildeo prestada pela minha famiacutelia
diretamente e indiretamente ao longo dos anos
vi
ldquoSe todas as pessoas procurassem ser amigas de Deus tendo intimidade espiritual
muacutetua Deus os livraria de todos aqueles que natildeo satildeo seus amigos e proveria tudo em suas
vidas Os protegeria de todo o mal que estaacute reservado para vida terrena E depois da vida
passageira de cada um iriam reinar eternamente com Deusrdquo (Salmos 23-27)
vii
RESUMO
ESTUDO PARA O DESENVOLVIMENTO DE DISPOSITIVOS
FOTOVOLTAICOS ORGAcircNICOS
Autor Elizete Rocha da Silva
Orientador Artemis Marti Ceschin
Programa de Poacutes-graduaccedilatildeo em Engenharia Eleacutetrica
Brasiacutelia junho de 2010
Este trabalho eacute dedicado agrave preparaccedilatildeo e a caracterizaccedilatildeo de dispositivos
fotovoltaicos baseados em matrizes polimeacutericas modificadas com oacuteleo de buriti (OB) O
presente desenvolvimento consiste na deposiccedilatildeo de camada do poliacutemero condutor
PEDOTPSS sobre substrato de vidro com oacutexido de zinco dopado com fluacuteor (FTO) onde
depois foi depositada a camada ativa
Ao longo da pesquisa vaacuterias camadas ativas foram testadas No iniacutecio os filmes
das amostras foram preparados por casting Agrave medida que os resultados eram obtidos
novas ideacuteias iam surgindo e novas teacutecnicas foram sendo incorporadas
Buscando fazer os filmes mais finos e obter melhores resultados os filmes
passaram a serem preparados pela teacutecnica de spin coating Os tipos de camadas ativas
foram PS puro PS OB 47 PS OB 8 PS OB 47+P3HT P3HT+OB PMAM puro e
PMAM OB 35
Para as caracterizaccedilotildees dos dispositivos usou-se para medir tensatildeo e corrente
direta multiacutemetros comuns sob iluminaccedilatildeo de lacircmpadas e luz solar Alguns dispositivos
os paracircmetros de caracterizaccedilotildees foram obtidos das curvas IndashV Os filmes tiveram suas
espessuras medidas com perfilometro suas superfiacutecies tambeacutem foram observadas com
microscopia de forccedila atocircmica (AFM)
As respostas eleacutetricas obtidas foram interessantes e promissoras por estes
resultados levam a crer que estes materiais podem ser usados nos desenvolvimentos de
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos de baixo custo acessiacuteveis e de faacutecil fabricaccedilatildeo
viii
ABSTRACT STUDY FOR DEVELOPMENT OF ORGANIC PHOTOVOLTAIC DEVICES
Author Elizete Rocha da Silva
Supervisor Artemis Marti Ceschin
Programa de Poacutes-graduaccedilatildeo em Engenharia Eleacutetrica
Brasiacutelia June 2010
This work is dedicated to the preparation and characterization of the photovoltaic
devices based on polymer matrices modified with oil buriti (OB) This development
consists in the deposition layer of conducting polymer PEDOT PSS on glass substrate
with zinc oxide doped with fluorine (FTO) which was deposited after the active layer
Throughout this study several active layers were tested At the beginning of the
film samples were prepared by casting When the results were been obtained new ideas
were emerging and new techniques were incorporated
Seeking to make the films thinner to obtain better results the films had to be
prepared by spin coating technique The types of active layers were pure PS PS OB 47
PS B 8 PS B + 47 P3HT P3HT + OB pure and PMAM PMAM OB 35
For the characterizations of the devices used to measure voltage and direct current
multimeters under common lighting of lamps and solar light Some devices the parameters
were obtained from the characterizations of I-V curves The film had its thickness
measured with profilometer their surfaces were also observed with atomic force
microscopy (AFM)
The electrical answers obtained were interesting and promising to these results that
suggests these materials can be used in the development of organic photovoltaic devices at
low cost accessible and easy to manufacture
ix
SUMAacuteRIO
1 ndash INTRODUCcedilAtildeO 2
11 ndash OBJETIVO GERAL 4
12 ndash OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS E ORGANIZACcedilAtildeO DO ESTUDO 4
2 ndash CONCEITOS BAacuteSICOS 6
21 ndash POLIacuteMEROS CONDUTORES 6
23 ndash CARACTERIZACcedilAtildeO DO DISPOSITIVO FOTOVOLTAICO 10
231ndash Eficiecircncia quacircntica externa (IPCE) 10
232 ndash Tensatildeo de circuito aberto (VOC) e Corrente de curto circuito (ISC) 11
233 ndash Curva caracteriacutestica IndashV 12
234 ndash Fator de preenchimento (FF) e Conversatildeo de Potencia () 13
24 ndash POLIacuteMEROS UTILIZADOS 14
241 ndash Polistireno (PS) 14
242 ndash Poli metacrilato de metila (PMAM) 15
244 ndash Poli (3-hexiltiofeno) (P3HT) 18
3 ndash PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS 23
31 ndash MATERIAIS 23
32 ndash EQUIPAMENTOS UTILIZADOS 23
321 ndash Multiacutemetros 23
322 ndash Spin coater 23
323 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores (Curva IndashV) 25
324 ndash Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM) 26
33 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS I 27
331 ndash Experimentos Etapa 1 27
3311 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo dos eletrodos 27
3312 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo da camada ativa 27
x
3313 ndash Formaccedilatildeo do dispositivo 28
3314 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W 28
3315 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 29
332 ndash Experimentos Etapa 2 29
3321 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras 29
3323 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 30
3331 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras 31
3332 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W 32
334 ndash Experimentos Etapa 4 33
3341 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras 34
3342 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W 34
3343 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 35
341 ndash Misturas usando P3HT 35
342 ndash Experimentos Etapa 1 36
3421 ndash Preparaccedilatildeo dos filmes por spin coater 36
3422 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W 37
3423 ndash Caracterizaccedilatildeo com luz solar direta 38
3423 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 39
343 ndash Experimentos Etapa 2 39
3431 ndash Preparando novas amostras 39
3431 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W 41
3433 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar direta 41
3434 ndash Curva caracteriacutestica de corrente versus tensatildeo aplicada (IndashV) 42
3435 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 45
35 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS III 46
351 ndash Experimentos Etapa 1 46
xi
3511 ndash Confecccedilatildeo das amostras usando PS e PMAM 1ordm grupo 46
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo usando lacircmpada de Hg 80 W 47
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar 47
3522 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar 49
3523 ndash Curva caracteriacutestica corrente versus tensatildeo (IndashV) 50
3524 ndash Medida de espessura 53
353 ndash Experimentos Etapa 3 56
3531 ndash Confecccedilatildeo das amostras com parte do FTO removido 56
3532 ndash Caracterizaccedilatildeo das curvas (IndashV ) 57
3533 - Anaacutelise e discussatildeo 61
354 Caracterizaccedilatildeo dos Materiais por Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM) 61
4 ndash CONCLUSOtildeES E RECOMENDACcedilOtildeES 68
REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 71
APEcircNDICE 1 77
Produccedilotildees Bibliograacuteficas 77
xii
LISTA DE TABELAS
Tabela 3 1 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos 29
Tabela 3 2 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos 30
Tabela 3 3 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos 32
Tabela 3 4 ndash Valores medidos de VOC e ISC com iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W para variaccedilatildeo de iluminaccedilatildeo para a amostra P4 32
Tabela 3 5 ndash Valores de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo de lacircmpada incandescente de 100 W
durante 5 minutos 35
Tabela 3 6 ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito com um ponto de
prata Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos 38
Tabela 3 7ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito de prata em forma de
trilhas com concentraccedilatildeo em um ponto Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos 38
Tabela 3 8 ndash Resultados obtidos das medidas de VOC e ISC usando luz solar direta durante
5 minutos 38
Tabela 3 9 ndash Medidas de VOC e ISC para amostras iluminadas pela lacircmpada Hg 80 W
aproximadamente cinco minutos 41
Tabela 3 10 ndash Valores de VOC e ISC para amostras iluminada sob luz solar direta expostas
durante cinco minutos cada 42
Tabela 3 11 ndash Resultados das medidas de ISC e VOC das amostras do 1ordm grupo sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpada durante 05 minutos de exposiccedilatildeo 47
Tabela 3 12 ndash Resultados para ISC e VOC sob iluminaccedilatildeo luz solar por aproximadamente
05 minutos de exposiccedilatildeo 47
Tabela 3 13 ndash Medidas realizadas para as amostras A5 A6 A7 sob iluminaccedilatildeo solar
direta durante 10 minutos 49
Tabela 3 14 ndash Medidas realizadas no dia 12052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos 50
Tabela 3 15 ndash Medidas realizadas no dia 18052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos 50
Tabela 3 16 ndash Medida dos pontos e a media medida dos filmes das camadas ativas feitos
com rotaccedilatildeo de 5000 rpm Valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M 55
Tabela 3 17 ndash Medida dos pontos e a media dos filmes das camadas ativas feitos com
rotaccedilatildeo de 6000 rpm O valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M 55
xiii
LISTA DE FIGURAS
Figura 2 1 ndash Estrutura quiacutemica do poliacetileno mostrando as ligaccedilotildees alternadas em
simples e duplas 6
Figura 2 2 ndash Formaccedilatildeo da estrutura do condutor poliacetileno (a) Formaccedilatildeo de bandas
distintas pela superposiccedilatildeo de N orbitais (b) aproximaccedilatildeo da banda riacutegida para um nuacutemero
grande de orbitais 7
Figura 2 3 ndash Estrutura de uma ceacutelula solar orgacircnica A camada ativa pode compreender
uma ou mais camadas semicondutoras uma mistura de materiais ou a combinaccedilatildeo destas
duas estruturas 8
Figura 2 4 ndash Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um dispositivo fotovoltaico feito com uma
camada de poliacutemero entre dois eletrodos 8
Figura 2 5 ndash Processos envolvidos na geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica em um dispositivo
fotovoltaico orgacircnico 9
Figura 2 6 ndash Diagrama de niacuteveis de energia de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico Sob
iluminaccedilatildeo o eleacutetron (e-) eacute jogado para o niacutevel de maior energia LUMO deixando uma
lacuna (h+) no niacutevel de menor energia HOMO (Criaccedilatildeo do eacutexciton) que seratildeo coletados
pelos eletrodos 1 funccedilatildeo trabalho do 1ordm eletrodo (transparente) 2 funccedilatildeo trabalho do
2ordm eletrodo χ eletroafinidade IP potencial de ionizaccedilatildeo e Eg energia do gap 10
Figura 2 7 ndash Diagrama esquemaacutetico do dispositivo fotovoltaico 2 poliacutemero1 no escuro
com o alinhamento dos niacuteveis de Fermi a) e sob iluminaccedilatildeo b) potencial de built-in ( Vbi)
intriacutenseco em temperatura ambiente esta proacuteximo ao valor de tensatildeo 12
Figura 2 8 ndash Curva caracteriacutestica IndashV de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico no escuro e
sob iluminaccedilatildeo Tambeacutem eacute mostrado o ponto de corrente de curto circuito e tensatildeo de
circuito aberto O retacircngulo pintado indica o fator de preenchimento (FF) 13
Figura 2 9 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PS (C8H8)n 15
Figura 2 10 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PMMA (C5O2H8)n 16
Figura 2 11 ndash Representaccedilatildeo da cadeia principal do PEDOT [25] 17
Figura 2 12 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica da interaccedilatildeo entre o PEDOT e PSS [25]
17
Figura 2 13 ndash Estrutura quiacutemica do P3HT (C10H18S)n [13] 18
Figura 2 14 ndash Foto da palmeira do Buriti (Mauritia Flexuosa) conhecida como Buritizeiro
[21] 19
Figura 2 15 ndash Ilustraccedilatildeo dos frutos maduros do Buriti (a) aspecto da casca (b) polpa de
cor amarelada [21] 19
Figura 2 16 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PS puro e PSOB [40] 20
xiv
Figura 2 17 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PMAM puro e PMAM
OB [40] 21
Figura 3 1 ndash (a)bomba de vaacutecuo (b) compressor de ar comprimido (c) vaacutelvula de controle
e (d) spin coater 24
Figura 3 2 ndash Equipamento de spin coater instalado no laboratoacuterio LDCI vista lateral e
frontal 25
Figura 3 3 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores Keithley 2400 laboratoacuterio
LDCI 25
Figura 3 4 ndash Vista frontal do AFM marca VEECO Innova 26
Figura 3 5 ndash Amostras confeccionadas com duas lacircminas de substrato de vidro recoberto
com FTO baseada no modelo de Graumltzel 28
Figura 3 6 ndash (a) Esquema da amostra confeccionada no substrato flexiacutevel de plaacutestico
(PET) (b) foto do substrato finalizado 31
Figura 3 7 ndash Amostra feita com substrato de PET apoacutes ser submetidos agrave fonte de lacircmpada
incandescente de 100 W por 20 minutos 33
Figura 3 8 ndash (a) Esquema da amostra para substrato de vidro recoberto com FTO (b) foto
da amostra finalizada 34
Figura 3 9 ndash (a) Geometria do eletrodo de Ag confeccionado em forma de ponto e (b)
geometria do eletrodo de Ag feito em forma de trilhas 37
Figura 3 10 ndash (a) Foto da amostra (b) Estruturas das camadas dos dispositivos das novas
amostras 40
Figura 3 11 ndash Ilustraccedilatildeo do experimento realizado com uma amostra tendo o contato
desenhado com a geometria em forma de trilhas camada ativa de PS OB 47 42
Figura 3 12 ndash Ilustraccedilatildeo da polarizaccedilatildeo direta para amostras com P3HT e gota de
PEDOTPSS para medidas das curvas (IndashV) 43
Figura 3 13 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47 Corrente e
tensatildeo observadas 003 uA e 09 Volts respectivamente 44
Figura 3 14 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de OB puro + P3HT Corrente
e tensatildeo observadas 0013 uA e 002 Volts respectivamente 44
Figura 3 15 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47+P3HT
Corrente e tensatildeo observadas 0012 uA e 11 volts respectivamente 45
Figura 3 16 ndash Estruturas das camadas e do contato de Ag dos dispositivos fotovoltaicos
orgacircnicos usado para o 2 ordm grupo de amostras 49
Figura 3 17 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PS puro No escuro e sob
iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 51
xv
Figura 3 18 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PSOB 47 No escuro e
sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 52
Figura 3 19 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAM puro No escuro
e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 52
Figura 3 20 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAMOB 35 No
escuro e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 53
Figura 3 21 ndash Risco feito no filme da amostra onde a ponta do perfilocircmetro executou a
varredura 54
Figura 3 22 ndash Medindo a diferenccedila da altura entre os cursores (R - reference) e (M -
measurement) para determinar a espessura do filme 54
Figura 3 23 ndash Geometria da lacircmina de vidro apoacutes corrosatildeo do FTO 56
Figura 3 24 ndash Geometria das camadas do dispositivo 57
Figura 3 25 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PS puro
e PS OB 47 58
Figura 3 26 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PMAM
puro e PMAMOB 35 59
Figura 3 27 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PSOB
47 no claro e escuro 60
Figura 3 28 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de
PMAMOB 35 no claro e escuro 60
Figura 3 29 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS puro obtida por AFM no modo
contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 62
Figura 3 30 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS OB 47 por AFM modo
contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 63
Figura 3 31 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PMAM puro obtida por microscopia
de forccedila atocircmica no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 64
Figura 3 32 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PAMAM OB 35 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 64
Figura 3 33 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HTOB puro obtida por AFM no
modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 65
Figura 3 34 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HT+PS OB 47 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 66
xvi
LISTA DE SIacuteMBOLOS NOMENCLATURA E ABREVIACcedilOtildeES
Ag ndash Prata
BC ndash Banda de conduccedilatildeo
BV ndash Banda de valecircncia
CHCL3 ndash Clorofoacutermio
C7H8 ndash Tolueno
Eg ndash Energia de gap (Energia de banda proibida)
FTO ndash Oacutexido de estanho dopado com fluacuteor termo em inglecircs Tin Oxide doped with
Fluorine
FF ndash Fator de preenchimento termo em inglecircs fill factor
GPIB ndash General Purpose Interface Bus
HOMO ndash Orbital molecular mais alto ocupado termo em inglecircs highest occupied
molecular orbital
ITO ndash Oacutexido de iacutendio estanho termo em inglecircs Indium Tin Oxide
IPCE ndash Eficiecircncia de conversatildeo de foacutetons incidentes em eleacutetrons Eficiecircncia quacircntica
externa termo em inglecircs Incident Photon Converted in Electron Efficiency
I0 ndash Intensidade de luz incidente em W m2
ISC ndash Corrente de curto circuito termo em inglecircs current short circuit
IndashV ndash Corrente versus tensatildeo aplicada
JSC ndash Densidade de fotocorrente de curto circuito termo em inglecircs photocurrent density
short circuit
LUMO ndash Orbital molecular mais baixo desocupado termo em inglecircs lowest unoccupied
molecular orbital
OB ndash Oacuteleo de Buriti
OLED ndash Diodo emissor de luz orgacircnico termo em inglecircs Organic light emitting devices
OPV ndash Ceacutelulas orgacircnicas fotovoltaicas termo em inglecircs Organic Photovoltaic
PET ndash Poli (Tereftalato de Etila)
xvii
PEDOT ndash Poli (34-etileno dioxitiofeno)
PS ndash Poliestireno
PSSndash Poli (Estireno-Sulfonato)
PMAM ndash Poli Metacrilato de Metila
P3HT ndash Poli (3-hexil tiofeno)
rpm ndash Rotaccedilatildeo por minuto
TO - Oacutexido de estanho termo em inglecircs Tin Oacutexide
Tm ndash Temperatura de fusatildeo cristalina
Tg ndash Temperatura de transiccedilatildeo viacutetrea
UV ndash Ultravioleta
VIS ndash Visiacutevel
VOC ndash Tensatildeo circuito aberto termo em inglecircs Open-circuit voltage
V bi ndash Potencial de built-in
ndash eficiecircncia de conversatildeo de potecircncia
λ ndash comprimento de onda
π ndash orbital ligante
πndash orbital antiligante
ndash Funccedilatildeo trabalho do material
Capiacutetulo I
Introduccedilatildeo
2
1 ndash INTRODUCcedilAtildeO
Atualmente um assunto muito debatido na esfera mundial eacute o problema da emissatildeo
de gases que provocam o efeito estufa Essa questatildeo relaciona-se por exemplo com o
desvio do curso de um rio para formar barragem para construccedilatildeo de hidreleacutetrica ou o uso
de carvatildeo ou diesel para o funcionamento de geradores de energia eleacutetrica todas essas
accedilotildees tecircm forte contribuiccedilatildeo para mudanccedilas no ambiente natural
Uma maneira eficaz de amenizar o impacto de tais accedilotildees sobre o meio ambiente
consiste no aproveitamento da energia solar que eacute uma fonte de energia renovaacutevel tanto
como fonte de calor quanto de luz O sol eacute responsaacutevel direta ou indiretamente pela
maioria das fontes de energia utilizadas atualmente a energia do sol eacute responsaacutevel pela
evaporaccedilatildeo a radiaccedilatildeo solar induz as circulaccedilotildees atmosfeacutericas causando ventos necessaacuterios
para a obtenccedilatildeo de energia eoacutelica [1] A energia luminosa pode ser transformada em
energia eleacutetrica por meio das ceacutelulas solares Na atualidade eacute uma das alternativas
energeacuteticas mais promissoras para enfrentar os desafios dos proacuteximos anos
Por ser uma energia captada diretamente a partir da incidecircncia dos raios solares a
energia produzida por ceacutelulas fotovoltaicas eacute uma tecnologia que natildeo emite gases
poluentes na atmosfera e natildeo produz ruiacutedos nem vibraccedilotildees durante o processo de
conversatildeo
Embora seja uma tecnologia relativamente antiga a produccedilatildeo de energia por ceacutelulas
fotovoltaicas natildeo teve ainda grande expansatildeo comercial devido ao elevado preccedilo de
implantaccedilatildeo do sistema Com a existecircncia de grupo gerador movido a diesel mais barato
haacute um maior uso desse tipo de sistemas em lugares que natildeo satildeo atendidos pela rede de
energia puacuteblica [23]
Tendo em vista esse cenaacuterio soacutecio econocircmico e tambeacutem ambiental existe a
necessidade de se buscar novas tecnologias para a produccedilatildeo de ceacutelulas fotovoltaicas a
custos mais acessiacuteveis viabilizando assim sua execuccedilatildeo tendo em vista que a energia solar
eacute importante na preservaccedilatildeo do meio ambiente por apresentar vantagens sobre as outras
formas de obtenccedilatildeo de energia [4] Para cada metro quadrado de coletor solar instalado
evita-se a inundaccedilatildeo de cinquumlenta e seis metros quadrados de terras feacuterteis para a
construccedilatildeo de novas usinas hidreleacutetricas
A energia solar fotovoltaica eacute a energia da conversatildeo direta da luz em eletricidade
(Efeito Fotovoltaico) que consiste no aparecimento de uma diferenccedila de potencial nos
3
extremos de uma estrutura de material semicondutor produzido pela absorccedilatildeo da luz A
ceacutelula fotovoltaica eacute a unidade fundamental no processo de conversatildeo [5]
As ceacutelulas solares orgacircnicas necessitam de muito menos energia para serem
fabricadas que as de siliacutecio convencional ie o consumo de energia gasto para fabricaccedilatildeo
de uma ceacutelula solar orgacircnica eacute muito pequeno de forma que a energia por ela gerada seraacute
muito maior do que a gasta para a sua fabricaccedilatildeo A ceacutelula solar de siliacutecio possui um
processo de fabricaccedilatildeo com preccedilos elevados inviabilizando sua fabricaccedilatildeo em larga escala
devido aos gastos elevados de energia em sua produccedilatildeo O impacto final no balanccedilo de
energia natildeo eacute positivo ou seja se gasta muito mais energia para produzir a ceacutelula que a
energia que ela eacute capaz de gerar em curto prazo
A partir de uma reflexatildeo sobre este cenaacuterio observou-se que semicondutores
orgacircnicos baseados em pequenas moleacuteculas conjugadas e poliacutemeros oferecem a
oportunidade de produzir dispositivos com larga aacuterea e baixo custo sobre substratos
plaacutesticos flexiacuteveis [67] Nesse campo as misturas de poliacutemeros (blendas polimeacutericas) ou a
aditivaccedilatildeo de poliacutemeros produzem resultados interessantes Um exemplo eacute o poliestireno
(PS) e o poli-metacrilato de metila (PMAM) misturado com oacuteleo de buriti (Mauritia
flexuosa) o material modificado tem alta absorccedilatildeo entre 250 nm a 700 nm com o maacuteximo
em 320 nm [8] Isto o torna um candidato promissor para os estudos fotovoltaicos A partir
da descoberta dos poliacutemeros condutores e suas propriedades as investigaccedilotildees sobre a
possibilidade de empregaacute-los como mateacuteria prima na construccedilatildeo de dispositivos
fotovoltaicos foram intensificadas
Com base nessas observaccedilotildees optou-se por investigar misturas de PS e PMAM
com oacuteleo de buriti a fim de construir e caracterizar dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos
Tais dispositivos podem ser construiacutedos sobre substratos plaacutesticos e em temperatura
ambiente desta forma sendo flexiacuteveis e com baixo custo [9] Entre os diversos materiais
potencialmente interessantes para esse fim encontra-se tambeacutem o Poli (3-hexiltiofeno)
(P3HT) Com base em vaacuterias referecircncias [1011] sobre o uso do P3HT misturado com
nanopartiacuteculas e com C60 (Fulereno) resolveu-se testar a mistura P3HT com oacuteleo de Buriti
Este trabalho consiste no estudo para o desenvolvimento e caracterizaccedilatildeo de
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos baseados no oacuteleo de buriti que apresenta propriedades
oacutepticas de absorccedilatildeo misturado com poliacutemeros isolantes (PS e PMAM) e com o poliacutemero
semicondutor P3HT
4
11 ndash OBJETIVO GERAL
O objetivo do presente trabalho eacute o desenvolvimento e a caracterizaccedilatildeo de
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos a partir de poliacutemero semicondutor ou de poliacutemeros
isolantes modificados pelo oacuteleo de buriti
12 ndash OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS E ORGANIZACcedilAtildeO DO ESTUDO
1 Fazer deposiccedilatildeo de filmes finos de blendas polimeacutericas a partir de
mistura de poliacutemeros isolantes PS e PMAM e do poliacutemero
semicondutor P3HT com oacuteleo de buriti
2 Montagem dos dispositivos em substratos de vidro e de plaacutestico
3 Caracterizaccedilatildeo eleacutetrica dos dispositivos desenvolvidos atraveacutes de
medidas diretas sob iluminaccedilatildeo de lacircmpadas e luz solar direta
Medidas das curvas IndashV no escuro e com iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio
4 Caracterizaccedilatildeo morfoloacutegica dos filmes depositados por spin coater
Medir as espessuras dos filmes e aacuterea ativa
Ao longo desta pesquisa seraacute mostrada a confecccedilatildeo dos dispositivos que
apresentaram algum comportamento fotovoltaico ou aqueles que tiveram resultados
interessantes Vaacuterias tentativas foram feitas a fim de buscar aquelas que apresentassem
resultados e comportamento satisfatoacuterio para um dispositivo fotovoltaico orgacircnico
Este trabalho foi dividido em quatro capiacutetulos No capiacutetulo dois seraacute feita uma
revisatildeo de alguns conceitos importantes sobre dispositivos orgacircnicos materiais utilizados
e equipamentos de caracterizaccedilatildeo No capiacutetulo trecircs seratildeo descritos os procedimentos
experimentais e resultados os quais seratildeo subdivididos em dados experimentais I II e III e
em alguns casos subdivididos em etapas Seratildeo abordadas as teacutecnicas utilizadas nas
construccedilotildees e caracterizaccedilotildees dos dispositivos No capiacutetulo quatro seratildeo apresentadas as
conclusotildees e recomendaccedilotildees para trabalhos futuros
5
Capiacutetulo II
Conceitos Baacutesicos
6
2 ndash CONCEITOS BAacuteSICOS
21 ndash POLIacuteMEROS CONDUTORES
O termo poliacutemero eacute usado para designar macromoleacuteculas formadas pela repeticcedilatildeo
de unidades chamadas de monocircmeros Alguns poliacutemeros ocorrem naturalmente outros satildeo
sintetizados Os poliacutemeros sinteacuteticos tiveram seu grande desenvolvimento no iniacutecio do
seacuteculo 20 poreacutem a grande maioria dos poliacutemeros desenvolvidos nessa eacutepoca era isolante
Na deacutecada de 50 surgiram os primeiros poliacutemeros condutores extriacutensecos que eram
poliacutemeros isolantes incorporados com materiais portadores de cargas eleacutetricas
Nos anos 70 a equipe de Hideki Shirakawa et al [12] do instituto de Tecnologia de
Toacutequio produziu um filme de poliacetileno ([CH]n) de coloraccedilatildeo prateada e que conduzia
corrente depois Shirakawa produziu um outro filme condutor de poliacetileno de
coloraccedilatildeo dourada e com maior condutividade apoacutes dopagem com iodo Apoacutes as primeiras
descobertas vaacuterios outros poliacutemeros condutores foram desenvolvidos A descoberta das
propriedades eleacutetricas do poliacetileno laureou Heeger McDiarmid e Shirakwa com o
precircmio Nobel de quiacutemica em 2000 [12]
Os poliacutemeros condutores tambeacutem satildeo chamados de metais sinteacuteticos por possuiacuterem
propriedades eleacutetricas oacutepticas e magneacuteticas semelhantes aos metais e semicondutores
Os semicondutores orgacircnicos satildeo poliacutemeros cuja estrutura principal eacute composta por
carbono Satildeo semicondutores porque possuem ligaccedilotildees simples e duplas alternadas A
figura 21 mostra a estrutura quiacutemica do condutor orgacircnico poliacetileno cuja estrutura eacute a
mais simples
A sobreposiccedilatildeo de dois niacuteveis eletrocircnicos (orbitais) cria separaccedilotildees nos niacuteveis de
energia formando um orbital ligante (π) e um antiligante (π) que podem ser chamados de
banda de valecircncia e banda de conduccedilatildeo respectivamente Os orbitais podem ser
classificados de duas formas orbital molecular mais baixo desocupado (LUMO) e orbital
molecular mais alto ocupado (HOMO)
Figura 2 1 ndash Estrutura quiacutemica do poliacetileno mostrando as ligaccedilotildees alternadas em
simples e duplas
7
Semelhante aos semicondutores inorgacircnicos os semicondutores orgacircnicos possuem
dois eleacutetrons em cada niacutevel de energia com spin oposto formando ao longo da cadeia os
orbitais π e π com banda similar aos inorgacircnicos [13] Na figura 22 o orbital π
corresponde agrave banda de valecircncia (BV) e o orbital π a banda de conduccedilatildeo (BC)
Em temperatura de 0K todos os estados eletrocircnicos da banda BV estatildeo ocupados
enquanto que os da BC estatildeo desocupados O espaccedilo entre a BC (LUMO) e BV (HOMO) eacute
chamado de Energia de banda proibida (Eg)
Figura 2 2 ndash Formaccedilatildeo da estrutura do condutor poliacetileno (a) Formaccedilatildeo de bandas
distintas pela superposiccedilatildeo de N orbitais (b) aproximaccedilatildeo da banda riacutegida para um nuacutemero
grande de orbitais
22 ndash DISPOSITIVOS FOTOVOLTAICOS ORGAcircNICOS
Os dispositivos fotovoltaicos transformam energia luminosa em energia eleacutetrica
Satildeo divididos em duas classes de acordo com a aplicaccedilatildeo tecnoloacutegica Detectores de luz
como os fotodetectores e fotocondutores e ceacutelulas solares que convertem luz em energia
eleacutetrica [14 15] A conversatildeo da luz solar em energia eleacutetrica nas ceacutelulas solares depende
da geraccedilatildeo de cargas positivas e negativas e da captura das mesmas pelos eletrodos antes
das recombinaccedilotildees dos pares eleacutetrons ndash lacunas
O dispositivo fotovoltaico orgacircnico eacute composto de uma camada ativa
ensanduichada entre dois eletrodos com diferentes funccedilotildees trabalho Para melhor captaccedilatildeo
da luz um dos eletrodos tem que ser transparente Os materiais mais usados como eletrodo
8
transparente satildeo o oacutexido de estanho (TO) o oacutexido de estanho iacutendio (ITO) e oacutexido de
estanho dopado com fluacuteor (FTO) [14] O outro eletrodo pode ser feito de alumiacutenio caacutelcio
ouro prata cobre etc A figura 23 mostra o esquema de um dispositivo fotovoltaico
orgacircnico (ceacutelula solar orgacircnica)
Figura 2 3 ndash Estrutura de uma ceacutelula solar orgacircnica A camada ativa pode compreender
uma ou mais camadas semicondutoras uma mistura de materiais ou a combinaccedilatildeo destas
duas estruturas
Quando a camada ativa eacute iluminada por alguma fonte de luz atraveacutes do eletrodo
transparente a energia luminosa eacute transferida aos eleacutetrons que estatildeo no niacutevel HOMO Os
eleacutetrons absorvem a energia do foacuteton e satildeo promovidos para o niacutevel LUMO criando assim
uma lacuna no niacutevel HOMO O eacutexciton eacute definido como o par eleacutetron-lacuna ligado pela
atraccedilatildeo Coulombiana e eacute chamado de ―eacutexciton Wannier ―[16]
A figura 24 mostra a seccedilatildeo transversal de um dispositivo fabricado da maneira
mais simples contendo uma camada de poliacutemero entre dois eletrodos A aacuterea ativa eacute a
parte da sobreposiccedilatildeo do filme da camada ativa com o filme do eletrodo de contato de
prata Um dos eletrodos deve ser transparente agrave entrada de luz neste caso o FTO
Figura 2 4 ndash Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um dispositivo fotovoltaico feito com uma
camada de poliacutemero entre dois eletrodos
9
O processo de geraccedilatildeo de fotocorrente em dispositivos orgacircnicos fotovoltaicos
segue os seguintes passos mostrados na figura 25
Figura 2 5 ndash Processos envolvidos na geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica em um dispositivo
fotovoltaico orgacircnico
Apesar dos poliacutemeros conjugados apresentarem alto coeficiente de absorccedilatildeo em
torno de 105 cm
-1 somente parte da luz eacute absorvida e seraacute convertida em pares eleacutetrons-
lacunas Esses pares eleacutetrons - lacunas contribuiratildeo para a fotocorrente a qual ainda
depende da espessura da camada ativa polimeacuterica
O comprimento de difusatildeo de um eacutexciton em poliacutemeros conjugados eacute cerca de 10
nm devido a isso a espessura da camada ativa possui influecircncia direta sobre o
funcionamento do dispositivo Dispositivo com camada ativa muito espessa apresenta
resistecircncia agrave movimentaccedilatildeo dos portadores de cargas impedindo que as cargas positivas e
negativas sejam coletadas em seus respectivos eletrodos
Para ter um dispositivo com bom desempenho deve se construir camada ativa na
ordem de dezenas de nanocircmetros Os eacutexcitons devem ser criados nas proximidades das
interfaces do metalcamada ativa (regiatildeo ativa mostrado na figura 24) onde possa existir
maior efeito de alto campo eleacutetrico favorecendo assim a dissociaccedilatildeo dos eacutexcitons [17]
Para haver uma diferenccedila de potencial eacute necessaacuterio que os portadores sejam
coletados pelos respectivos eletrodos antes de se recombinarem A dissociaccedilatildeo do eacutexciton
ocorre em regiatildeo de alto campo eleacutetrico geralmente na interface metal-poliacutemero A figura
26 mostra um diagrama de energia para o dispositivo fotovoltaico orgacircnico sob
iluminaccedilatildeo
10
Figura 2 6 ndash Diagrama de niacuteveis de energia de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico Sob
iluminaccedilatildeo o eleacutetron (e-) eacute jogado para o niacutevel de maior energia LUMO deixando uma
lacuna (h+) no niacutevel de menor energia HOMO (Criaccedilatildeo do eacutexciton) que seratildeo coletados
pelos eletrodos 1 funccedilatildeo trabalho do 1ordm eletrodo (transparente) 2 funccedilatildeo trabalho do
2ordm eletrodo χ eletroafinidade IP potencial de ionizaccedilatildeo e Eg energia do gap
23 ndash CARACTERIZACcedilAtildeO DO DISPOSITIVO FOTOVOLTAICO
Para fazer comparaccedilotildees e caracterizar os dispositivos alguns paracircmetros satildeo
importantes para determinar a eficiecircncia entre os diferentes tipos de camada ativa dos
dispositivos Por meio do espectro dinacircmico ou resposta espectral teremos a eficiecircncia
quacircntica externa (IPCE) Para obterem-se os valores de tensatildeo circuito abeto (VOC)
corrente de curto circuito (ISC) fator de preenchimento (FF) e eficiecircncia de conversatildeo de
potecircncia () foram usados os valores retirados das curvas caracteriacutesticas I ndashV no escuro e
sob iluminaccedilatildeo [18]
231ndash Eficiecircncia quacircntica externa (IPCE)
Para se obter a resposta espectral ou espectro dinacircmico a amostra eacute submetida a
um feixe de luz monocromaacutetica de vaacuterios comprimentos de onda sem a aplicaccedilatildeo de
11
tensatildeo A eficiecircncia quacircntica externa eacute a razatildeo entre a densidade de fotocorrente de curto
circuito (JSC) medida e a intensidade de luz monocromaacutetica que incide sobre a amostra
conforme mostra a equaccedilatildeo 21
IPCE()=
(21)
Onde
JSC eacute a densidade de fotocorrente de curto circuito dada em microAcm2
λ eacute o comprimento de onda em nm
I0 eacute a intensidade de luz incidente em W m2
1024 eacute o fator de conversatildeo de energia em comprimento de onda [18]
Portanto o IPCE eacute um valor de medida de eficiecircncia para os dispositivos
fotovoltaicos
232 ndash Tensatildeo de circuito aberto (VOC) e Corrente de curto circuito (ISC)
Quando os materiais orgacircnicos das camadas ativas satildeo colocados em contato com o
eletrodo inorgacircnico existe um balanceamento de cargas entre os materiais de diferentes
funccedilotildees trabalhos ateacute que o equiliacutebrio seja atingido Nesta situaccedilatildeo haacute um nivelamento dos
niacuteveis de energia de Fermi dos materiais e um campo eleacutetrico intriacutenseco eacute criado na
interface do dispositivo
Em um dispositivo sob iluminaccedilatildeo depois da dissociaccedilatildeo dos eacutexcitons as cargas
satildeo transportadas para os eletrodos pelo campo eleacutetrico intriacutenseco que iraacute aumentar a
energia do eletrodo de menor funccedilatildeo trabalho (1) e diminuir a energia de Fermi do
eletrodo de maior funccedilatildeo trabalho (2) quase atingindo a condiccedilatildeo de banda plana
criando uma diferenccedila de potencial definida como tensatildeo de circuito aberto VOC
A figura 27 mostra o diagrama esquemaacutetico de um dispositivo fotovoltaico A
tensatildeo de circuito aberto VOC pode ser obtida da curva caracteriacutestica IndashV de um dispositivo
sob iluminaccedilatildeo quando a corrente eacute zero
12
Figura 2 7 ndash Diagrama esquemaacutetico do dispositivo fotovoltaico 2 poliacutemero1 no escuro
com o alinhamento dos niacuteveis de Fermi a) e sob iluminaccedilatildeo b) potencial de built-in ( Vbi)
intriacutenseco em temperatura ambiente esta proacuteximo ao valor de tensatildeo
Em temperaturas baixas a iluminaccedilatildeo poderaacute trazer a condiccedilatildeo de banda plana e a
tensatildeo de circuito aberto VOC seraacute igual ao potencial de built in (Vbi) Este potencial eacute
definido como a diferenccedila de funccedilatildeo trabalho entre os eletrodos em temperatura ambiente
pois a condiccedilatildeo de banda plana natildeo eacute totalmente atingida e uma pequena correccedilatildeo deve ser
adicionada ao VOC para obter o Vbi [14]
O valor da corrente eleacutetrica maacutexima que atravessa o dispositivo quando iluminado
sem nenhuma tensatildeo aplicada eacute chamado de corrente de curto circuito (ISC)
Para definir a densidade de fotocorrente (JSC) utiliza-se o valor de ISC dividido pela
aacuterea ativa do dispositivo
233 ndash Curva caracteriacutestica IndashV
Atraveacutes da curva IndashV temos a resposta eleacutetrica do dispositivo fotovoltaico A figura
28 mostra a curva caracteriacutestica IndashV no escuro e sob iluminaccedilatildeo de um dispositivo ideal
fotovoltaico No escuro a curva de resposta eacute semelhante agrave de um diodo retificador quando
a corrente soacute aparece para a tensatildeo direta Sob iluminaccedilatildeo a curva de ISC desce para o
terceiro e quarto quadrante Na polarizaccedilatildeo direta o eletrodo de maior funccedilatildeo trabalho eacute
polarizado positivamente e o de menor funccedilatildeo trabalho eacute polarizado negativamente
[1819]
13
Figura 2 8 ndash Curva caracteriacutestica IndashV de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico no escuro e
sob iluminaccedilatildeo Tambeacutem eacute mostrado o ponto de corrente de curto circuito e tensatildeo de
circuito aberto O retacircngulo pintado indica o fator de preenchimento (FF)
234 ndash Fator de preenchimento (FF) e Conversatildeo de Potencia ()
A quantidade maacutexima de energia eleacutetrica extraiacuteda do dispositivo fotovoltaico eacute
determinada pelo fator de preenchimento (FF) ou seja eacute a razatildeo entre a potecircncia maacutexima
fornecida pelo dispositivo fotovoltaico e a potecircncia nominal do mesmo Na figura 8 o fator
de preenchimento eacute representado pela razatildeo entre as aacutereas do retacircngulo cinza (representa a
potecircncia maacutexima que o dispositivo fornece) pela aacuterea do retacircngulo azul (representa a
potecircncia nominal) Assim a equaccedilatildeo 22 mostra a relaccedilatildeo matemaacutetica para a obtenccedilatildeo do
FF
(22)
Onde Vm e Im satildeo as intersecccedilotildees da curva IndashV com a potecircncia maacutexima do
retacircngulo
14
Para aplicaccedilatildeo de um dispositivo fotovoltaico como ceacutelulas solares um dos focos
de interesse eacute a potecircncia eleacutetrica extraiacuteda que eacute determinada pela eficiecircncia de conversatildeo
de potecircncia () Para encontrar este valor divide-se o valor da potecircncia maacutexima gerada
pela ceacutelula (P) pela potecircncia da luz incidente (Pin) A expressatildeo para o caacutelculo de eacute
mostrada na equaccedilatildeo 23
=
(23)
Onde I0 eacute a intensidade de luz incidente sobre a ceacutelula solar Usando a equaccedilatildeo 22
para calculara o FF temos a equaccedilatildeo 24
(24)
24 ndash POLIacuteMEROS UTILIZADOS
Os poliacutemeros sinteacuteticos satildeo produtos quiacutemicos obtidos sinteticamente que
apresentam cadeias longas e dentre eles podemos encontrar materiais importantes para o
uso em engenharia
As propriedades dos poliacutemeros dependem muito do tipo de monocircmero que o
originaram Outros fatores que influenciam suas propriedades satildeo o tipo de reaccedilatildeo
empregada para sua obtenccedilatildeo e a teacutecnica de preparaccedilatildeo Podemos citar trecircs tipos de reaccedilotildees
a partir das quais se podem produzir um poliacutemero a poliadiccedilatildeo policondensaccedilatildeo e a
modificaccedilatildeo quiacutemica de outro poliacutemero [20]
241 ndash Polistireno (PS)
O PS eacute uma resina termoplaacutestica foi descoberto em 1831 Apesar de ter sido
proposto para uso logo apoacutes sua descoberta demorou a ser colocado no comeacutercio Isto
ocorreu porque a polimerizaccedilatildeo do monocircmero natildeo era controlada e ocorria muito
rapidamente dificultando o carregamento e a estocagem dos monocircmeros A representaccedilatildeo
da estrutura quiacutemica do PS pode ser vista na figura 29 [21]
15
Figura 2 9 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PS (C8H8)n
O PS eacute um dos plaacutesticos mais utilizados no Brasil cuja aplicaccedilatildeo pode se estender a
diversos tipos de utensiacutelios para uso domeacutesticos Em uso na fabricaccedilatildeo de objetos tais
como brinquedos escovas embalagens riacutegidas para cosmeacuteticos no isolamento ao frio na
embalagem de equipamentos em pranchas flutuantes em paineacuteis para a induacutestria
automobiliacutestica e produtos para a induacutestria de eletro-eletrocircnico etc
Suas caracteriacutesticas marcantes satildeo rigidez semelhante ao vidro alta resistecircncia
quiacutemica baixa resistecircncia a solventes orgacircnicos baixa resistecircncia a intempeacuteries boa
condiccedilatildeo de isolamento teacutermico e eleacutetrico relevante sensibilidade agrave luz incolor e
transparente [21] Frente ao calor eacute classificado como termoplaacutestico de uso geral Trata-se
de um poliacutemero de baixo custo e de faacutecil aquisiccedilatildeo No Brasil os principais fabricantes satildeo
a BASF do Brasil que produz o PS com o nome comercial de Plystirol e a Monsanto do
Brasil que o fabrica com o nome comercial de Lustrex Possui temperatura de fusatildeo
cristalina (Tm) 235 degC e temperatura de transiccedilatildeo viacutetrea (Tg) de 100 degC [20]
242 ndash Poli metacrilato de metila (PMAM)
Eacute um poliacutemero amorfo linear sua siacutentese eacute por adiccedilatildeo e requer um centro ativo
como iniciador Possui caracteriacutesticas oacutepticas e mecacircnicas resistentes aos aacutecidos orgacircnicos
[21 22] A representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica pode ser vista na figura 210
16
Figura 2 10 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PMMA (C5O2H8)n
Tambeacutem conhecido como plaacutestico acriacutelico esse termoplaacutestico eacute um poliacutemero
sinteacutetico de origem petroquiacutemica assim como o PS cujas principais caracteriacutesticas satildeo
transparecircncia boa resistecircncia quiacutemica resistente a impactos e a intempeacuteries
Eacute um poliacutemero considerado de baixo custo e de faacutecil aquisiccedilatildeo No Brasil
destacam-se como fabricantes a CP Bahia e a Rohm amp Haas que produzem
respectivamente o Acrigel e o Acryloid
O PMAM eacute usado em placas para sinalizaccedilatildeo de traacutefego em estradas nas induacutestrias
automobiliacutesticas de aviaccedilatildeo e na construccedilatildeo civil Eacute vastamente empregado na fabricaccedilatildeo
de fibras oacutepticas e em eletro-eletrocircnicos aleacutem disso o PMAM tem sido utilizado na
ortopedia desde sua siacutentese Pesquisa na aacuterea da eletrocircnica orgacircnica estaacute sendo
desenvolvida [2223] e tambeacutem na aacuterea da medicina como na esteacutetica e em outras
aplicaccedilotildees na aacuterea da sauacutede [2425]
Possui temperatura de fusatildeo cristalina (Tm) 160 degC e temperatura de transiccedilatildeo viacutetrea
(Tg) de 105 degC[20]
243 ndash Poli(34-Etileno Dioxitiofeno)Poli(Estireno-Sulfonato) (PEDOTPSS)
As pesquisas sobre poliacutemeros condutores tecircm atraiacutedo cientistas e grandes empresas
Ao longo desta deacutecada grandes descobertas foram realizadas em relaccedilatildeo aos poliacutemeros
condutores [26]
Cientistas da Bayer AG [27 28] contribuiacuteram para o desenvolvimento do Poli (34-
etileno dioxitiofeno) (PEDOT) que apresenta propriedades e caracteriacutesticas interessantes
mesmo em seu estado dopado A cadeia principal estaacute representada na figura 211
17
Figura 2 11 ndash Representaccedilatildeo da cadeia principal do PEDOT [28]
O PEDOT possui alta condutividade contudo natildeo eacute soluacutevel em aacutegua Para tornaacute-lo
soluacutevel foi adicionado o poli (estireno sulfonado) (PSS) assim as altas taxas de
condutividade foram perdidas no processo de dopagem Apesar disto a combinaccedilatildeo do
PEDOTPSS ilustrado na figura 212 resultou em um poliacutemero com caracteriacutesticas e
condiccedilotildees favoraacuteveis tornando simples a deposiccedilatildeo dos filmes
O PEDOTPSS eacute apresentado em soluccedilatildeo azul escuro e possui condutividade
maacutexima de 10 S cm (depende da espessura e do processo de confecccedilatildeo do filme) Mostra
alta taxa de absorccedilatildeo luminosa entre 900 nm e 2000 nm [28]
Figura 2 12 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica da interaccedilatildeo entre o PEDOT e PSS [28]
O PEDOTPSS eacute um exemplo de poliacutemero condutor comercial que atraiu usuaacuterios e
pesquisadores em vaacuterios paiacuteses Atualmente existem vaacuterios estudos de dispositivos
orgacircnicos para aplicaccedilotildees em ceacutelulas solares que utilizam o PEDOTPSS [30-32] Seu uso
18
em pesquisas se estende a outros dispositivos orgacircnicos como OLEDs sensores
transistores etc [32 33]
244 ndash Poli (3-hexiltiofeno) (P3HT)
O P3HT eacute um poliacutemero sinteacutetico semicondutor tipo p fabricado e comercializado
pela Aldrichreg possui alto peso molecular Sua estrutura com grades reacutegio-regulares
favorece os estudos para aplicaccedilotildees em ceacutelulas fotovoltaicas orgacircnicas (OPV) Possui
propriedades fotoluminescentes na faixa de comprimento de onda 450 nm e 575 nm [34]
Tambeacutem pode ser combinado com outro tipo de poliacutemeros para aplicaccedilotildees em ceacutelulas
solares [35-37] O transporte de cargas majoritaacuterio eacute de lacunas
A Soluccedilatildeo do P3HT pode ser solubilizada em clorofoacutermio (CHCL3) Aleacutem deste
solvente o P3HT pode ser diluiacutedo em tolueno (C7H8) tri-cloro-benzeno cloro-benzeno e
xyleno soluacutevel A estrutura quiacutemica pode ser vista na figura 213
Figura 2 13 ndash Estrutura quiacutemica do P3HT (C10H18S)n
245 ndash Oacuteleo de Buriti (Mauritia Flexuosa L) ndash OB
A palmeira do buriti (Mauritia flexuosa L) aparece em regiotildees de vaacuterzea e brejo e eacute
comumente encontrada na regiatildeo da Amazocircnia A figura 214 ilustra a foto da palmeira do
buritizeiro Tanto as palmeiras como os frutos satildeo muito utilizados pelas pessoas que
moram nas regiotildees ribeirinhas por exemplo para fazer coberturas de casas com as folhas
ou para extrair a polpa dos frutos para o uso na alimentaccedilatildeo
19
Figura 2 14 ndash Foto da palmeira do Buriti (Mauritia Flexuosa) conhecida como Buritizeiro
[21]
A palmeira do buritizeiro costuma ter altura de ateacute cinquumlenta metros A meacutedia de
frutos colhidos em todos os cachos varia de quinhentos a oitocentos frutos O fruto do
buriti apresenta forma arredondada e eliacuteptica mede aproximadamente de quatro a seis
centiacutemetros de diacircmetro com peso variando entre vinte e cinco a quarenta gramas A
figura 215 ilustra o fruto do buritizeiro tambeacutem pode ser observada a cor amarelada da
polpa
Figura 2 15 ndash Ilustraccedilatildeo dos frutos maduros do Buriti (a) aspecto da casca (b) polpa de
cor amarelada [21]
Estudos desenvolvidos por Moreira et al [38- 40] mostram propriedades oacutepticas de
absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica na faixa do ultravioleta e do visiacutevel solar (UV-VIS)
20
Duratildees et al [39] estudando as soluccedilotildees do OB diluiacuteda em clorofoacutermio observaram
grau de absorccedilatildeo de radiaccedilatildeo UV-VIS na faixa de 245 248 e 276 nm Tambeacutem foram
avaliadas a incorporaccedilatildeo do OB em matrizes de PMAM e PS que apresentaram niacuteveis de
absorccedilatildeo em comprimentos de onda maiores do que 276 nm
A figura 216 mostra os espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo ultravioleta (UV) dos
filmes de PS e PS com OB nas proporccedilotildees estudadas Observa-se nesses espectros que o
filme de PS sem o OB apresenta absorccedilatildeo insignificante nessa regiatildeo do espectro
eletromagneacutetico Esse material mostra uma pequena banda de absorccedilatildeo entre 250 nm Nos
espectros do material polimeacuterico misturado com OB percebe-se um aumento da absorccedilatildeo
da radiaccedilatildeo como consequumlecircncia do aumento do teor de OB nas amostras Esta absorccedilatildeo eacute
indicada por uma banda larga e intensa entre 275 nm e 375 nm que se desloca para
comprimentos de onda maiores agrave medida que a concentraccedilatildeo do oacuteleo aumenta nos
materiais compostos [40]
Figura 2 16 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PS puro e PSOB [40]
A figura 217 mostra os espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes de
PMAM puro e PMAM OB nas proporccedilotildees estudadas O estudo de espectroscopia por
absorccedilatildeo na regiatildeo do UV mostrou que o OB proporcionou uma elevaccedilatildeo de ateacute 400 na
absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo pelo PMAM misturado com OB Este aumento ocorreu regularmente
21
com o teor do dopante exceto para o material com maior percentual do oacuteleo onde
provavelmente a sua maior quantidade tenha dificultado a incorporaccedilatildeo no PMAM
Como consequumlecircncia da incorporaccedilatildeo do OB na matriz de PMAM foi observada
uma banda larga de absorccedilatildeo entre 260 nm e 380 nm que sofreu deslocamento para
comprimentos de onda maiores acompanhando o aumento no teor de oacuteleo das amostras
Nota-se portanto que o comportamento das amostras de PMAM OB eacute semelhante ao dos
materiais PS OB com exceccedilatildeo da inversatildeo de absorccedilatildeo dos filmes feitos com percentuais
do OB de 3455 e 4681 nos filmes de PMAM
Figura 2 17 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PMAM puro e PMAM
OB [40]
22
Capiacutetulo III
Procedimentos Experimentais e
Resultados
23
3 ndash PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS
31 ndash MATERIAIS
Escolheu-se trabalhar com substrato de vidro por que eacute transparente fornece
sustentaccedilatildeo mecacircnica natildeo se degrada com o calor permite a entrada de luz no dispositivo
e possui uma camada condutora com resistecircncia relativamente baixa As resistecircncias das
lacircminas foram medidas com multiacutemetro digital comum e apresentaram um valor em torno
de 41-70 Ω A resistecircncia desses substratos muda de acordo com o processo de
deposiccedilatildeo dos filmes de FTO [41 42] Tambeacutem foram usados substratos flexiacuteveis de
plaacutestico (PET) no tamanho de 2 cm x 3 cm
Os poliacutemeros condutores usados foram o PEDOTPSS e o P3HT Usou-se o PEDOT
PSS para fazer um dos eletrodos O P3HT foi usado misturado com o oacuteleo de buriti para
fazer um tipo de camada ativa Trabalhou-se com misturas de poliacutemeros isolantes PS e
PMAM com OB preparadas no Laboratoacuterio de Poliacutemeros do Instituto de Quiacutemica da UnB
Usou-se misturas com concentraccedilotildees de 8 e 47 de OB na matriz de PS e misturas com
35 de OB na matriz de PMAM conforme descrito por JR Duratildees em [40]
Para fazer o eletrodo superior usou-se a tinta condutora de prata marca INK
SILVER (tinta 100 prata) com pureza da prata 99 e tamanho da partiacutecula de prata 05
a 70 m dissolvidas em solvente e um verniz de alta aderecircncia (NOS002) Em algumas
amostras usou-se tambeacutem o grafite de um laacutepis HB
32 ndash EQUIPAMENTOS UTILIZADOS
321 ndash Multiacutemetros
Para fazer as medidas eleacutetricas diretas de ISC empregou-se o uso do multiacutemetro
analoacutegico ET-3021 porque possuiacutea escala de ateacute micro ampeacutere Para as medidas diretas de
resistecircncia seacuterie e de VOC usou-se o multiacutemetro digital modelo ET-2042C
322 ndash Spin coater
Os filmes finos foram preparados utilizando um conjunto de equipamento que
compotildee o spin coater (Laureal modelo WS- 400B-6NPPLITE) do Laboratoacuterio de
Dispositivo e Circuitos Integrados da UnB (LDCI) mostrado na figura 31
24
Figura 3 1 ndash (a)bomba de vaacutecuo (b) compressor de ar comprimido (c) vaacutelvula de
controle e (d) spin coater
O equipamento de spin coater consiste em um conjunto composto de bomba de
vaacutecuo compressor de ar comprimido regulador de pressatildeo e o spin coater que possui
compartimento feito de teflon Acoplado ao spin coater haacute um display de cristal liquido
(LCD) para visualizaccedilatildeo dos programas realizados
Tem-se ateacute 20 programas de processamentos (A ateacute T) contendo ateacute 51 etapas cada
um que podem ser armazenados definitivamente na memoacuteria caso haja possibilidade de
modificar o programa posteriormente Cada etapa do programa inclui tempo total de
duraccedilatildeo da deposiccedilatildeo velocidade de rotaccedilatildeo do substrato em rpm e
aceleraccedilatildeodesaceleraccedilatildeo Satildeo possiacuteveis rotaccedilotildees de ateacute 11000 rpm
Na figura 32 haacute uma foto mostrando a lateral e parte da frente do compartimento
onde o substrato eacute colocado no momento da centrifugaccedilatildeo Ao lado do spin coater pode ser
visualizado o display de LCD programaacutevel acoplado
25
Figura 3 2 ndash Equipamento de spin coater instalado no laboratoacuterio LDCI vista lateral e
frontal
323 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores (Curva IndashV)
As curvas IndashV das amostras foram obtidas com um sistema de caracterizaccedilatildeo de
semicondutores Keithley modelo 2400 mostrado na figura 33 o qual permite aplicar
tensotildees entre 1 μV e 1100 V e medir a corrente entre 10 pA e 105 A
Figura 3 3 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores Keithley 2400 laboratoacuterio
LDCI
26
Todo o processo de medidas eacute controlado atraveacutes de um microcomputador que eacute
conectado aos equipamentos atraveacutes de uma interface paralela (General Purpose Interface
Bus (GPIB) que controla os equipamentos coleta e armazena os dados O programa usado
para este fim eacute o software LABVIEW 61
324 ndash Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM)
A caracterizaccedilatildeo morfoloacutegica dos filmes das camadas ativas foi obtida em um
equipamento de medidas de microscopia de forccedila atocircmica AFM marca VEECO DInnova
(figura 34) com ponteira de nitrato de siliacutecio (forma em V) com constante de mola de
058 Nm Todas as imagens foram obtidas em modo contato (512 x 512 pixel) e taxa de
varredura de 1 Hz
Figura 3 4 ndash Vista frontal do AFM marca VEECO Innova
27
Os filmes caracterizados por AFM consistiram em camadas ativas feitas com
soluccedilotildees de PS puro PSOB 47 PMAM puro PMAMOB 35 P3HTOB puro e
P3HT PS OB 47 depositadas sobre substrato de vidro recoberto com FTO por spin
coating e com rotaccedilatildeo de 7000 rpm por 40 segundos
33 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS I
331 ndash Experimentos Etapa 1
Nesta etapa utilizou-se a metodologia adaptada a partir da descriccedilatildeo da montagem da
ceacutelula solar de Graumltzel [43] Essa ceacutelula eacute tambeacutem conhecida como ceacutelula solar de corante
Nessa ceacutelula a geraccedilatildeo de energia eacute produzida por um efeito eletroquiacutemico [44] Para cada
amostra foram usadas duas lacircminas de vidro tamanho 1 cm x 25 cm recoberto com FTO
Os substratos foram utilizados conforme retirados das embalagens ou seja natildeo passaram
por nenhum tipo de limpeza
3311 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo dos eletrodos
Para um dos eletrodos usou-se o grafite que foi obtido a partir de um laacutepis para
desenho HB No lado do substrato contendo o FTO pintou-se a lacircmina com o laacutepis Para o
outro eletrodo foi usado uma soluccedilatildeo PEDOT PSS As amostras foram confeccionadas
manualmente e as deposiccedilotildees foram feitas com pincel comum A soluccedilatildeo de PEDOT PSS
ficou agitando durante 2 horas antes da deposiccedilatildeo sobre o substrato a fim de obter-se uma
soluccedilatildeo mais homogecircnea Devido o filme de PEDOTPSS ser espesso o processo de
secagem a temperatura ambiente foi demorado Assim apoacutes a pintura se fez necessaacuterio a
secagem das amostras na estufa durante 8 horas a 80 ordmC e para concluir o processo
ficaram em temperatura ambiente por mais 24 horas
3312 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo da camada ativa
Antes de fazer a deposiccedilatildeo do filme da camada ativa de PSOB 8 a mistura foi
agitada durante 30 minutos com intuito de obter-se uma dissoluccedilatildeo completa da soluccedilatildeo
28
Sobre o eletrodo de PEDOTPSS foi depositada por casting uma quantidade da soluccedilatildeo de
PSOB 8
3313 ndash Formaccedilatildeo do dispositivo
Para formar o dispositivo as duas lacircminas de vidro foram juntadas uma com
grafite e a outra com PEDOTPSS e a camada ativa de PSOB 8 As duas foram juntadas
antes que a camada ativa estivesse seca de modo a ajudar na colagem das mesmas Para
garantir a uniatildeo fiacutesica das lacircminas foi usado um clipe conforme mostrado na figura 35 A
aacuterea ativa eacute da ordem de 1 cm2
Figura 3 5 ndash Amostras confeccionadas com duas lacircminas de substrato de vidro
recoberto com FTO baseada no modelo de Graumltzel
3314 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
A fonte de iluminaccedilatildeo utilizada na caracterizaccedilatildeo dos dados experimentais e
resultados I consistiu em uma lacircmpada incandescente comum de 100 W ligada em seacuterie
com um varivolt de 240 volts
Foram feitas quatro amostras (CS1 CS2 CS3 e CS4) da forma como descrito
acima As medidas eleacutetricas foram tomadas usando-se dois multiacutemetros um digital e outro
analoacutegico As amostras foram iluminadas com a lacircmpada incandescente de 100 W e foram
observados valores de ISC e VOC nos multiacutemetros a partir de uma tensatildeo de 240 volts na
lacircmpada Todas as amostras ficaram expostas durante aproximadamente 5 minutos Os
valores de ISC e VOC obtidos satildeo mostrados na tabela 31
29
Tabela 3 1 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W) Tensatildeo da
lacircmpada
CS1 mdash mdash mdash 240
CS2 03 09 027 240
CS3 06 05 030 240
CS4 02 01 020 240
3315 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Pode-se observar o aparecimento de VOC e tambeacutem de ISC em trecircs das amostras
confeccionadas com tensatildeo de alimentaccedilatildeo na fonte de iluminaccedilatildeo de 240 volts Os
valores de VOC e ISC satildeo um pouco diferentes entre as trecircs amostras apesar de elas terem
sido confeccionadas seguindo os mesmos procedimentos Isto pode ter sido devido agrave
dificuldade em se controlar a espessura das camadas ativas Os resultados obtidos para VOC
e ISC satildeo menores do que os reportados na literatura [4344] Contudo os materiais usados
satildeo diferentes dos relatados na literatura Neste dispositivo o OB estaacute se comportando
como um corante e promovendo o processo eletroquiacutemico de transformaccedilatildeo de energia
luminosa em energia eleacutetrica Assim uma mudanccedila na concentraccedilatildeo de oacuteleo poderaacute
modificar os resultados obtidos ateacute aqui
332 ndash Experimentos Etapa 2
3321 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras
Na segunda etapa foram confeccionadas quatro amostras (CS5 CS6 CS7 e CS8)
utilizando a mesma metodologia do experimento da Etapa 1 mudando apenas a
concentraccedilatildeo do OB de 8 para 47 No lugar do clipe para unir as duas lacircminas usou-se
fita adesiva
3322 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
As medidas das amostras foram realizadas usando os mesmos equipamentos jaacute
citados e descritos anteriormente Duas destas amostras natildeo tiveram medidas de ISC nem
30
VOC Para as demais soacute foram observadas medidas de VOC e ISC apoacutes a tensatildeo da lacircmpada
atingir 200 volts Todas as amostras ficaram expostas durante 5 minutos Os valores de ISC
e VOC obtidos satildeo mostrados na tabela 32
Tabela 3 2 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W) Tensatildeo da
lacircmpada
CS5 ndash ndash ndash 240
CS6 18 09 162 240
CS7 ndash ndash 240
CS8 09 03 027 240
3323 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Os valores de VOC e ISC obtidos nesta etapa satildeo maiores que os obtidos na Etapa1
Isto pode estar relacionado ao efeito corante do OB Nesta etapa mudou-se a concentraccedilatildeo
de 8 de OB para 47 de OB esse paracircmetro foi o uacutenico a ser mudado entre as duas
etapas Estas amostras bem como as da Etapa 1 natildeo puderam ter seus valores de VOC e ISC
medidos novamente porque as amostras descolavam os eletrodos danificando os
dispositivos Assim estas estruturas natildeo foram repetidas
333 ndash Experimentos Etapa 3
Nesta etapa mudou-se o tipo de substrato e a configuraccedilatildeo das amostras A
configuraccedilatildeo de construccedilatildeo baseada na estrutura dos dispositivos desenvolvidos por
Graumltzel natildeo foi mais usada O substrato de vidro foi substituiacutedo por um substrato de
plaacutestico de Poli (Tereftalato de Etila) (PET) a fim de desenvolver amostras flexiacuteveis e de
menor custo As camadas ativas tiveram a concentraccedilatildeo do OB de 47 O substrato de
PET foi limpo com clorofoacutermio acetona e aacutegua deionizada Apoacutes o processo de limpeza os
substratos foram secos a temperatura ambiente por 2 horas Para substituir a camada
condutora de FTO e construir um dos eletrodos utilizou-se leit-C e leit-C diluente
adquirido da FLUKA esses dois elementos produzem a pasta de carbono O PEDOTPSS
31
foi utilizado para formar um filme sobre o eletrodo de carbono E por uacuteltimo foi usada a
Ag para fazer o eletrodo superior
3331 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras
Com o substrato recortado no tamanho de 2 cm x 3 cm inicia-se o processo de
limpeza As folhas de PET foram imersas em clorofoacutermio durante 30 minutos em soluccedilatildeo
de acetona por mais 30 minutos e por ultimo foram enxaguadas com aacutegua deionizada O
processo de secagem foi realizado em temperatura ambiente dentro da estufa
A pasta de carbono foi preparada para ser o eletrodo inferior Essa foi espalhada
manualmente com ajuda de uma espaacutetula sobre toda a folha do PET Com o substrato
preparado e tendo a superfiacutecie recoberta com um filme de carbono jaacute seco a soluccedilatildeo de
PEDOT PSS foi pintada sobre o filme de carbono com um pincel de cerdas macias
comum Antes da deposiccedilatildeo a soluccedilatildeo de PEDOT PSS foi agitada durante 2 horas
Apoacutes a pintura do filme de PEDOTPSS as amostras foram colocadas na estufa agrave
temperatura de 50 degC durante 8 horas e permaneceram por mais 24 horas em temperatura
ambiente dentro da estufa A camada ativa foi depositada usando uma pipeta contendo 001
uL de PSOB 47 Para formar o contato inferior uma pequena parte do filme de
PEDOTPSS foi deixado visiacutevel
Apoacutes a deposiccedilatildeo da camada ativa as amostras ficaram em temperatura ambiente
por 24 horas para concluir o processo de secagem O eletrodo superior foi pintado com
tinta de Ag sobre uma pequena aacuterea da camada ativa A secagem do eletrodo superior foi
em temperatura ambiente A aacuterea ativa destas amostras eacute da ordem de 05 cm2 A figura 36
a) mostra o esquema final da amostra e a figura 36 b) uma foto do dispositivo finalizado
Figura 3 6 ndash (a) Esquema da amostra confeccionada no substrato flexiacutevel de plaacutestico
(PET) (b) foto do substrato finalizado
32
3332 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
Nesta etapa foram confeccionadas cinco amostras chamadas de P1 P2 P3 P4 e
P5 As medidas eleacutetricas foram realizadas usando os equipamentos jaacute descritos nas etapas
anteriores Os valores de VOC e ISC foram medidos apoacutes a tensatildeo da lacircmpada atingir 200
volts Todas as amostras ficaram expostas sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada durante cinco
minutos As amostras tiveram as resistecircncias medidas Pois os substratos utilizados aqui
eram isolantes e o filme condutor foi construiacutedo manualmente As resistecircncias das
amostras satildeo mostradas na tabela 33 juntamente com os valores de ISC VOC e potecircncia
calculada
Todas as amostras apresentaram valores de VOC e ISC para tensatildeo de iluminaccedilatildeo da
lacircmpada acima de 220 volts exceto a amostra P4 A amostra P4 mostrou valores
mensuraacuteveis de VOC e ISC a partir de iluminaccedilatildeo da lacircmpada com tensatildeo de 110 volts Os
valores desta variaccedilatildeo satildeo mostrados na tabela 34
Tabela 3 3 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (W) Tensatildeo da
Lacircmpada
Resistecircncia
Ohms
P1 ndash ndash ndash 240 540
P2 09 01 09 240 890
P3 15 07 105 240 550
P4 09 06 054 240 1500
2000 P5 24 09 216 240
Tabela 3 4 ndash Valores medidos de VOC e ISC com iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W para variaccedilatildeo de iluminaccedilatildeo para a amostra P4
Variaccedilatildeo das tensotildees VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W)
110 04 01 04
160 06 02 012
220 07 03 021
240 09 06 054
33
3333 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Na tabela 33 natildeo foi observada nenhuma ligaccedilatildeo direta dos valores de ISC e VOC
com as resistecircncias medidas das amostras Em relaccedilatildeo agraves amostras feitas nas Etapas 1 e 2
pode-se notar valores de ISC e VOC maiores
Foi observado que em todas as amostras confeccionadas no substrato de PET apoacutes
alguns minutos de aquecimento pela fonte de luz (lacircmpada de 100 w) as amostras se
deformavam Agrave medida que os testes eram repetidos as amostras se retorciam e em
algumas amostras os filmes ressecaram e se soltaram dos substratos Apesar destes
comportamentos ao se repetir os testes os valores de VOC e ISC permaneciam inalterados
para as amostras que os filmes natildeo estavam completamente rompidos A figura 37
apresenta a foto de uma amostra apoacutes ser submetida agrave fonte iluminaccedilatildeo de lacircmpada
incandescente de 100 W por 20 minutos Devido aacute sua deformaccedilatildeo e degradaccedilatildeo com o
calor este tipo de substrato foi descartada
Figura 3 7 ndash Amostra feita com substrato de PET apoacutes ser submetidos agrave fonte de lacircmpada
incandescente de 100 W por 20 minutos
334 ndash Experimentos Etapa 4
Devido ao retorcimento e agrave deterioraccedilatildeo das amostras confeccionadas com
substrato de PET nesta etapa voltou-se a utilizar o substrato de vidro recoberto com FTO
A prata foi usada para construir o eletrodo superior das amostras Para a camada ativa
continuou-se com uso do PSOB 47 Seguindo o mesmo esquema utilizado anteriormente
34
para confecccedilatildeo das amostras de PET mudou-se apenas o substrato O esquema do
dispositivo pode ser visto na figura 38
3341 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras
As resistecircncias dos substratos de vidro de 1 cm x 25 cm estatildeo entre 89 a 115 Ω
Os substratos foram limpos com clorofoacutermio acetona e aacutegua deionizada
Apoacutes o processo de limpeza todos os substratos foram secos a temperatura
ambiente por 2 horas
O eletrodo de PEDOTPSS foi pintado sobre o filme de FTO do substrato Em
seguida as amostras foram colocadas na estufa a 80 degC durante 24 horas
Apoacutes a secagem da camada de PEDOTPSS foi realizada a deposiccedilatildeo da camada
ativa com o auxilio de uma pipeta contendo 001 ml de soluccedilatildeo de PSOB 47 O
processo de secagem foi em temperatura ambiente por 24 horas
Por uacuteltimo foi feito o contato superior de tinta de Ag sobre a camada ativa de PS
OB 47 utilizando um pincel fino de cerdas comuns A aacuterea ativa foi estimada e ficou em
torno de 025 cm2 A figura 38 a) mostra o esquema que foi usado para confeccionar as
amostras e a figura 38 b) ilustra a amostra finalizada
Figura 3 8 ndash (a) Esquema da amostra para substrato de vidro recoberto com FTO (b) foto
da amostra finalizada
3342 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
Nesta etapa foram confeccionadas 10 amostras que foram nomeadas de v1 v2 v3
v4 v5 v6 v7 v8 v9 e v10 A tabela 35 mostra os valores daquelas que apresentaram
melhores desempenhos de VOC e ISC As medidas eleacutetricas foram realizadas usando os
equipamentos jaacute descritos nas etapas anteriores As medidas obtidas satildeo inferiores agravequelas
jaacute conseguidas nos itens anteriores Valores de VOC e ISC significativos ocorreram apoacutes a
tensatildeo da lacircmpada atingir 220 volts Todas as amostras ficaram expostas sob a luz da
lacircmpada durante 10 minutos As amostras foram iluminadas atraveacutes do vidroFTO
35
Tabela 3 5 ndash Valores de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo de lacircmpada incandescente de 100 W
durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W) Tensatildeo lacircmpada
v3 06 02 012 240
v5 05 01 050 240
v7 11 09 099 240
3343 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Apesar das amostras terem sido feitas seguindo os mesmos procedimentos os
valores de VOC e ISC obtidos satildeo diferentes Isto pode ter ocorrido devido agraves diferenccedilas nas
espessuras das camadas ativas que natildeo puderam ser controladas e tambeacutem no tamanho das
aacutereas ativas que podem ser levemente diferentes Aqui natildeo se pode falar em comparaccedilatildeo
com as outras amostras feitas anteriormente porque a aacuterea da camada ativa foi bastante
reduzida e as estruturas satildeo diferenciadas Desta forma os valores obtidos mesmo
menores ainda satildeo vaacutelidos
34 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS II
341 ndash Misturas usando P3HT
Nesta etapa foi proposto um estudo sobre diferentes misturas para a construccedilatildeo das
camadas ativas sempre incorporando o uso do OB Tipos de camadas ativas utilizadas
PSOB 47 P3HT+OB puro e PSOB 47 + P3HT
Para os trecircs tipos de dispositivos aqui investigados foi usado substrato de vidro
recoberto com FTO sobre o qual foi depositado por spin coating um filme de
PEDOTPSS que serviu como eletrodo inferior As camadas ativas foram depositadas
sobre o eletrodo de PEDOTPSS usando a teacutecnica de spin coating O eletrodo superior foi
pintado com tinta condutiva de Ag A figura 38 mostra o esquema do dispositivo que foi
utilizado para a confecccedilatildeo destas amostras
Para as medidas diretas de VOC e ISC foram usados dois tipos de iluminaccedilatildeo
artificial com lacircmpada de mercuacuterio Spektrallamp 80 W e iluminaccedilatildeo natural solar
36
342 ndash Experimentos Etapa 1
Nas etapas anteriores os filmes das amostras foram produzidos manualmente por
casting mas os resultados obtidos nas medidas iniciais natildeo foram satisfatoacuterios A fim de
buscar melhores resultados e tendo jaacute disponiacutevel no laboratoacuterio o equipamento de spin
coater para produzir filmes mais finos e homogecircneos a metodologia de confecccedilatildeo dos
filmes foi mudada Os filmes finos foram preparados em rotaccedilotildees variadas a fim de se
obter um filme adequado
3421 ndash Preparaccedilatildeo dos filmes por spin coater
Para preparar o primeiro grupo de amostras usaram-se substratos de vidro
recobertos com FTO Todos os substratos foram lavados em aacutegua deionizada e colocados
em estufa a 80degC para secar Para fazer o filme de PEDOTPSS inicialmente foi usada
rotaccedilatildeo de 500 rpm durante 25 segundos para espalhar a soluccedilatildeo uniformemente em todo
o substrato em seguida usou-se uma rotaccedilatildeo de 3000 rpm durante 40 segundos para
finalizar a confecccedilatildeo do filme
O filme de PEDOTPSS obtido dessa forma ficou bastante fino de modo que a
amostra saia do spin coater quase seca A fim de eliminar-se qualquer vestiacutegio do
solvente que no caso do PEDOT PSS usou-se agrave aacutegua as amostras foram colocadas na
estufa em temperatura de 50 degC por 1 hora Antes de depositar a camada ativa uma parte
do filme de PEDOTPSS foi protegido com fita onde foi construiacutedo o eletrodo inferior
Foram preparados trecircs tipos de soluccedilotildees para formar a camada ativa A primeira foi
uma soluccedilatildeo jaacute preparada de PS OB 47 no LABPOL do instituto de Quiacutemica UnB [41]
A segunda uma mistura de PS OB 47 mais o P3HT na proporccedilatildeo de 11 e a terceira foi
uma soluccedilatildeo de 1 ml de P3HT com 001 ml de OB puro As trecircs soluccedilotildees foram agitadas
durante 2 horas antes de serem depositadas por spin coating Os filmes da camada ativa
foram feitos com rotaccedilatildeo de 4000 rpm durante 40 segundos
Como o clorofoacutermio eacute um solvente que tem evaporaccedilatildeo raacutepida a deposiccedilatildeo da
camada ativa foi feita com o substrato jaacute girando no spin coater A deposiccedilatildeo foi realizada
com ajuda de uma pipeta As secagens das camadas ativas foram em temperatura ambiente
dentro da estufa para proteger as amostras de impurezas tais como poeira e contaminaccedilotildees
em geral
37
Por fim foi pintado no topo das amostras o eletrodo de Ag Foram construiacutedas duas
geometrias para se observar a influecircncia na quantidade de cargas coletadas e tambeacutem a
influecircncia do tamanho da aacuterea ativa As geometrias satildeo mostradas nas figuras 39 (a) e 39
(b)
Figura 3 9 ndash (a) Geometria do eletrodo de Ag confeccionado em forma de ponto e (b)
geometria do eletrodo de Ag feito em forma de trilhas
3422 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W
A fonte de iluminaccedilatildeo utilizada na caracterizaccedilatildeo dos dados experimentais e
resultados II consistiu em uma lacircmpada Hg spektrallamp de 80 W ligada a uma fonte de
alimentaccedilatildeo DROSSEL FUumlR SPEKTRALLAMP POWER SUPPLY FOR SPECTRAL
LAMPS
As medidas eleacutetricas das amostras foram realizadas usando os mesmos
equipamentos jaacute citados nos dados experimentais e resultados I
Cada amostra ficou exposta agrave radiaccedilatildeo direta da lacircmpada de Hg aproximadamente
por 5 minutos Para estas medidas natildeo foram considerados interferecircncia acircngulo de
inclinaccedilatildeo da amostra ou da lacircmpada Os valores de VOC e ISC obtidos para os dois tipos de
contatos para as geometrias desenhadas em forma de ponto e em trilha satildeo mostrados nas
tabelas 36 e 37 respectivamente
38
Tabela 3 6 ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito com um ponto de
prata Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PSOB 47 02 001 2
OB puroP3HT 06 002 12
PSOB 47P3HT 06 002 12
Tabela 3 7ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito de prata em forma de
trilhas com concentraccedilatildeo em um ponto Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PSOB 47 12 006 72
OB puroP3HT 11 005 55
PSOB 47P3HT 11 005 55
3423 ndash Caracterizaccedilatildeo com luz solar direta
As amostras com geometria de contato em forma de trilhas foram escolhidas para
serem caracterizadas pela luz solar direta Pois este grupo de amostra apresentou melhores
desempenhos quando submetidas agrave luz da lacircmpada espectral de Hg em relaccedilatildeo agraves amostras
confeccionadas com eletrodos em forma de ponto As medidas foram realizadas em dia de
sol intenso nos horaacuterios entre onze horas e doze horas Para realizar estas medidas foi
utilizada uma lente convergente [45] Isso foi feito para concentrar os raios solares sobre as
amostras Todas as amostras deste grupo ficaram expostas por aproximadamente 5 minutos
cada Os resultados satildeo mostrados na tabela 38
Tabela 3 8 ndash Resultados obtidos das medidas de VOC e ISC usando luz solar direta durante
5 minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PSOB 47 22 002 44
OB puroP3HT 18 002 36
PSOB 47P3HT 17 001 17
39
3423 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Para as amostras com contato de prata com a geometria desenhada em forma de
trilhas foram observados valores de VOC e ISC maiores do que aqueles com contato de
prata desenhado em forma de ponto Isto indica que realmente a geometria das trilhas
favorece a coleta das cargas geradas Neste caso tambeacutem existe uma aacuterea ativa maior o
que contribuiu para uma maior absorccedilatildeo da luz e consequumlentemente um aumento na
quantidade de cargas
As amostras com a camada ativa de PSOB 47 mostraram VOC e ISC superiores agraves
outras que continham a mistura do P3HT em sua camada ativa
Quando as amostras foram submetidas agrave luz solar direta houve um aumento
significativo de VOC contudo tivemos valores de ISC reduzidos em relaccedilatildeo aos valores
obtidos com a iluminaccedilatildeo da lacircmpada Hg Isto pode ser devido ao calor gerado pelo sol
que promoveu um espalhamento das cargas Pode-se notar que a potecircncia fornecida
tambeacutem diminuiu quando a luz solar foi usada como fonte de luz para caracterizaccedilatildeo das
amostras
343 ndash Experimentos Etapa 2
Para fazer uma investigaccedilatildeo em funccedilatildeo da espessura da camada ativa foram
confeccionadas novas amostras Continuou-se o uso dos trecircs tipos de soluccedilotildees para as
camadas ativas PSOB 47 OB puro+P3HT e PSOB 47 +P3HT Com a teacutecnica de
spin coating quanto maior a velocidade de rotaccedilatildeo menores satildeo as espessuras dos filmes
Para se obter filmes com espessuras adequadas os seguintes paracircmetros devem ser
observados viscosidade da soluccedilatildeo velocidade de rotaccedilatildeo e tempo de rotaccedilatildeo
3431 ndash Preparando novas amostras
Nesta etapa utilizou-se apenas rotaccedilatildeo de 3000 rpm para confeccionar o filme de
PEDOTPSS A deposiccedilatildeo foi feita com o auxiacutelio de uma conta gotas sendo que para cada
filme foram usadas duas pequenas gotas (001ml) Essa quantidade de soluccedilatildeo foi
suficiente para conseguir um espalhamento satisfatoacuterio e obter um filme fino e uniforme
Depois da deposiccedilatildeo os substratos satildeo colocados na estufa a 100 degC durante 15 minutos
para concluir o processo de secagem
40
Os trecircs tipos de camadas ativas foram preparadas seguindo o procedimento citado
na etapa 1 dos dados experimentais e resultados II Para esse grupo de amostra foi usado
um programa para o espalhamento do filme da camada ativa com uma rotaccedilatildeo fixa de 6000
rpm durante 25 segundos
Para depositar a mistura da camada ativa usou-se uma pipeta com 01 ml de
soluccedilatildeo Primeiramente depositou-se a mistura e em seguida colocou-se o spin coater
para girar atraveacutes do programa de rotaccedilatildeo previamente programado Esse procedimento
garante a uniformidade do filme As amostras foram levadas para a estufa a 100 degC por 20
minutos
O eletrodo superior foi pintado agrave matildeo O esquema usado para a confecccedilatildeo dos
dispositivos e a foto de uma amostra satildeo mostrados na figura 310 As amostras foram
confeccionadas seguindo o esquema mostrado na figura 310 (b) Todas as amostras deste
grupo tiveram um desenho semelhante ao da foto da figura 310 (a) Pois existem
variaccedilotildees nas espessuras dos contatos de Ag pois foram feitos a matildeo livre e sem muito
controle Isso pode ser um problema pois este eleacutetrodo pode aumentar a resistecircncia da
amostra fazendo diminuir as correntes coletadas das cargas geradas pelo dispositivo
Figura 3 10 ndash (a) Foto da amostra (b) Estruturas das camadas dos dispositivos das
novas amostras
41
3431 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W
Usou-se para este grupo de amostras os mesmos procedimentos de caracterizaccedilotildees
para as medidas de o VOC e ISC descrito na etapa 1 dos dados experimentais e resultados II
Para cada medida as amostras ficaram expostas sob o feixe de luz da lacircmpada de Hg que
foi focalizada diretamente na aacuterea ativa por aproximadamente cinco minutos
A aacuterea ativa foi estimada em torno de 05 cmsup2 Foram confeccionadas nove
amostras e os valores de VOC e ISC das amostras que apresentaram melhores desempenhos
satildeo apresentadas na tabela 39
Tabela 3 9 ndash Medidas de VOC e ISC para amostras iluminadas pela lacircmpada Hg 80 W
aproximadamente cinco minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) P (nW)
PS OB 47 21 009 189
OBP3HT 18 002 36
PSOB 47P3HT 17 001 17
3433 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar direta
O mesmo grupo de amostras foi exposto sob luz solar direta em horaacuterio de sol
intenso entre onze horas e doze horas Todas as amostras tiveram um tempo de exposiccedilatildeo
de aproximadamente cinco minutos Os valores de VOC e ISC medidos podem ser vistos na
tabela 310 Nestes experimentos a lente convergente tambeacutem foi utilizada Poreacutem natildeo
foram observados acircngulos de incidecircncia e nem mudanccedila da irradiaccedilatildeo solar As medidas de
VOC e ISC foram realizadas em dia de sol forte e sempre no mesmo horaacuterio A figura 311
mostra como as medidas foram realizadas Para concentrar os raios solares usou-se uma
lente de aumento As medidas foram aferidas com uso de multiacutemetro digital descrito
anteriormente com cabos e garras de jacareacute comuns
42
Figura 3 11 ndash Ilustraccedilatildeo do experimento realizado com uma amostra tendo o contato
desenhado com a geometria em forma de trilhas camada ativa de PS OB 47
Para manter um padratildeo para todas as medidas a distacircncia entre a lente e a amostra
foram padronizadas a fim de que a intensidade de luz solar concentrada sobre cada
dispositivo fosse aproximadamente agrave mesma
Tabela 3 10 ndash Valores de VOC e ISC para amostras iluminada sob luz solar direta expostas
durante cinco minutos cada
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PS OB 47 62 009 558
OBP3HT 33 003 99
PSOB 47P3HT 25 002 50
3434 ndash Curva caracteriacutestica de corrente versus tensatildeo aplicada (IndashV)
A partir desta etapa as caracterizaccedilotildees eleacutetricas dos dispositivos tambeacutem foram
realizadas atraveacutes das medidas das curvas IndashV As medidas foram realizadas no escuro e
sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio Para estes experimentos foram usados os trecircs tipos de
camadas ativas jaacute mencionadas para confeccionar os dispositivos
Os experimentos das medidas foram realizados em sala com temperatura e pressatildeo
atmosferica ambiente e iluminaccedilatildeo de lacircmpadas comuns Tambeacutem foram realizados testes
43
usando a lacircmpada de Hg iluminando diretamente a parte superior da amostra Contudo
natildeo foram observadas mudanccedilas significativas nas medidas para este grupo de amostras
Figura 3 12 ndash Ilustraccedilatildeo da polarizaccedilatildeo direta para amostras com P3HT e gota de
PEDOTPSS para medidas das curvas (IndashV)
Para evitar que a agulha perfurasse o filme fino de PEDOTPSS e atingisse o filme
de FTO uma gota mais espessa de PEDOTPSS foi colocada sobre o filme no ponto onde
a agulha fazia o contato conforme mostra a figura 312
As amostras foram submetidas a uma tensatildeo que variou de um valor maacuteximo a um
valor miacutenimo com passo conhecido e constante de 002 Com os dados coletados nesse
experimento os graacuteficos de corrente versus tensatildeo aplicada foram gerados Este graacutefico eacute
conhecido como curva caracteriacutestica do dispositivo Os resultados obtidos satildeo mostrados
nas figuras 313 314 e 315 foram obtidas sob iluminaccedilatildeo comum do laboratorio LDCI
A figura 313 mostra a curva caracteriacutestica do dispositivo com a camada ativa de
PSOB 47 A iluminaccedilatildeo foi realizada com a lacircmpada do equipamento Keither 2400 e
iluminaccedilatildeo ambiente do laboratoacuterio LDCI (ambas satildeo luz branca) Para polarizaccedilatildeo direta
de -2 a 2 V foram observados valores de VOC de 09 volts enquanto que a corrente de 003
A foi negativa
A figura 314 mostra a curva IndashV para amostra com camada ativa usando
P3HT+OB puro Para essa amostra os valores de VOC = 002 V e ISC 0013 A foram
obtidos
A figura 315 mostra a curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PSOB
47 +P3HT Os valores de VOC = 11 V e ISC 00124 A foram observados neste graacutefico
44
Figura 3 13 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47 Corrente e
tensatildeo observadas 003 uA e 09 Volts respectivamente
Figura 3 14 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de OB puro + P3HT Corrente
e tensatildeo observadas 0013 uA e 002 Volts respectivamente
45
Figura 3 15 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47+P3HT
Corrente e tensatildeo observadas 0012 uA e 11 volts respectivamente
3435 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Aqui jaacute eacute possiacutevel notar um progresso nas medidas em relaccedilatildeo agraves amostras das
etapas anteriores que possuiacuteam camada ativa mais espessa Os valores de VOC e ISC obtidos
com o multiacutemetro digital foram maiores para os dois tipos de iluminaccedilotildees lacircmpada Hg e
luz solar Estes resultados podem ser observados nas tabelas 39 e 310 Os resultados
mostram que o comportamento das amostras com camada ativa de PSOB 47
apresentaram melhores resultados Nota-se que a potecircncia fornecida pelas amostras
iluminadas pela luz solar natural eacute significantemente maior que quando iluminadas pela
lacircmpada de Hg
Nas amostras confeccionadas com blenda de OB puro+P3HT e PSOB 47
+P3HT foram observados resultados semelhantes tanto para VOC quanto para ISC
As trecircs amostras apresentaram comportamento distinto sendo que a amostra com
camada ativa feita com o PSOB 47 o resultado eacute mais parecido com o efeito
fotovoltaico e por isso eacute mais relevante
46
Para as proacutexinas amostras natildeo seraacute mais empregado o uso do P3HT Pois como foi
mostrado nos resultados seu uso natildeo favoreceu melhoras nas medidas Apesar dos
resultados apresentados e conseguidos ateacute aqui serem pequenos ainda assim podem ser
considerados satisfatoacuterios e promissores Pois se trabalhou com materiais novos e estaacute
empregando poliacutemeros isolantes de baixo custo usando oacuteleo vegetal como dopante
Reforccedilando a motivaccedilatildeo para o uso destes materiais no desenvolvimento em dispositivos
fotovoltaicos orgacircnicos
35 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS III
351 ndash Experimentos Etapa 1
Nesta etapa as pesquisas foram centralizadas em misturas de poliacutemeros isolantes
dopados com OB Aleacutem da mistura do PS com OB estudado anteriormente tambeacutem foi
incorporado agrave pesquisa a mistura do PMAM com OB Estudos recentes de Duratildees et al [8]
sobre a absorccedilatildeo de luz destes materiais na faixa de ultravioleta e luz visiacutevel mostraram
que quando o OB eacute adicionado agraves matrizes de PS e de PMAM um aumento significante
na absorccedilatildeo da luz eacute observado
As amostras dos dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos consistiram em camada ativa
contendo PS puro PS com 47 OB PMAM puro e PMAM com 35 de OB
As amostras foram ensanduichadas entre dois eletrodos PEDOT PSS e Ag A
caracterizaccedilatildeo eleacutetrica para as medidas de VOC e ISC foi realizada com a iluminaccedilatildeo da
lacircmpada de Hg 80 W e luz solar As curvas IndashV foram mensuradas usando um sistema de
caracterizaccedilatildeo de semicondutores Keithey 2400
3511 ndash Confecccedilatildeo das amostras usando PS e PMAM 1ordm grupo
Os dispositivos foram preparados sobre um substrato de vidro recoberto com
camada de FTO a resistecircncia da lacircmina eacute de aproximadamente 41-60 Ω
Os filmes de PEDOT PSS foram confeccionados com rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante
25 segundos e secos em estufa a 80 degC por 15 minutos Apoacutes os filmes das camadas ativas
das amostras serem feitos usando rotaccedilatildeo de 5000 rpm por 40 segundos foram secos em
estufa a 100 Cdeg por 15 minutos
47
Por fim foi usada a tinta de Ag para fazer o eletrodo superior Esse eletrodo foi
pintado com pincel comum de cerdas finas O contato superior foi pintado em forma de
linhas sobre o filme da camada ativa conforme mostrado na Figura 310
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo usando lacircmpada de Hg 80 W
As mesmas formas descritas anteriormente de caracterizaccedilatildeo foram utilizadas aqui
para fazer as medidas de VOC e ISC Os resultados obtidos com iluminaccedilatildeo da lacircmpada de
Hg durante cinco minutos de exposiccedilatildeo para o 1ordm grupo de amostra satildeo mostrados na
tabela 311
Tabela 3 11 ndash Resultados das medidas de ISC e VOC das amostras do 1ordm grupo sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpada durante 05 minutos de exposiccedilatildeo
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W)
PS puro 02 000 00
PSOB 47 08 003 0024
PMAM puro 02 000 00
PMAMOB 35 06 002 0012
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar
Foram usados os mesmos procedimentos e instrumentos descritos anteriormente
para obter as medidas de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo de luz solar direta usando-se lentes
convergentes durante cinco minutos de exposiccedilatildeo A tabela 312 mostra os valores
obtidos
Tabela 3 12 ndash Resultados para ISC e VOC sob iluminaccedilatildeo luz solar por aproximadamente
05 minutos de exposiccedilatildeo
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W)
PS puro 11 001 0011
PSOB 47 39 006 0234
PMAM puro 09 002 0018
PMAMOB 35 27 004 0108
48
3512 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Como pode ser visto nas tabelas 311 e 312 os valores de VOC e ISC para as
amostras contendo PS puro e PMAM puro mostraram desempenhos inferiores que aquelas
com adiccedilatildeo do OB Nas caracterizaccedilotildees sob luz solar os desempenhos das amostras foram
superiores quando comparados com os valores obtidos sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada de Ag
Apesar da amostra com camada ativa da mistura de PMAMOB 35 ter mostrado valores
mais baixos quando comparados agrave amostras contendo camada ativa com a mistura de
PSOB 47 ela ainda tem valores superiores agravequeles mostrados quando a camada ativa
era composta por misturas de PSOB 47 +P3HT
352 ndash Experimentos Fase 2
3521 ndash Confecccedilatildeo das amostras do 2ordm grupo
Para o 2ordm grupo de amostras foram confeccionadas quinze unidades sendo que
foram reproduzidas mais de uma amostra para cada tipo de camada ativa Isto foi feito para
observar a reprodutibilidade das amostras e a repetibilidade das medidas As amostras
foram nomeadas de A5 a A19 Todas as amostras seguiram os mesmos criteacuterios de
confecccedilatildeo jaacute mencionados anteriormente Para este grupo foi usada uma rotaccedilatildeo maior no
spin coater
Para fazer o filme de PEDOTPSS foi usada uma rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante
trinta segundos Para a deposiccedilatildeo da camada ativa foi usada uma rotaccedilatildeo de 6000 rpm
durante sessenta segundos Neste caso as amostras foram secas em temperatura ambiente
Este conjunto de amostras deve possuir filmes mais finos que os filmes das amostras
anteriores devido ao aumento da rotaccedilatildeo do spin coater durante a deposiccedilatildeo
Para medir a aacuterea ativa com mais precisatildeo para este grupo de amostras os contatos
superiores de Ag foram desenhados em apenas um ponto A confecccedilatildeo dos dispositivos
seguiu a configuraccedilatildeo das camadas e a geometria do eletrodo de Ag conforme o esquema
mostrado na figura 316 O contato de prata foi pintado em forma de retacircngulo que
representa a aacuterea ativa e ficou em torno de 010cm2
49
Figura 3 16 ndash Estruturas das camadas e do contato de Ag dos dispositivos fotovoltaicos
orgacircnicos usado para o 2 ordm grupo de amostras
3522 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar
Este grupo de amostras foi submetido somente agrave caracterizaccedilatildeo de luz solar direta
As medidas foram realizadas em dias diferentes a fim de observar a repetibilidade das
medidas dos dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos confeccionados
Os dados da tabela 313 mostram medidas de VOC e ISC realizadas entre dez e onze
horas da manhatilde sob sol intenso e usando lentes convergentes Para estas amostras o
tempo de exposiccedilatildeo foi de aproximadamente dez minutos Com tempo de exposiccedilatildeo
maior e usando lentes convergentes as amostras A5 A6 A7 e A8 se aqueceram muito e
se danificaram Contudo valores de VOC obtidos foram bem superiores
Foram realizadas medidas em dois dias usando as amostras A9 A10 A11 A13
A14 A15 A16 A17 A18 e A19 para observar a repetibilidades das medidas As tabelas
14 e 15 mostram medidas de VOC e ISC realizadas nos dias 12052009 e 18052009
respectivamente entre dez e onze horas da manhatilde sob sol forte e usando lentes
convergentes para concentrar os raios solares na camada ativa da amostra
Tabela 3 13 ndash Medidas realizadas para as amostras A5 A6 A7 sob iluminaccedilatildeo solar
direta durante 10 minutos
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W) Amostra
PS puro 18 004 0072 A5
PS OB 47 49 008 0392 A6
PMAM puro 11 001 0011 A7
PMAMOB 35 48 005 024 A8
50
Tabela 3 14 ndash Medidas realizadas no dia 12052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W) Amostra
PS OB 47 11 003 0033 A9
PS puro 08 0 0 A10
PS puro 1 001 001 A11
PS OB 47 19 003 0057 A13
PS OB 47 11 003 0033 A14
PS OB 47 12 002 0024 A15
PMAM puro 09 001 0009 A16
PMAM puro 07 001 0007 A17
PMAMOB 35 11 001 0011 A18
PMAMOB 35 14 005 007 A19
Tabela 3 15 ndash Medidas realizadas no dia 18052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W) Amostra
PS OB 47 12 004 0048 A9
PS puro 06 01 006 A10
PS puro 08 001 008 A11
PS OB 47 21 004 0084 A13
PS OB 47 15 003 0045 A14
PS OB 47 10 002 002 A15
PMAM puro 07 001 00007 A16
PMAM puro 08 001 00008 A17
PMAMOB 35 12 003 0036 A18
PMAMOB 35 13 005 0065 A19
3523 ndash Curva caracteriacutestica corrente versus tensatildeo (IndashV)
Foram realizadas medidas das curvas IndashV usando o sistema de caracterizaccedilatildeo de
semicondutores Os procedimentos adotados foram descritos anteriormente Para estas
amostras foram usadas quatro tipos de camada ativa PS puro PSOB 47 PMAM puro e
51
PMAMOB 35 As medidas das curvas IndashV foram realizadas no escuro e sob iluminaccedilatildeo
natural do laboratoacuterio LDCI
Natildeo foram observadas grandes influecircncias sobre o efeito da iluminaccedilatildeo nas
amostras pois as curvas IndashV obtidas no escuro e no claro apresentaram valores parecidos
para VOC e ISC
Para a camada ativa confeccionada com o poliacutemero PS puro (figura 317) a curva
IndashV realizada no escuro e no ambiente iluminado mostra uma superposiccedilatildeo das curvas
O dispositivo com camada ativa feita de PSOB 47 mostrada na (figura 318)
natildeo se observa diferenccedila significativa nas curvas obtidas no escuro e com iluminaccedilatildeo do
laboratoacuterio O mesmo pode ser observado na (figura 319) onde a camada ativa eacute feita de
PMAM puro Contudo observou-se uma leve diferenccedila nas curvas mostradas na (figura
320) para a amostra confeccionada com camada ativa da mistura de PMAMOB 35
Onde houve um pequeno deslocamento para a corrente
Figura 3 17 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PS puro No escuro e sob
iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
52
Figura 3 18 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PSOB 47 No escuro e
sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
Figura 3 19 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAM puro No escuro
e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
53
Figura 3 20 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAMOB 35 No
escuro e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
3524 ndash Medida de espessura
As espessuras dos filmes foram medidas usando um Perfilocircmetro Dektak 150
VEECO Os filmes de PEDOTPSS depositados pela teacutecnica de spin coating usando
rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante quarenta segundos apresentaram espessuras na ordem de 180
nanocircmetros
Os procedimentos para medir as espessuras consistiram em medir vales e
superfiacutecie Para realizar as medidas dos filmes um risco foi feito usando a ponta de um
estilete conforme mostra a figura 321 O risco foi percorrido com a ponta do perfilocircmetro
com distacircncia de 500 m no sentido transversal Para obter a espessura do filme mede-se
entatildeo a diferenccedila de altura entre um ponto de referecircncia R fundo do vale e M superfiacutecie do
filme conforme mostrado na figura 322 Os procedimentos foram realizados em trecircs
diferentes regiotildees da amostra onde foi obtido um valor meacutedio da espessura do filme
54
Figura 3 21 ndash Risco feito no filme da amostra onde a ponta do perfilocircmetro executou a
varredura
Figura 3 22 ndash Medindo a diferenccedila da altura entre os cursores (R - reference) e (M -
measurement) para determinar a espessura do filme
Todos os quatro tipos de filmes usados para formar as camadas ativas dos
dispositivos que foram depositados por spin coating tiveram suas espessuras medidas Para
cada amostra foram feitos trecircs riscos em pontos alternados a fim de se verificar a
uniformidade na espessura Os riscos seguiram o exemplo ilustrado na figura 321 Os
resultados das trecircs medidas e o seu valor meacutedio para cada filme satildeo mostrados nas tabelas
316 e 317
A tabela 316 mostra os resultados das medidas de espessuras de filmes depositados
com rotaccedilatildeo de 5000 rpm durante 60 segundos A tabela 317 mostra os valores das
afericcedilotildees das espessuras para os filmes depositados com rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante 60
segundos Pode-se observar que os filmes feitos com rotaccedilotildees maiores apresentaram
valores de espessuras menores Tambeacutem eacute observado que a adiccedilatildeo do OB nas matrizes
polimeacutericas isolantes tende a camadas mais espessas mesmo para um mesmo valor de
rotaccedilatildeo quando comparada com os filmes sem o OB
55
Tabela 3 16 ndash Medida dos pontos e a media medida dos filmes das camadas ativas feitos
com rotaccedilatildeo de 5000 rpm Valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M
Camada ativa 1deg Ponto (nm) 2deg Ponto (nm) 3deg Ponto (nm) Meacutedia (nm)
PS puro 194 202 189 195
PS OB 47 283 305 296 2946
PMAM puro 127 90 105 1073
PMAM OB 35 235 269 259 2543
Tabela 3 17 ndash Medida dos pontos e a media dos filmes das camadas ativas feitos com
rotaccedilatildeo de 6000 rpm O valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M
Camada ativa 1deg ponto (nm) 2deg ponto (nm) 3deg ponto (nm) Meacutedia (nm)
PS puro 126 130 128 128
PS OB 47 221 218 208 2156
PMMA puro 76 113 97 953
PMMA OB 35 196 163 180 1796
3524 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Pode-se observar nestas medidas que as amostras contendo misturas de PSOB
47 em sua camada ativa mostraram resultados melhores que as outras amostras
analisadas Tambeacutem foi comprovado que as amostras podem ser reproduzidas sendo que
suas medidas foram repedidas As amostras que foram feitas em duplicatas ou triplicadas
possuem valores de VOC e ISC muito parecidos confirmando assim a reprodutibilidade na
sua fabricaccedilatildeo Atraveacutes das tabelas 314 e 315 pode ser observado que os valores obtidos
satildeo repetidos em dias diferentes mesmo assim natildeo ocorreram diminuiccedilotildees nos valores
medidos de VOC e ISC
Para as curvas IndashV coletadas no laboratoacuterio no escuro e sob iluminaccedilatildeo ambiente
para os dispositivos com camadas ativas com misturas das matrizes polimeacutericas de PSOB
47 e PMAM OB 35 (figuras 318 319 319 e 320) natildeo foram detectadas variaccedilotildees
relevantes entre os diferentes tipos de camadas ativas sob diferentes condiccedilotildees de
iluminaccedilatildeo O intrigante nestas medidas eacute que o mesmo efeito que aparece no claro
aparece tambeacutem no escuro As curvas tendem a um comportamento com resistecircncia de
56
diferencial negativa proacuteximo a tensotildees mais baixas Talvez isso aconteccedila devido agrave
caracteriacutestica intriacutenseca dos materiais utilizados nas confecccedilotildees das amostras
353 ndash Experimentos Etapa 3
3531 ndash Confecccedilatildeo das amostras com parte do FTO removido
Nesta etapa os dispositivos tambeacutem foram preparados sobre substrato de vidro o
mesmo tipo usado anteriormente Poreacutem aqui antes de fazer a deposiccedilatildeo dos filmes parte
do FTO foi removida do substrato de vidro A corrosatildeo do FTO foi feita utilizando uma
tinta homogecircnea preparada com poacute de zinco (Zn)
Para conservar parte do FTO no substrato foi utilizada fita adesiva sendo tambeacutem
possiacutevel utilizar tinta ou esmalte [46] Com parte do FTO protegido o substrato foi
mergulhado em soluccedilatildeo diluiacuteda de aacutecido cloriacutedrico (HCI)
Apoacutes a etapa de corrosatildeo as lacircminas passaram por um processo de limpeza Os
substratos foram limpos para retirar gorduras e resiacuteduos quiacutemicos
A corrosatildeo se fez necessaacuteria para evitar curto circuito entre os eletrodos de contato
do dispositivo Mudou-se a geometria dos substratos porque em algumas medidas de
curvas IndashV que foram obtidas em algumas amostras obteve-se curvas do tipo ocirchmico Isto
pode ter ocorrido porque o eletrodo de FTO estava ocupando toda a superfiacutecie do
substrato de vidro e pode ter ocorrido que na hora das medidas a agulha do equipamento
de medidas pode ter perfurado os filmes das camadas do dispositivo medindo apenas o
filme de FTO que apresenta curva puramente ocirchmica Assim com parte do FTO retirado
garante que a corrente flua apenas pelas camadas dos filmes do dispositivo A geometria
da lacircmina de vidro apoacutes a corrosatildeo pode ser visualizada na figura 323
Figura 3 23 ndash Geometria da lacircmina de vidro apoacutes corrosatildeo do FTO
57
Com o substrato limpo e seco e com a nova geometria desenvolvida segue para a
etapa da deposiccedilatildeo do poliacutemero condutor PEDOTPSS que serviu de um dos eletrodos A
deposiccedilatildeo foi realizada sobre toda a lacircmina de vidro conforme mostra o esquema da figura
324 O filme foi feito usando a teacutecnica de spin coating com rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante
cinquumlenta e cinco segundos o filme foi seco em estufa a 50 degC por 15 minutos
Os materiais utilizados como camada ativa foram PS puro PSOB 47 PMAM
puro e PMAMOB 35 Os diferentes tipos de camadas ativas foram depositados sobre a
estrutura vidroFTOPEDOTPSS usando a teacutecnica de spin coating com rotaccedilatildeo de 7000
rpm durante quarenta segundos Os filmes das camadas ativas foram secos em temperatura
ambiente
O outro eletrodo foi pintado sobre a camada ativa com tinta condutora de Ag A
estrutura vidroFTOPEDOT PSScamada ativaAg do dispositivo final pode ser vista na
figura 324 A regiatildeo ativa tem aacuterea de aproximadamente 009 cm2
Figura 3 24 ndash Geometria das camadas do dispositivo
3532 ndash Caracterizaccedilatildeo das curvas (IndashV )
As amostras foram caracterizadas atraveacutes das curvas IndashV Na figura 325 satildeo
mostradas comparaccedilotildees entre resultados obtidos para camadas ativas com o PS puro e
PSOB 47 Na figura 326 satildeo mostradas comparaccedilotildees entre resultados obtidos para
camadas ativas com o PMAMOB 35 Foi observado que para as camadas ativas sem o
OB o comportamento da curva Indash V eacute puramente ocirchmico ou seja linear Pode-se ressaltar
58
um comportamento resistivo para o filme utilizado nessa camada ativa enquanto que para
o filme da camada ativa com OB as curvas natildeo satildeo lineares
Outro detalhe a ser notado foi que para os filmes de PS puro e PSOB 47 as
correntes obtidas satildeo maiores que para os filmes confeccionados com PMAM puro e
PMAMOB 35 isto concorda com os resultados obtidos atraveacutes da iluminaccedilatildeo onde os
valores de VOC e ISC tambeacutem se apresentaram maiores
O dispositivo feito com o PS puro apresenta uma resistecircncia maior que o
dispositivo feito com PMAM puro isto talvez aconteccedila devido agraves diferenccedilas nas
espessuras das camadas ou nas propriedades intriacutensecas do material
Como pode ainda ser observadas nas figuras 325 e 326 quando se usou camada
ativa contendo o OB em sua mistura mudanccedilas ocorreram nos comportamentos das curvas
IndashV O comportamento da curva natildeo eacute mais linear e apresenta simetria para as duas
polarizaccedilotildees aplicadas (-V+V) Nos casos das curvas observadas para as camadas ativas
contento OB observou-se curvas semelhantes agrave curva de um diodo do tipo metal isolante
metal (MIM) [47]
Figura 3 25 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PS puro
e PS OB 47
59
Figura 3 26 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PMAM
puro e PMAMOB 35
Para quase todas as amostras que confeccionamos nas condiccedilotildees descritas acima
teve-se respostas nas medidas eleacutetricas para as caracterizaccedilotildees das curvas IndashV realizadas
no laboratoacuterio LDCI Foi observado que os dispositivos contendo OB apresentaram um
efeito fotovoltaico em temperatura ambiente As medidas foram realizadas no escuro e
com iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio Nas figuras 327 e 328 satildeo mostradas as curvas IndashV para
os dispositivos confeccionados com camadas ativas de PSOB 47 e PMAMOB 35
respectivamente
Em quase todas as amostras que foram realizadas as medidas das curvas IndashV o
efeito fotovoltaico foi observado Pode-se observar nesses resultados um aumento da
fotocorrente quando as amostras foram iluminadas
60
Figura 3 27 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PSOB
47 no claro e escuro
Figura 3 28 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de
PMAMOB 35 no claro e escuro
61
3533 - Anaacutelise e discussatildeo
Paras esses dispositivos natildeo foram apresentados os caacutelculos da eficiecircncia ( nem o
valor de IPCE porque para determinar tais paracircmetros dos dispositivos fotovoltaicos seraacute
necessaacuterio conhecer a I0 e mencionados no capiacutetulo II Poreacutem para as medidas
realizadas nesta pesquisa natildeo foram considerados o coeficiente de massa de ar o acircngulo
de inclinaccedilatildeo da luz incidente na amostra nem o comprimento de onda Paracircmetros que soacute
seratildeo determinados usando-se um sistema utilizado para caracterizaccedilatildeo de dispositivo
fotovoltaico No momento natildeo havendo disponibilidade de tal equipamento no laboratoacuterio
Observou-se que a inserccedilatildeo de OB em matrizes polimeacutericas isolantes tais como a
de PMAM e PS promoveram a absorccedilatildeo de foacutetons e portanto a formaccedilatildeo de eacutexciton Os
VOC foram de 008 V para o PMAMOB 35 e 03 V para PSOB 47 No caso do valor
de VOC obtidos para o PSOB 47 o nuacutemero eacute aproximadamente o mesmo valor da
diferenccedila da funccedilatildeo trabalho entre o PEDOTPSS (49 eV ) e a Ag (46 eV) No entanto
para o PMAMOB 35 este nuacutemero eacute inferior agrave diferenccedila da funccedilatildeo trabalho entre
PEDOTPSS e a Ag Aqui vale a pena ressaltar que as funccedilotildees trabalho do PEDOTPSS
podem variar entre 48 e 49 eV e a funccedilatildeo trabalho da prata podem variar de 452 eV e
474 eV dependendo da interface entre os materiais da camada ativa Assim pegou-se o
valor de 474 eV para a funccedilatildeo trabalho da prata e de 48 eV para o PEDOTPSS obteve-se
um valor de 006 eV o qual estaacute bastante proacuteximo do valor de 008 eV que eacute a tensatildeo de
circuito aberto obtida para a amostra de PMAMOB 35 Os valores de VOC satildeo limitados
pelo potencial de contato ou pelas diferenccedilas entre a funccedilatildeo trabalho dos eletrodos Sendo
assim neste sistema natildeo eacute possiacutevel conseguir tensotildees de VOC maiores Entretanto se for
utilizado materiais onde as funccedilatildeo trabalho dos eletrodos sejam muito diferentes poderaacute
obter VOC ainda maiores Os resultados obtidos nesse trabalho satildeo menores que os
relatados em trabalhos publicados [48-52] Contudo trabalhou-se com novos materiais
abundantes e baratos Aleacutem de se ter usado oacuteleo vegetal que eacute um material natural e que se
acredita no seu potencial para em breve obter melhores resultados
354 Caracterizaccedilatildeo dos Materiais por Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM)
Um dos paracircmetros importantes nos filmes polimeacutericos eacute a topologia pois a partir
dela se se pode inferir a uniformidade das camadas A questatildeo da uniformidade da
superfiacutecie dos materiais em Eletrocircnica Orgacircnica eacute importante porque permite conhecer o
62
desempenho eletrocircnico dos filmes Fatores como injeccedilatildeo e o transporte de cargas podem
ser facilitados ou bloqueados dependendo da espessura da camada polimeacuterica e da sua
regularidade fiacutesica ou quiacutemica [53] Neste sentido eacute importante investigar a topografia dos
materiais para que se possam entender fenocircmenos de transporte eletrocircnico que podem
ocorrer ou natildeo sob influecircncia da morfologia
As imagens por microscopia de forccedila atocircmica (AFM) revelaram diferenccedilas entre
filmes com as matrizes polimeacutericas puras e filmes com as matrizes modificadas com OB
O PS puro mostrou uma superfiacutecie suave com alguns relevos dispersos na aacuterea de
varredura (Figura 329) A presenccedila de oacuteleo de buriti nesta matriz polimeacuterica modificou
significativamente a superfiacutecie do material Houve formaccedilatildeo de pequenos e numerosos
gloacutebulos que ocorrem em um periacuteodo de espaccedilo muito pequeno resultando em uma
superfiacutecie aparentemente rugosa (Figura 330) Para o material PSOB 47 eacute possiacutevel
observar uma maior ocorrecircncia de picos regiotildees mais claras confirmando a possibilidade
da rugosidade do material
Figura 3 29 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS puro obtida por AFM no modo
contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
63
Figura 3 30 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS OB 47 por AFM modo contato
Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
A superfiacutecie do PMAM ao contraacuterio da superfiacutecie do PS apresentou possiacutevel
protuberacircncia ou gloacutebulos esfeacutericos em toda aacuterea de varredura (Figura 331) Haacute aacutereas onde
existe uma grande incidecircncia de vales identificados na figura por regiotildees mais escuras
Essas podem ser localizadas nas extremidades da amostra enquanto que no centro da
superfiacutecie haacute grandes nuacutemeros de picos indicando a possibilidade de ser um material com
bastante rugosidade
64
Figura 3 31 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PMAM puro obtida por microscopia
de forccedila atocircmica no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
Figura 3 32 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PAMAM OB 35 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
65
A presenccedila de OB na concentraccedilatildeo de 35 na matriz de PMAM resultou em
pequenas mudanccedilas na topografia do material (Figura 332) Natildeo houve grandes mudanccedilas
na morfologia da superfiacutecie do filme que possa ser determinada visualmente Entretanto a
geometria dos gloacutebulos foi alterada de uma forma arredondada (Figura 331) para uma
forma pontiaguda (Figura 332)
Outro material estudado foi o P3HT com OB puro e o P3HT + PSOB 47 A
superfiacutecie do filme de P3HTOB puro (Figura 334) tambeacutem mostrou um material com
possiacuteveis rugosidade em sua superfiacutecie entretanto a diferenccedila entre esta superfiacutecie e a
topografia do material P3HT+ PSOB 47 (figura 335) estaacute no tamanho das estruturas
que compotildeem a superfiacutecie de ambos os materiais
Figura 3 33 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HTOB puro obtida por AFM no
modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
66
Figura 3 34 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HT+PS OB 47 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
A Figura 333 revela estruturas menores que consequumlentemente ocupam um
espaccedilo menor dentro da aacuterea de varredura e por isso se apresentam em grande nuacutemero
resultando a possibilidade de rugosidade mais alta
A Figura 334 mostra estruturas do material P3HT+PS OB 47 que apresentam
geometrias similares agrave do material P3HTOB puro contudo com dimensotildees maiores
Desta forma estas estruturas ocupam um espaccedilo maior dentro da aacuterea de varredura e se
apresentam em menor quantidade proporcionando possiacuteveis rugosidades em tamanhos
menores que o P3HT OB puro
67
Capiacutetulo IV
Conclusotildees e Recomendaccedilotildees
68
4 ndash CONCLUSOtildeES E RECOMENDACcedilOtildeES
Atraveacutes destes estudos preliminares em linhas gerais os dispositivos projetados
construiacutedos e as medidas obtidas neste trabalho permitem direcionar para a construccedilatildeo e
caracterizaccedilatildeo de dispositivos fotovoltaicos baseados no uso do OB como dopante Os
dados obtidos satildeo bastante promissores e sinalizam para o alcance do sucesso na
construccedilatildeo desses dispositivos a partir de matrizes modificadas com OB
Os resultados apresentados no capiacutetulo III no toacutepico referente aos dados
experimentais e resultados I foram dos dispositivos desenvolvidos baseados no modelo
dos dispositivos fotovoltaicos desenvolvidos por Graumltzel com o propoacutesito de observar o
OB como eletroacutelito da camada ativa Medidas de VOC e ISC para as amostras
confeccionadas foram mensuradas embora os resultados obtidos fossem baixos quando
comparados com a literatura Contudo os materiais empregados satildeo novos e mostraram
promissores
No contexto dos dados experimentais e resultados I apresentou-se o
desenvolvimento de dispositivos usando o substrato de PET desenvolvendo a
configuraccedilatildeo de dispositivo fotovoltaico orgacircnico monocamada direcionados na busca de
substratos flexiacuteveis de menor custo no propoacutesito de substituir o substrato de vidro
recoberto com FTO Para estes dispositivos consegui-se obter valores de VOC e ISC sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpada usando um multiacutemetro para as referidas medidas Entretanto esse
tipo de substrato apresentou diversas inviabilidades conforme relatado nesta pesquisa
Novamente trabalhou-se com substrato de vidro recoberto com FTO com
configuraccedilatildeo de dispositivo fotovoltaico orgacircnico monocamada Acredita-se que as
espessuras dos filmes das camadas ativas possam ter influenciado nos baixos resultados
obtidos Ateacute essa etapa dos experimentos as camadas ativas eram construiacutedas
manualmente proporcionando assim camadas ativas espessas
Os resultados apresentados no toacutepico referente aos dados experimentais e resultados
II abordaram a configuraccedilatildeo monocamada em substrato de vidro recoberto com FTO onde
se fez o uso de camadas ativas com poliacutemero semicondutor P3HT misturado com OB Para
efeito de comparaccedilatildeo construiu-se camada ativa usando o PS um poliacutemero isolante
misturado com 47 de OB A partir destes experimentos os filmes dos dispositivos foram
confeccionados com spin coater o que proporcionou a construccedilatildeo de filmes mais finos
As caracterizaccedilotildees foram realizadas usando lacircmpadas e luz solar direta para
medidas de VOC e ISC com o multiacutemetro tambeacutem foram realizadas caracterizaccedilotildees com
69
curvas I-V sob a luz ambiente do laboratoacuterio As curvas levantadas mostraram efeitos
semelhantes ao efeito fotovoltaico para os materiais das camadas ativas pesquisadas Pelos
resultados obtidos nessa etapa do trabalho observou-se que as amostras confeccionadas
com o poliacutemero isolante misturado com o OB apresentaram melhores desempenhos
Embora jaacute existam resultados na literatura usando o semicondutor P3HT para fazer
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos com desempenho relativamente alto nas pesquisas
desenvolvidas nesse trabalho o uso do P3HT natildeo sinalizou vantagens em relaccedilatildeo ao uso
do poliacutemero isolante PS
Nesse trabalho as pesquisas foram focadas apenas em materiais de baixo custo
que proporcionaram resultados animadores usando o poliacutemero PS misturado com OB
Os resultados apresentados nos toacutepicos que abrangem os dados experimentais e
resultados III abordaram o uso dos poliacutemeros isolantes PS e PMAM modificados com OB
na configuraccedilatildeo de dispositivo fotovoltaico em monocamada usando substrato de vidro
recoberto com FTO Foram realizadas medidas eleacutetricas diretas dos dispositivos sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpadas e iluminaccedilatildeo solar fazendo-se uso de multiacutemetro para as medidas
Tendo respostas interessantes com estes experimentos pois as medidas foram realizadas
com multiacutemetros comuns com cabos que apresentam impedacircncias que agregaram perdas
substanciais das tensotildees e correntes geradas pelos dispositivos Mesmo assim obtiveram-
se as medidas de VOC e ISC
Os resultados mais empolgantes foram os caracterizados com curvas I-V
desenvolvidos com substratos tendo parte do FTO removidas no qual se permitiu
visualizar as curvas de tensatildeo e corrente apenas dos filmes sem a interferecircncia do filme
condutor de FTO Em vaacuterias amostras pocircde-se observar um efeito fotovoltaico entretanto
com valores bem abaixo aos relatados pela literatura vigente sobre o assunto
Nesse trabalho apresentou-se um material novo e promissor na aacuterea de pesquisa
dos dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos como tambeacutem o uso de oacuteleos vegetais como
dopante de poliacutemeros para o desenvolvimento de dispositivo de baixo custo com
tecnologia de faacutecil domiacutenio e acessiacutevel
Os resultados apresentados sugerem os seguintes trabalhos futuros
1 Desenvolvimento de dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos agrave base de poliacutemeros
isolantes com camadas ativas mais finas na ordem de nanocircmetros a fim de facilitar
a dissociaccedilatildeo dos eacutexcitons nas interfaces dos materiais O uso de novas teacutecnicas de
deposiccedilatildeo para conseguir filmes nesta ordem de grandeza
70
2 Desenvolvimento de novas estruturas usando os PSOB 47 e PMAMOB 35
em novas arquiteturas como os dispositivos em bicamadas e heterojunccedilatildeo para
melhorar os resultados jaacute obtidos
3 Siacutentese de novas misturas com poliacutemeros usando outros oacuteleos vegetais abundantes
na natureza que apresentaram absorccedilatildeo na faixa do espectro visiacutevel
4 Construccedilatildeo de novos eletrodos de contatos usando teacutecnicas de evaporaccedilatildeo com o
intuito de diminuir as resistecircncias dos contatos e melhorando a coleta das correntes
geradas
5 Caracterizar as amostras usando o simulador solar Caracterizar os filmes usando
perfilocircmetro e AFM buscando filmes com menos rugosidades Correlacionar
medidas das curvas I ndashV com as medidas de AFM
71
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Brasiacutelia DF 2008
75
APEcircNDICES
77
APEcircNDICE 1
Produccedilotildees Bibliograacuteficas
Artigo Publicado
Silva E R Ceschin A M J A Duratildees A possible organic solar cell based on Buriti
oil In 24th Symposium on Microelectronics Technology and Devices SBMicro 2009
Natal - RN The Electrochemical Society (ECS) the society for solid-state and
electrochemical science and Technology EUA Pennigton 2009 v 23 P 553-556
(2009)
Artigo Aceito
Silva E R Romariz A R S Ceschin A M Study of organic MIM junctions for use
in photovoltaic devices In 25th Symposium on Microelectronics Technology and
Devices SBMicro 2010 Satildeo Paulo - SP The Electrochemical Society (ECS) the society
for solid-state and electrochemical science and Technology EUA Pennigton artigo
aceito (2010)
Resumo Publicado
Silva E R Ceschin A M Photovoltaic effect observed in junctions based on Buriti
oil In 11 th International Conference on Advanced Materials (ICAM2009) 2009 Rio
de Janeiro 11 th International Conference on Advanced Materials 2009
78
A possible Organic Solar Cell Based on Buriti Oil
E R da Silva a J A Duratildees
b and A M Ceschin
a
a Departamento de Engenharia Eleacutetrica - Laboratoacuterio de Dispositivos e Circuito
Integrado Universidade de Brasiacutelia CP 4386 CEP 70904-970 Brasiacutelia DF - Brasil b Instituto de Quiacutemica ndash Laboratoacuterio de Pesquisa em Poliacutemeros Universidade de
Brasiacutelia
CEP 70904-970 Brasiacutelia DF ndash Brasil
This work proposes a new approach - the possible production of
organic solar cells based on Buriti oil We propose the
formation of an active layer three types of mixture always
exploring the use of Buriti oil The active layers were deposited
by spin coating the mixture of Buriti oil polystyrene (PS) Buriti
oil poly (3- hexylthiophene) (P3HT) and blend Buriti oil PS
plus P3HT For the three devices investigated here we use a
glass substrate coated with fluoride-doped tin oxide (FTO) An
electrode of poly (34-ethylenedioxythiophene) poly (4-
styrenesulfonate) (PEDOT PSS) was deposited by spin coating
The other electrode was painted on top with silver conductive
ink (Ag) We show two different illuminations for the
characterization of the devices For the acquisition of measures
resistance () open circuit voltage (VOC) and the short circuit
current (ISC) a common digital multimeter was used
Introduction
Organic solar cells are being investigated for their potential use in the cheap and
clean conversion of abundant solar energy In addition polymer solar cells have
attracted considerable attention because of their potential use in low-cost lightweight
solution processable and flexible large-area panels (1) In the best performing solid state
organic solar cells reported to date (23) a conjugated polymer is blended with an
electron accepting material to form the bulk-heterojunction structure for efficient
exciton dissociation (34) Academic attention has focused on blends of poly (3-
hexylthiophene) (P3HT) and [66]-phenyl C61-butyc acid methyl ester (PCBM) since
these two materials show the highest power conversion efficiency in their bulk-
heterojunction which is around 5 The combination of unique semiconducting
electronic property and mechanical aspects similar to conventional plastics is an
attractive feature in spite of the lower efficiencies prevailing in these systems Each
polymer has unique properties and responds differently to different stimulus However
its characteristics can be improved by blending two polymers or by adding some
compounds called additives producing interesting results As an example we can take a
polystyrene (PS) matrix mixed with Buriti oil this modified material shows a very
broad absorption between 150 to 400 nm with a maximum at 320 nm (67) Figure 1
shows the spectrum of absorption for four types of concentration of Buriti oil in PS
matrix
79
Figure 1 Spectra of absorption of UV radiation of PS films and PS- Buriti oil (7)
This feature makes it a promising candidate for photovoltaic studies Based on
this result we decided to investigate Buriti oil P3HT Buriti oilPS and Buriti
oilPSP3HT mixtures in solar cell fabrication Thus the possible fabrication of the
Buriti oil solar cell and its results are reported and discussed here
Sample Preparation
The devices consist basically of an active layer made of Buriti oilPS or Buriti
oilP3HT films or Buriti oilPSP3HT material placed in-between the bottom
electrode of poly(34-ethylenedioxythiophene)poly(4-styrenesulfonate) (PEDOTPSS)
and the top silver (Ag) electrode Devices were assembled on glass substrates covered
with fluoridedoped tin oxide (FTO) with planar resistance in order of 30 _ cm without
further treatment The actives layer and the bottom electrode were deposited by spin
coating (6000 and 5000 rpm respectively) while the silver electrode was painted
PEDOT PSS was used in order to smooth the FTO surface and to decrease the hole
barrier A first kind of active layer was prepared through deposition (6000 rpm spin
coating) of a solution prepared by dissolving appropriate amounts of PS and Buriti oil
4681 wt (extracted with supercritical CO2) at room temperature in analytical grade
reagent chloroform The second kind of active layer was prepared through deposition of
Buriti oil and P3HT mix dissolved in analytical grade reagent toluene The last active
layer was prepared by mixing Buriti oilPS with P3HT dissolved in an analytical grade
reagent chloroform
After each spin coating deposition the films were dried in a stove at 100 0C for
about 15 minutes Devices of active area A~ 20 cm2 were obtained Figure 2 shows a
schematic view of the finished device
80
Figure 2 Structure of the Buriti oil solar cell
Characterization
The measurements were obtained using a common digital multimeter model
ET-2042C Minipa The samples were subjected to direct irradiation of an Hg spectral
lamp (80 W) for five minutes For such measures we did not consider neither
interference of the illumination nor the samplersquos angle of inclination The series
resistance of the device was also collected as this is one that has a direct relation with
the value of this measure as shown in Table 1 the lower the resistance the greater the
current collected All the results are shown in Table 1
Table 1 VOC and ISC for the different solar cell illuminated with an Hg spectral
lamp (80W)
VOC (mV) ISC (mA) R (cm2)
Buriti oil PS 21 009 740
Buriti oil P3HT 18 002 369
Buriti oil PS+P3HT 17 001 717
To observe a real situation the same sample group was exposed to direct
sunlight in hours of intense sun between 1100 am and 0100 pm taking into account
that all samples had an exposure time of approximately five minutes In this step a
convergent lens was used to concentrate the solar light on the device (8 and 9) In this
experiment angle of incidence and the solar irradiation were not measured The results
are shown in Table 2
Table 2 VOC and ISC for the different solar cell illuminated by direct solar light
VOC (mV) ISC (mA) R (cm2)
Buriti oil PS 62 009 740
Buriti oil P3HT 33 003 369
Buriti oil PS+P3HT 25 002 717
Results and analysis
Based on the values of VOC and ISC obtained for the samples it can be clearly
observed that sunlight exposure provided better results when compared to the artificial
81
illumination The main reason for such a situation could be related to the use of Hg
lamp that is not appropriated In spite of this the devices based-on Buriti oil presented
good performances in both cases This effect may be due to the lower resistance value
of the first samples When the illumination is promoted by the sun the VOC increases
but the ISC remains the same maybe as a consequence of the resistance value or
because the samples becomes hotter For the samples made with Buriti oil P3HT and
Buriti oil PS P3HT materials and illuminated by the spectral lamp similar results for
VOC and ISC were observed Under sunlight illumination the values of VOC and ISC
are greater than that obtained for the spectral lamp lighting
Conclusions
In this paper we show that Buriti oilPS and Buriti oil P3HT materials can be
used as an active layer for solar cells The behavior of the samples based-on Buriti
oilPS showed better results for the two types of illumination It is important to
emphasize tha these results are just a part of the devices characterization which still
requests the fulfillment factor (FF) as well as cell efficiency determination Such
calculations are on process but all the obtained data are satisfactory and promising
because our main aim is to develop solar cells using more accessible organic materials
such as the Buriti oil PS blend
Acknowledgments
The authors gratefully acknowledge CNPq and NAMITECMilenio Institute for
financial support
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82
Study of organic MIM junctions for use in photovoltaic devices
E R Silva A R S Romariz and A M Ceschin
Departamento De Engenharia Eleacutetrica Laboratoacuterio de Dispositivos e Circuito
Integrado (LDCI) Universidade de Brasiacutelia Campus Darcy Ribeiro Brasiacutelia CP
4386 CEP 70904-970 Brasiacutelia ndash DF Brasil
We report here photovoltaic effects on Buriti oil (Mauritia
flexuosa) mixed in an insulating polymers matrix The samples
studied here consist of an active layer based on polystyrene (PS)
and poly (methilmethacrilate) (PMMA) mixed with Buriti Oil
(BO) The structure of the device was glassFTO Poly (3 4-
ethylenedioxythiophene) (PEDOT) poly (styrenesulfonate)
(PSS) active layer Ag These mixtures are promising materials
in the fabrication of organic photovoltaic devices The advantage
of these mixtures is their low cost of production and ease in
fabrication Electrical measurements were obtained in both a lit
room and in the dark We can observe photovoltaic effects in all
samples mixed with OB This effect is very interesting because
we are working with an insulating polymer instead of the
semiconductor polymer In this work we have been developing a
junction of the metalndash insulatorndashmetal (MIM) diode that acts like
a photovoltaic device
Introduction
In the past years various new materials and mixtures for fabricating
photovoltaic devices have been proposed for higher conversion efficiencies and lower
cost processes (1 2) Organic solar cells are being investigated for their potential use in
the clean conversion of solar energy through large-area solar panels (3 4 and 5)
Academic attention has focused on blends of poly (3-hexylthiophene) (P3HT) and [6
6]-phenyl C61-butyc acid methyl ester (PCBM) since these two materials show the
highest power conversion efficiency in their bulkheterojunction which is around 5
(6)
Each polymer has unique properties and responds differently to different stimuli
However its characteristics can be improved by blending two polymers or by adding
some compounds called additives thus producing interesting results As an example we
can take the BO mixed in a PS matrix and one mixed in a PMMA matrix This modified
material shows a very broad absorption between 250 to 400 nm with a maximum at 320
nm (7) Based on this result we decided to investigate the OB mixtures in the fabrication
of photovoltaic devices One possible way to enhance the quantum efficiency of a
photovoltaic device is to add dyes that have high absorption efficiency to the host
materials (8) The addition of BO in the PS and PMMA matrices increases this
efficiency The OB is added with the polymers to improve the efficiency on the active
layers of the insulating materials In this paper we will present photovoltaic parameters
on devices based on insulating polymers mixed with BO deposited on a substrate
83
covered with fluorine doped tin oxide (FTO) The devices were fabricated by the spin
coating technique the open circuit voltage (VOC) and short-circuit current density (JSC)
of the BOPS device are 03V and 039 nAcm2 respectively which is 0212V higher
than BOPMMA devices The fill factor (FF) that defines power extraction efficiency of
BOPS devices is 026 against 020 in the BOPMMA devices
Experimental
Our devices were based on previous studies about insulating polymers mixed
with BO (7) The material for the active layer BOPS and BOPMMA of the MIM
junction was chosen because this materials posses two regionrsquos absorption the first
range in 250 at 400 nm that has a peak at 320 nm and the second in the range of 500 at
700 nm The fact these materials absolve in visible region allow to realization of study
about applications in photovoltaic devices (9) We were still able to get good results
from the investigation of BO for make photovoltaic devices
The samples were assembled on glass substrates covered with FTO The
resistance of the plate is asymp 41-60 Ω Prior to depositing the layers part of the FTO
substrate was removed the FTO was corroded using a homogenous ink prepared with
powdered zinc (Zn) Additionally it is possible to use tape or enamel in order to save
part of the FTO After these procedures the substrate is dipped in a diluted solution of
hydrochloric acid (HCI) After the corrosion stage the substrate goes through a cleaning
process that was also performed before corrosion The substrates are cleaned to remove
grease and residual chemicals Corrosion is necessary to avoid short circuits between
the devicersquos electrode contacts (10) The devices were fabricated in a typical
sandwiched structure with the active layers sandwiched between two electrodes the
bottom electrodes consist of conducting polymer film deposition of (PEDOT PSS)
purchased from Bayer This forms the anode that was deposited on the FTO We use it
in order to increase the positive carrier collection of the active layer The film was made
using the spin coating technique with 6000 rotations per minute (rpm) for 55 seconds
Next it was dried in an oven at a temperature of 50 deg C for 15 minutes The cathode was
made with a conductive ink of silver (Ag) acquired from Silver Ink having 99 purity
with painting done by hand because more precise techniques were not available The
materials used in the active layer were pure PS PS mixed with 47 BO pure PMMA
and PMMA mixed with 35 BO Four types of active layers were used All the
mixtures were made with an appropriate quantity of the analytical reagent chloroform at
room temperature Before the deposition the solutions were stirred with magnetic
agitate for 30 minutes in order to ensure greater uniformity for the mix A schematic
view finished device (glass FTO PEDOT PSS active layer Ag) is shown in figure
1 The film thicknesses of the active layers were measure using a Dektak 150
profilometer These values are about 1μm We could not obtain a thinner device because
of the high viscosity of the material In our final device the active area is approximately
009 cm2
Figure 1 Schematic of the finished Device
84
Results and Discussion
The devices with different active layers were prepared following the procedure
described above at room temperature The currentndashvoltage (I-V) characteristics were
measured using a Keithley 2400 programmable software semiconductor measuring
system In all samples without oil devices using only insulating polymer like PS and
PMMA ohmic behavior was observed for bias voltage between -2 and 2 V The device
with pure PS has greater resistance than the one with pure PMMA Perhaps this happens
due to differences in layer thickness or intrinsic material properties But when BO is
added to the mixture we get a different behavior for I-V curves in the two cases We
observed that the sample of PS BO had larger current than PMMABO Figure 2
shows the curves for the PS mixture with and without BO 47 In Figure 3 we have
curves for the PMMA mixture with and without BO 35 In these two cases we
observed curves that look like MIM diode characteristic curves
Figure 2 The I-V Curves characteristics of ohmic behavior and MIM diode for
the PMMA
Figure 3 The I-V Curves characteristics of ohmic behavior and MIM diode for the PS
85
We also noticed a photovoltaic effect in the junctions based in BO at room
temperature Measurements were taken both in the dark and with the room fluorescent
light on In all observations we saw slight photovoltaic effects in all devices made using
insulating polymers with BO mixtures in the active layer In Figure 4 this effect is
shown for PSBO and in Figure 5 for PMMABO
Figure 4 Curve characteristics PS dark and light
Figure 5 Curve characteristics PMMA dark and light
86
For such measures we did not consider either air mass coefficient or the
samplersquos inclination angle for these characterizations because we donrsquot have
characterization equipments Thus we are unable to calculate the conversion efficiency
() The voltage bias was varied from -1 to 1 V but here it is shown with a smaller
interval to better visualize this slight effect In Table 1 the values are shown for the
samples insulating polymer mixed with BO for Voc Jsc and fill factor FF In summary
these parameters are important for characterizing our devices The FF is the ratio that
determines the maximum operating current and voltage of the photovoltaic device and
was calculated as FF = VpIpVocIsc (11) All the values are extracted from the curves
Table 1 Summary of the photovoltaic devices performance with and without light
Active Layer VOC
(mV)
JSC
(nAcm2)
FF
PSBO 47 300 039 026
PMMABO 35 86 216 020
We have seen that the insertion of BO at the matrices of insulating polymers
such as PMMA and PS promote the absorption of photons and therefore the formation
of excitons However we do not have a maximum absorption because of the peak of
absorption of the active layers is in range of 200 to 400 nm while the illumination used
was in the visible region The excitons generated were dissociates and the charges
created were collected in their respective electrodes to form the short-circuit Current
(ISC) This current is small due to the film thickness of the active layer Thus carriersrsquo
recombination could be occurring before they reach their respective electrodes
The measured VOC was 008 V to PMMABO and 03 V to PSBO For the
PSBO this number is roughly the same as the difference in work function between
PEDOT PSS and Ag However for the PMMABO this number is lower than the
difference in work function between PEDOTPSS and Ag All this contributed for the
values low ISC VOC and FF The results obtained here are very below that reported in
recent papers (12 13)
Conclusion
We have been working with polymer insulating with additions of material cheap
an abundant of in nature We presented preliminary results for the MIM junction diode
We used BO mixed with insulating polymer to form the active layers This way we get a
value for ISC VOC and FF but we can observe photovoltaic effect in the majority of the
samples with the BO The active layers have a region of absorption outside of the solar
spectrum and the thickness was thick Because of the collection the carrier was hindered
before to reach the collectorrsquos electrode The devices shown here is very easy to make
and can be made in a large area
Acknowledgments
87
The authors gratefully for the financial support received from National Counsel
of Technological and Scientific Development (CNPq) National Institute of Science and
Technology of Micro and Nanoelectronics Systems (NAMITEC) This paper was
partially supported from a scholarship granted by Coordenaccedilatildeo de Aperfeiccediloamento de
Pessoal de Niacutevel Superior (CAPES) for the first author that also wishes to thank for this
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13 Ie Y Uto T Saekia A Seki S Tagawa S Aso Y (2009) Synthetic Metals 159
797ndash801
88
vi
ldquoSe todas as pessoas procurassem ser amigas de Deus tendo intimidade espiritual
muacutetua Deus os livraria de todos aqueles que natildeo satildeo seus amigos e proveria tudo em suas
vidas Os protegeria de todo o mal que estaacute reservado para vida terrena E depois da vida
passageira de cada um iriam reinar eternamente com Deusrdquo (Salmos 23-27)
vii
RESUMO
ESTUDO PARA O DESENVOLVIMENTO DE DISPOSITIVOS
FOTOVOLTAICOS ORGAcircNICOS
Autor Elizete Rocha da Silva
Orientador Artemis Marti Ceschin
Programa de Poacutes-graduaccedilatildeo em Engenharia Eleacutetrica
Brasiacutelia junho de 2010
Este trabalho eacute dedicado agrave preparaccedilatildeo e a caracterizaccedilatildeo de dispositivos
fotovoltaicos baseados em matrizes polimeacutericas modificadas com oacuteleo de buriti (OB) O
presente desenvolvimento consiste na deposiccedilatildeo de camada do poliacutemero condutor
PEDOTPSS sobre substrato de vidro com oacutexido de zinco dopado com fluacuteor (FTO) onde
depois foi depositada a camada ativa
Ao longo da pesquisa vaacuterias camadas ativas foram testadas No iniacutecio os filmes
das amostras foram preparados por casting Agrave medida que os resultados eram obtidos
novas ideacuteias iam surgindo e novas teacutecnicas foram sendo incorporadas
Buscando fazer os filmes mais finos e obter melhores resultados os filmes
passaram a serem preparados pela teacutecnica de spin coating Os tipos de camadas ativas
foram PS puro PS OB 47 PS OB 8 PS OB 47+P3HT P3HT+OB PMAM puro e
PMAM OB 35
Para as caracterizaccedilotildees dos dispositivos usou-se para medir tensatildeo e corrente
direta multiacutemetros comuns sob iluminaccedilatildeo de lacircmpadas e luz solar Alguns dispositivos
os paracircmetros de caracterizaccedilotildees foram obtidos das curvas IndashV Os filmes tiveram suas
espessuras medidas com perfilometro suas superfiacutecies tambeacutem foram observadas com
microscopia de forccedila atocircmica (AFM)
As respostas eleacutetricas obtidas foram interessantes e promissoras por estes
resultados levam a crer que estes materiais podem ser usados nos desenvolvimentos de
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos de baixo custo acessiacuteveis e de faacutecil fabricaccedilatildeo
viii
ABSTRACT STUDY FOR DEVELOPMENT OF ORGANIC PHOTOVOLTAIC DEVICES
Author Elizete Rocha da Silva
Supervisor Artemis Marti Ceschin
Programa de Poacutes-graduaccedilatildeo em Engenharia Eleacutetrica
Brasiacutelia June 2010
This work is dedicated to the preparation and characterization of the photovoltaic
devices based on polymer matrices modified with oil buriti (OB) This development
consists in the deposition layer of conducting polymer PEDOT PSS on glass substrate
with zinc oxide doped with fluorine (FTO) which was deposited after the active layer
Throughout this study several active layers were tested At the beginning of the
film samples were prepared by casting When the results were been obtained new ideas
were emerging and new techniques were incorporated
Seeking to make the films thinner to obtain better results the films had to be
prepared by spin coating technique The types of active layers were pure PS PS OB 47
PS B 8 PS B + 47 P3HT P3HT + OB pure and PMAM PMAM OB 35
For the characterizations of the devices used to measure voltage and direct current
multimeters under common lighting of lamps and solar light Some devices the parameters
were obtained from the characterizations of I-V curves The film had its thickness
measured with profilometer their surfaces were also observed with atomic force
microscopy (AFM)
The electrical answers obtained were interesting and promising to these results that
suggests these materials can be used in the development of organic photovoltaic devices at
low cost accessible and easy to manufacture
ix
SUMAacuteRIO
1 ndash INTRODUCcedilAtildeO 2
11 ndash OBJETIVO GERAL 4
12 ndash OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS E ORGANIZACcedilAtildeO DO ESTUDO 4
2 ndash CONCEITOS BAacuteSICOS 6
21 ndash POLIacuteMEROS CONDUTORES 6
23 ndash CARACTERIZACcedilAtildeO DO DISPOSITIVO FOTOVOLTAICO 10
231ndash Eficiecircncia quacircntica externa (IPCE) 10
232 ndash Tensatildeo de circuito aberto (VOC) e Corrente de curto circuito (ISC) 11
233 ndash Curva caracteriacutestica IndashV 12
234 ndash Fator de preenchimento (FF) e Conversatildeo de Potencia () 13
24 ndash POLIacuteMEROS UTILIZADOS 14
241 ndash Polistireno (PS) 14
242 ndash Poli metacrilato de metila (PMAM) 15
244 ndash Poli (3-hexiltiofeno) (P3HT) 18
3 ndash PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS 23
31 ndash MATERIAIS 23
32 ndash EQUIPAMENTOS UTILIZADOS 23
321 ndash Multiacutemetros 23
322 ndash Spin coater 23
323 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores (Curva IndashV) 25
324 ndash Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM) 26
33 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS I 27
331 ndash Experimentos Etapa 1 27
3311 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo dos eletrodos 27
3312 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo da camada ativa 27
x
3313 ndash Formaccedilatildeo do dispositivo 28
3314 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W 28
3315 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 29
332 ndash Experimentos Etapa 2 29
3321 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras 29
3323 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 30
3331 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras 31
3332 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W 32
334 ndash Experimentos Etapa 4 33
3341 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras 34
3342 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W 34
3343 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 35
341 ndash Misturas usando P3HT 35
342 ndash Experimentos Etapa 1 36
3421 ndash Preparaccedilatildeo dos filmes por spin coater 36
3422 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W 37
3423 ndash Caracterizaccedilatildeo com luz solar direta 38
3423 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 39
343 ndash Experimentos Etapa 2 39
3431 ndash Preparando novas amostras 39
3431 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W 41
3433 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar direta 41
3434 ndash Curva caracteriacutestica de corrente versus tensatildeo aplicada (IndashV) 42
3435 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 45
35 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS III 46
351 ndash Experimentos Etapa 1 46
xi
3511 ndash Confecccedilatildeo das amostras usando PS e PMAM 1ordm grupo 46
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo usando lacircmpada de Hg 80 W 47
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar 47
3522 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar 49
3523 ndash Curva caracteriacutestica corrente versus tensatildeo (IndashV) 50
3524 ndash Medida de espessura 53
353 ndash Experimentos Etapa 3 56
3531 ndash Confecccedilatildeo das amostras com parte do FTO removido 56
3532 ndash Caracterizaccedilatildeo das curvas (IndashV ) 57
3533 - Anaacutelise e discussatildeo 61
354 Caracterizaccedilatildeo dos Materiais por Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM) 61
4 ndash CONCLUSOtildeES E RECOMENDACcedilOtildeES 68
REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 71
APEcircNDICE 1 77
Produccedilotildees Bibliograacuteficas 77
xii
LISTA DE TABELAS
Tabela 3 1 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos 29
Tabela 3 2 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos 30
Tabela 3 3 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos 32
Tabela 3 4 ndash Valores medidos de VOC e ISC com iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W para variaccedilatildeo de iluminaccedilatildeo para a amostra P4 32
Tabela 3 5 ndash Valores de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo de lacircmpada incandescente de 100 W
durante 5 minutos 35
Tabela 3 6 ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito com um ponto de
prata Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos 38
Tabela 3 7ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito de prata em forma de
trilhas com concentraccedilatildeo em um ponto Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos 38
Tabela 3 8 ndash Resultados obtidos das medidas de VOC e ISC usando luz solar direta durante
5 minutos 38
Tabela 3 9 ndash Medidas de VOC e ISC para amostras iluminadas pela lacircmpada Hg 80 W
aproximadamente cinco minutos 41
Tabela 3 10 ndash Valores de VOC e ISC para amostras iluminada sob luz solar direta expostas
durante cinco minutos cada 42
Tabela 3 11 ndash Resultados das medidas de ISC e VOC das amostras do 1ordm grupo sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpada durante 05 minutos de exposiccedilatildeo 47
Tabela 3 12 ndash Resultados para ISC e VOC sob iluminaccedilatildeo luz solar por aproximadamente
05 minutos de exposiccedilatildeo 47
Tabela 3 13 ndash Medidas realizadas para as amostras A5 A6 A7 sob iluminaccedilatildeo solar
direta durante 10 minutos 49
Tabela 3 14 ndash Medidas realizadas no dia 12052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos 50
Tabela 3 15 ndash Medidas realizadas no dia 18052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos 50
Tabela 3 16 ndash Medida dos pontos e a media medida dos filmes das camadas ativas feitos
com rotaccedilatildeo de 5000 rpm Valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M 55
Tabela 3 17 ndash Medida dos pontos e a media dos filmes das camadas ativas feitos com
rotaccedilatildeo de 6000 rpm O valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M 55
xiii
LISTA DE FIGURAS
Figura 2 1 ndash Estrutura quiacutemica do poliacetileno mostrando as ligaccedilotildees alternadas em
simples e duplas 6
Figura 2 2 ndash Formaccedilatildeo da estrutura do condutor poliacetileno (a) Formaccedilatildeo de bandas
distintas pela superposiccedilatildeo de N orbitais (b) aproximaccedilatildeo da banda riacutegida para um nuacutemero
grande de orbitais 7
Figura 2 3 ndash Estrutura de uma ceacutelula solar orgacircnica A camada ativa pode compreender
uma ou mais camadas semicondutoras uma mistura de materiais ou a combinaccedilatildeo destas
duas estruturas 8
Figura 2 4 ndash Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um dispositivo fotovoltaico feito com uma
camada de poliacutemero entre dois eletrodos 8
Figura 2 5 ndash Processos envolvidos na geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica em um dispositivo
fotovoltaico orgacircnico 9
Figura 2 6 ndash Diagrama de niacuteveis de energia de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico Sob
iluminaccedilatildeo o eleacutetron (e-) eacute jogado para o niacutevel de maior energia LUMO deixando uma
lacuna (h+) no niacutevel de menor energia HOMO (Criaccedilatildeo do eacutexciton) que seratildeo coletados
pelos eletrodos 1 funccedilatildeo trabalho do 1ordm eletrodo (transparente) 2 funccedilatildeo trabalho do
2ordm eletrodo χ eletroafinidade IP potencial de ionizaccedilatildeo e Eg energia do gap 10
Figura 2 7 ndash Diagrama esquemaacutetico do dispositivo fotovoltaico 2 poliacutemero1 no escuro
com o alinhamento dos niacuteveis de Fermi a) e sob iluminaccedilatildeo b) potencial de built-in ( Vbi)
intriacutenseco em temperatura ambiente esta proacuteximo ao valor de tensatildeo 12
Figura 2 8 ndash Curva caracteriacutestica IndashV de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico no escuro e
sob iluminaccedilatildeo Tambeacutem eacute mostrado o ponto de corrente de curto circuito e tensatildeo de
circuito aberto O retacircngulo pintado indica o fator de preenchimento (FF) 13
Figura 2 9 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PS (C8H8)n 15
Figura 2 10 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PMMA (C5O2H8)n 16
Figura 2 11 ndash Representaccedilatildeo da cadeia principal do PEDOT [25] 17
Figura 2 12 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica da interaccedilatildeo entre o PEDOT e PSS [25]
17
Figura 2 13 ndash Estrutura quiacutemica do P3HT (C10H18S)n [13] 18
Figura 2 14 ndash Foto da palmeira do Buriti (Mauritia Flexuosa) conhecida como Buritizeiro
[21] 19
Figura 2 15 ndash Ilustraccedilatildeo dos frutos maduros do Buriti (a) aspecto da casca (b) polpa de
cor amarelada [21] 19
Figura 2 16 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PS puro e PSOB [40] 20
xiv
Figura 2 17 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PMAM puro e PMAM
OB [40] 21
Figura 3 1 ndash (a)bomba de vaacutecuo (b) compressor de ar comprimido (c) vaacutelvula de controle
e (d) spin coater 24
Figura 3 2 ndash Equipamento de spin coater instalado no laboratoacuterio LDCI vista lateral e
frontal 25
Figura 3 3 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores Keithley 2400 laboratoacuterio
LDCI 25
Figura 3 4 ndash Vista frontal do AFM marca VEECO Innova 26
Figura 3 5 ndash Amostras confeccionadas com duas lacircminas de substrato de vidro recoberto
com FTO baseada no modelo de Graumltzel 28
Figura 3 6 ndash (a) Esquema da amostra confeccionada no substrato flexiacutevel de plaacutestico
(PET) (b) foto do substrato finalizado 31
Figura 3 7 ndash Amostra feita com substrato de PET apoacutes ser submetidos agrave fonte de lacircmpada
incandescente de 100 W por 20 minutos 33
Figura 3 8 ndash (a) Esquema da amostra para substrato de vidro recoberto com FTO (b) foto
da amostra finalizada 34
Figura 3 9 ndash (a) Geometria do eletrodo de Ag confeccionado em forma de ponto e (b)
geometria do eletrodo de Ag feito em forma de trilhas 37
Figura 3 10 ndash (a) Foto da amostra (b) Estruturas das camadas dos dispositivos das novas
amostras 40
Figura 3 11 ndash Ilustraccedilatildeo do experimento realizado com uma amostra tendo o contato
desenhado com a geometria em forma de trilhas camada ativa de PS OB 47 42
Figura 3 12 ndash Ilustraccedilatildeo da polarizaccedilatildeo direta para amostras com P3HT e gota de
PEDOTPSS para medidas das curvas (IndashV) 43
Figura 3 13 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47 Corrente e
tensatildeo observadas 003 uA e 09 Volts respectivamente 44
Figura 3 14 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de OB puro + P3HT Corrente
e tensatildeo observadas 0013 uA e 002 Volts respectivamente 44
Figura 3 15 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47+P3HT
Corrente e tensatildeo observadas 0012 uA e 11 volts respectivamente 45
Figura 3 16 ndash Estruturas das camadas e do contato de Ag dos dispositivos fotovoltaicos
orgacircnicos usado para o 2 ordm grupo de amostras 49
Figura 3 17 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PS puro No escuro e sob
iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 51
xv
Figura 3 18 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PSOB 47 No escuro e
sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 52
Figura 3 19 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAM puro No escuro
e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 52
Figura 3 20 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAMOB 35 No
escuro e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 53
Figura 3 21 ndash Risco feito no filme da amostra onde a ponta do perfilocircmetro executou a
varredura 54
Figura 3 22 ndash Medindo a diferenccedila da altura entre os cursores (R - reference) e (M -
measurement) para determinar a espessura do filme 54
Figura 3 23 ndash Geometria da lacircmina de vidro apoacutes corrosatildeo do FTO 56
Figura 3 24 ndash Geometria das camadas do dispositivo 57
Figura 3 25 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PS puro
e PS OB 47 58
Figura 3 26 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PMAM
puro e PMAMOB 35 59
Figura 3 27 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PSOB
47 no claro e escuro 60
Figura 3 28 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de
PMAMOB 35 no claro e escuro 60
Figura 3 29 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS puro obtida por AFM no modo
contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 62
Figura 3 30 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS OB 47 por AFM modo
contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 63
Figura 3 31 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PMAM puro obtida por microscopia
de forccedila atocircmica no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 64
Figura 3 32 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PAMAM OB 35 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 64
Figura 3 33 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HTOB puro obtida por AFM no
modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 65
Figura 3 34 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HT+PS OB 47 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 66
xvi
LISTA DE SIacuteMBOLOS NOMENCLATURA E ABREVIACcedilOtildeES
Ag ndash Prata
BC ndash Banda de conduccedilatildeo
BV ndash Banda de valecircncia
CHCL3 ndash Clorofoacutermio
C7H8 ndash Tolueno
Eg ndash Energia de gap (Energia de banda proibida)
FTO ndash Oacutexido de estanho dopado com fluacuteor termo em inglecircs Tin Oxide doped with
Fluorine
FF ndash Fator de preenchimento termo em inglecircs fill factor
GPIB ndash General Purpose Interface Bus
HOMO ndash Orbital molecular mais alto ocupado termo em inglecircs highest occupied
molecular orbital
ITO ndash Oacutexido de iacutendio estanho termo em inglecircs Indium Tin Oxide
IPCE ndash Eficiecircncia de conversatildeo de foacutetons incidentes em eleacutetrons Eficiecircncia quacircntica
externa termo em inglecircs Incident Photon Converted in Electron Efficiency
I0 ndash Intensidade de luz incidente em W m2
ISC ndash Corrente de curto circuito termo em inglecircs current short circuit
IndashV ndash Corrente versus tensatildeo aplicada
JSC ndash Densidade de fotocorrente de curto circuito termo em inglecircs photocurrent density
short circuit
LUMO ndash Orbital molecular mais baixo desocupado termo em inglecircs lowest unoccupied
molecular orbital
OB ndash Oacuteleo de Buriti
OLED ndash Diodo emissor de luz orgacircnico termo em inglecircs Organic light emitting devices
OPV ndash Ceacutelulas orgacircnicas fotovoltaicas termo em inglecircs Organic Photovoltaic
PET ndash Poli (Tereftalato de Etila)
xvii
PEDOT ndash Poli (34-etileno dioxitiofeno)
PS ndash Poliestireno
PSSndash Poli (Estireno-Sulfonato)
PMAM ndash Poli Metacrilato de Metila
P3HT ndash Poli (3-hexil tiofeno)
rpm ndash Rotaccedilatildeo por minuto
TO - Oacutexido de estanho termo em inglecircs Tin Oacutexide
Tm ndash Temperatura de fusatildeo cristalina
Tg ndash Temperatura de transiccedilatildeo viacutetrea
UV ndash Ultravioleta
VIS ndash Visiacutevel
VOC ndash Tensatildeo circuito aberto termo em inglecircs Open-circuit voltage
V bi ndash Potencial de built-in
ndash eficiecircncia de conversatildeo de potecircncia
λ ndash comprimento de onda
π ndash orbital ligante
πndash orbital antiligante
ndash Funccedilatildeo trabalho do material
Capiacutetulo I
Introduccedilatildeo
2
1 ndash INTRODUCcedilAtildeO
Atualmente um assunto muito debatido na esfera mundial eacute o problema da emissatildeo
de gases que provocam o efeito estufa Essa questatildeo relaciona-se por exemplo com o
desvio do curso de um rio para formar barragem para construccedilatildeo de hidreleacutetrica ou o uso
de carvatildeo ou diesel para o funcionamento de geradores de energia eleacutetrica todas essas
accedilotildees tecircm forte contribuiccedilatildeo para mudanccedilas no ambiente natural
Uma maneira eficaz de amenizar o impacto de tais accedilotildees sobre o meio ambiente
consiste no aproveitamento da energia solar que eacute uma fonte de energia renovaacutevel tanto
como fonte de calor quanto de luz O sol eacute responsaacutevel direta ou indiretamente pela
maioria das fontes de energia utilizadas atualmente a energia do sol eacute responsaacutevel pela
evaporaccedilatildeo a radiaccedilatildeo solar induz as circulaccedilotildees atmosfeacutericas causando ventos necessaacuterios
para a obtenccedilatildeo de energia eoacutelica [1] A energia luminosa pode ser transformada em
energia eleacutetrica por meio das ceacutelulas solares Na atualidade eacute uma das alternativas
energeacuteticas mais promissoras para enfrentar os desafios dos proacuteximos anos
Por ser uma energia captada diretamente a partir da incidecircncia dos raios solares a
energia produzida por ceacutelulas fotovoltaicas eacute uma tecnologia que natildeo emite gases
poluentes na atmosfera e natildeo produz ruiacutedos nem vibraccedilotildees durante o processo de
conversatildeo
Embora seja uma tecnologia relativamente antiga a produccedilatildeo de energia por ceacutelulas
fotovoltaicas natildeo teve ainda grande expansatildeo comercial devido ao elevado preccedilo de
implantaccedilatildeo do sistema Com a existecircncia de grupo gerador movido a diesel mais barato
haacute um maior uso desse tipo de sistemas em lugares que natildeo satildeo atendidos pela rede de
energia puacuteblica [23]
Tendo em vista esse cenaacuterio soacutecio econocircmico e tambeacutem ambiental existe a
necessidade de se buscar novas tecnologias para a produccedilatildeo de ceacutelulas fotovoltaicas a
custos mais acessiacuteveis viabilizando assim sua execuccedilatildeo tendo em vista que a energia solar
eacute importante na preservaccedilatildeo do meio ambiente por apresentar vantagens sobre as outras
formas de obtenccedilatildeo de energia [4] Para cada metro quadrado de coletor solar instalado
evita-se a inundaccedilatildeo de cinquumlenta e seis metros quadrados de terras feacuterteis para a
construccedilatildeo de novas usinas hidreleacutetricas
A energia solar fotovoltaica eacute a energia da conversatildeo direta da luz em eletricidade
(Efeito Fotovoltaico) que consiste no aparecimento de uma diferenccedila de potencial nos
3
extremos de uma estrutura de material semicondutor produzido pela absorccedilatildeo da luz A
ceacutelula fotovoltaica eacute a unidade fundamental no processo de conversatildeo [5]
As ceacutelulas solares orgacircnicas necessitam de muito menos energia para serem
fabricadas que as de siliacutecio convencional ie o consumo de energia gasto para fabricaccedilatildeo
de uma ceacutelula solar orgacircnica eacute muito pequeno de forma que a energia por ela gerada seraacute
muito maior do que a gasta para a sua fabricaccedilatildeo A ceacutelula solar de siliacutecio possui um
processo de fabricaccedilatildeo com preccedilos elevados inviabilizando sua fabricaccedilatildeo em larga escala
devido aos gastos elevados de energia em sua produccedilatildeo O impacto final no balanccedilo de
energia natildeo eacute positivo ou seja se gasta muito mais energia para produzir a ceacutelula que a
energia que ela eacute capaz de gerar em curto prazo
A partir de uma reflexatildeo sobre este cenaacuterio observou-se que semicondutores
orgacircnicos baseados em pequenas moleacuteculas conjugadas e poliacutemeros oferecem a
oportunidade de produzir dispositivos com larga aacuterea e baixo custo sobre substratos
plaacutesticos flexiacuteveis [67] Nesse campo as misturas de poliacutemeros (blendas polimeacutericas) ou a
aditivaccedilatildeo de poliacutemeros produzem resultados interessantes Um exemplo eacute o poliestireno
(PS) e o poli-metacrilato de metila (PMAM) misturado com oacuteleo de buriti (Mauritia
flexuosa) o material modificado tem alta absorccedilatildeo entre 250 nm a 700 nm com o maacuteximo
em 320 nm [8] Isto o torna um candidato promissor para os estudos fotovoltaicos A partir
da descoberta dos poliacutemeros condutores e suas propriedades as investigaccedilotildees sobre a
possibilidade de empregaacute-los como mateacuteria prima na construccedilatildeo de dispositivos
fotovoltaicos foram intensificadas
Com base nessas observaccedilotildees optou-se por investigar misturas de PS e PMAM
com oacuteleo de buriti a fim de construir e caracterizar dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos
Tais dispositivos podem ser construiacutedos sobre substratos plaacutesticos e em temperatura
ambiente desta forma sendo flexiacuteveis e com baixo custo [9] Entre os diversos materiais
potencialmente interessantes para esse fim encontra-se tambeacutem o Poli (3-hexiltiofeno)
(P3HT) Com base em vaacuterias referecircncias [1011] sobre o uso do P3HT misturado com
nanopartiacuteculas e com C60 (Fulereno) resolveu-se testar a mistura P3HT com oacuteleo de Buriti
Este trabalho consiste no estudo para o desenvolvimento e caracterizaccedilatildeo de
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos baseados no oacuteleo de buriti que apresenta propriedades
oacutepticas de absorccedilatildeo misturado com poliacutemeros isolantes (PS e PMAM) e com o poliacutemero
semicondutor P3HT
4
11 ndash OBJETIVO GERAL
O objetivo do presente trabalho eacute o desenvolvimento e a caracterizaccedilatildeo de
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos a partir de poliacutemero semicondutor ou de poliacutemeros
isolantes modificados pelo oacuteleo de buriti
12 ndash OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS E ORGANIZACcedilAtildeO DO ESTUDO
1 Fazer deposiccedilatildeo de filmes finos de blendas polimeacutericas a partir de
mistura de poliacutemeros isolantes PS e PMAM e do poliacutemero
semicondutor P3HT com oacuteleo de buriti
2 Montagem dos dispositivos em substratos de vidro e de plaacutestico
3 Caracterizaccedilatildeo eleacutetrica dos dispositivos desenvolvidos atraveacutes de
medidas diretas sob iluminaccedilatildeo de lacircmpadas e luz solar direta
Medidas das curvas IndashV no escuro e com iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio
4 Caracterizaccedilatildeo morfoloacutegica dos filmes depositados por spin coater
Medir as espessuras dos filmes e aacuterea ativa
Ao longo desta pesquisa seraacute mostrada a confecccedilatildeo dos dispositivos que
apresentaram algum comportamento fotovoltaico ou aqueles que tiveram resultados
interessantes Vaacuterias tentativas foram feitas a fim de buscar aquelas que apresentassem
resultados e comportamento satisfatoacuterio para um dispositivo fotovoltaico orgacircnico
Este trabalho foi dividido em quatro capiacutetulos No capiacutetulo dois seraacute feita uma
revisatildeo de alguns conceitos importantes sobre dispositivos orgacircnicos materiais utilizados
e equipamentos de caracterizaccedilatildeo No capiacutetulo trecircs seratildeo descritos os procedimentos
experimentais e resultados os quais seratildeo subdivididos em dados experimentais I II e III e
em alguns casos subdivididos em etapas Seratildeo abordadas as teacutecnicas utilizadas nas
construccedilotildees e caracterizaccedilotildees dos dispositivos No capiacutetulo quatro seratildeo apresentadas as
conclusotildees e recomendaccedilotildees para trabalhos futuros
5
Capiacutetulo II
Conceitos Baacutesicos
6
2 ndash CONCEITOS BAacuteSICOS
21 ndash POLIacuteMEROS CONDUTORES
O termo poliacutemero eacute usado para designar macromoleacuteculas formadas pela repeticcedilatildeo
de unidades chamadas de monocircmeros Alguns poliacutemeros ocorrem naturalmente outros satildeo
sintetizados Os poliacutemeros sinteacuteticos tiveram seu grande desenvolvimento no iniacutecio do
seacuteculo 20 poreacutem a grande maioria dos poliacutemeros desenvolvidos nessa eacutepoca era isolante
Na deacutecada de 50 surgiram os primeiros poliacutemeros condutores extriacutensecos que eram
poliacutemeros isolantes incorporados com materiais portadores de cargas eleacutetricas
Nos anos 70 a equipe de Hideki Shirakawa et al [12] do instituto de Tecnologia de
Toacutequio produziu um filme de poliacetileno ([CH]n) de coloraccedilatildeo prateada e que conduzia
corrente depois Shirakawa produziu um outro filme condutor de poliacetileno de
coloraccedilatildeo dourada e com maior condutividade apoacutes dopagem com iodo Apoacutes as primeiras
descobertas vaacuterios outros poliacutemeros condutores foram desenvolvidos A descoberta das
propriedades eleacutetricas do poliacetileno laureou Heeger McDiarmid e Shirakwa com o
precircmio Nobel de quiacutemica em 2000 [12]
Os poliacutemeros condutores tambeacutem satildeo chamados de metais sinteacuteticos por possuiacuterem
propriedades eleacutetricas oacutepticas e magneacuteticas semelhantes aos metais e semicondutores
Os semicondutores orgacircnicos satildeo poliacutemeros cuja estrutura principal eacute composta por
carbono Satildeo semicondutores porque possuem ligaccedilotildees simples e duplas alternadas A
figura 21 mostra a estrutura quiacutemica do condutor orgacircnico poliacetileno cuja estrutura eacute a
mais simples
A sobreposiccedilatildeo de dois niacuteveis eletrocircnicos (orbitais) cria separaccedilotildees nos niacuteveis de
energia formando um orbital ligante (π) e um antiligante (π) que podem ser chamados de
banda de valecircncia e banda de conduccedilatildeo respectivamente Os orbitais podem ser
classificados de duas formas orbital molecular mais baixo desocupado (LUMO) e orbital
molecular mais alto ocupado (HOMO)
Figura 2 1 ndash Estrutura quiacutemica do poliacetileno mostrando as ligaccedilotildees alternadas em
simples e duplas
7
Semelhante aos semicondutores inorgacircnicos os semicondutores orgacircnicos possuem
dois eleacutetrons em cada niacutevel de energia com spin oposto formando ao longo da cadeia os
orbitais π e π com banda similar aos inorgacircnicos [13] Na figura 22 o orbital π
corresponde agrave banda de valecircncia (BV) e o orbital π a banda de conduccedilatildeo (BC)
Em temperatura de 0K todos os estados eletrocircnicos da banda BV estatildeo ocupados
enquanto que os da BC estatildeo desocupados O espaccedilo entre a BC (LUMO) e BV (HOMO) eacute
chamado de Energia de banda proibida (Eg)
Figura 2 2 ndash Formaccedilatildeo da estrutura do condutor poliacetileno (a) Formaccedilatildeo de bandas
distintas pela superposiccedilatildeo de N orbitais (b) aproximaccedilatildeo da banda riacutegida para um nuacutemero
grande de orbitais
22 ndash DISPOSITIVOS FOTOVOLTAICOS ORGAcircNICOS
Os dispositivos fotovoltaicos transformam energia luminosa em energia eleacutetrica
Satildeo divididos em duas classes de acordo com a aplicaccedilatildeo tecnoloacutegica Detectores de luz
como os fotodetectores e fotocondutores e ceacutelulas solares que convertem luz em energia
eleacutetrica [14 15] A conversatildeo da luz solar em energia eleacutetrica nas ceacutelulas solares depende
da geraccedilatildeo de cargas positivas e negativas e da captura das mesmas pelos eletrodos antes
das recombinaccedilotildees dos pares eleacutetrons ndash lacunas
O dispositivo fotovoltaico orgacircnico eacute composto de uma camada ativa
ensanduichada entre dois eletrodos com diferentes funccedilotildees trabalho Para melhor captaccedilatildeo
da luz um dos eletrodos tem que ser transparente Os materiais mais usados como eletrodo
8
transparente satildeo o oacutexido de estanho (TO) o oacutexido de estanho iacutendio (ITO) e oacutexido de
estanho dopado com fluacuteor (FTO) [14] O outro eletrodo pode ser feito de alumiacutenio caacutelcio
ouro prata cobre etc A figura 23 mostra o esquema de um dispositivo fotovoltaico
orgacircnico (ceacutelula solar orgacircnica)
Figura 2 3 ndash Estrutura de uma ceacutelula solar orgacircnica A camada ativa pode compreender
uma ou mais camadas semicondutoras uma mistura de materiais ou a combinaccedilatildeo destas
duas estruturas
Quando a camada ativa eacute iluminada por alguma fonte de luz atraveacutes do eletrodo
transparente a energia luminosa eacute transferida aos eleacutetrons que estatildeo no niacutevel HOMO Os
eleacutetrons absorvem a energia do foacuteton e satildeo promovidos para o niacutevel LUMO criando assim
uma lacuna no niacutevel HOMO O eacutexciton eacute definido como o par eleacutetron-lacuna ligado pela
atraccedilatildeo Coulombiana e eacute chamado de ―eacutexciton Wannier ―[16]
A figura 24 mostra a seccedilatildeo transversal de um dispositivo fabricado da maneira
mais simples contendo uma camada de poliacutemero entre dois eletrodos A aacuterea ativa eacute a
parte da sobreposiccedilatildeo do filme da camada ativa com o filme do eletrodo de contato de
prata Um dos eletrodos deve ser transparente agrave entrada de luz neste caso o FTO
Figura 2 4 ndash Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um dispositivo fotovoltaico feito com uma
camada de poliacutemero entre dois eletrodos
9
O processo de geraccedilatildeo de fotocorrente em dispositivos orgacircnicos fotovoltaicos
segue os seguintes passos mostrados na figura 25
Figura 2 5 ndash Processos envolvidos na geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica em um dispositivo
fotovoltaico orgacircnico
Apesar dos poliacutemeros conjugados apresentarem alto coeficiente de absorccedilatildeo em
torno de 105 cm
-1 somente parte da luz eacute absorvida e seraacute convertida em pares eleacutetrons-
lacunas Esses pares eleacutetrons - lacunas contribuiratildeo para a fotocorrente a qual ainda
depende da espessura da camada ativa polimeacuterica
O comprimento de difusatildeo de um eacutexciton em poliacutemeros conjugados eacute cerca de 10
nm devido a isso a espessura da camada ativa possui influecircncia direta sobre o
funcionamento do dispositivo Dispositivo com camada ativa muito espessa apresenta
resistecircncia agrave movimentaccedilatildeo dos portadores de cargas impedindo que as cargas positivas e
negativas sejam coletadas em seus respectivos eletrodos
Para ter um dispositivo com bom desempenho deve se construir camada ativa na
ordem de dezenas de nanocircmetros Os eacutexcitons devem ser criados nas proximidades das
interfaces do metalcamada ativa (regiatildeo ativa mostrado na figura 24) onde possa existir
maior efeito de alto campo eleacutetrico favorecendo assim a dissociaccedilatildeo dos eacutexcitons [17]
Para haver uma diferenccedila de potencial eacute necessaacuterio que os portadores sejam
coletados pelos respectivos eletrodos antes de se recombinarem A dissociaccedilatildeo do eacutexciton
ocorre em regiatildeo de alto campo eleacutetrico geralmente na interface metal-poliacutemero A figura
26 mostra um diagrama de energia para o dispositivo fotovoltaico orgacircnico sob
iluminaccedilatildeo
10
Figura 2 6 ndash Diagrama de niacuteveis de energia de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico Sob
iluminaccedilatildeo o eleacutetron (e-) eacute jogado para o niacutevel de maior energia LUMO deixando uma
lacuna (h+) no niacutevel de menor energia HOMO (Criaccedilatildeo do eacutexciton) que seratildeo coletados
pelos eletrodos 1 funccedilatildeo trabalho do 1ordm eletrodo (transparente) 2 funccedilatildeo trabalho do
2ordm eletrodo χ eletroafinidade IP potencial de ionizaccedilatildeo e Eg energia do gap
23 ndash CARACTERIZACcedilAtildeO DO DISPOSITIVO FOTOVOLTAICO
Para fazer comparaccedilotildees e caracterizar os dispositivos alguns paracircmetros satildeo
importantes para determinar a eficiecircncia entre os diferentes tipos de camada ativa dos
dispositivos Por meio do espectro dinacircmico ou resposta espectral teremos a eficiecircncia
quacircntica externa (IPCE) Para obterem-se os valores de tensatildeo circuito abeto (VOC)
corrente de curto circuito (ISC) fator de preenchimento (FF) e eficiecircncia de conversatildeo de
potecircncia () foram usados os valores retirados das curvas caracteriacutesticas I ndashV no escuro e
sob iluminaccedilatildeo [18]
231ndash Eficiecircncia quacircntica externa (IPCE)
Para se obter a resposta espectral ou espectro dinacircmico a amostra eacute submetida a
um feixe de luz monocromaacutetica de vaacuterios comprimentos de onda sem a aplicaccedilatildeo de
11
tensatildeo A eficiecircncia quacircntica externa eacute a razatildeo entre a densidade de fotocorrente de curto
circuito (JSC) medida e a intensidade de luz monocromaacutetica que incide sobre a amostra
conforme mostra a equaccedilatildeo 21
IPCE()=
(21)
Onde
JSC eacute a densidade de fotocorrente de curto circuito dada em microAcm2
λ eacute o comprimento de onda em nm
I0 eacute a intensidade de luz incidente em W m2
1024 eacute o fator de conversatildeo de energia em comprimento de onda [18]
Portanto o IPCE eacute um valor de medida de eficiecircncia para os dispositivos
fotovoltaicos
232 ndash Tensatildeo de circuito aberto (VOC) e Corrente de curto circuito (ISC)
Quando os materiais orgacircnicos das camadas ativas satildeo colocados em contato com o
eletrodo inorgacircnico existe um balanceamento de cargas entre os materiais de diferentes
funccedilotildees trabalhos ateacute que o equiliacutebrio seja atingido Nesta situaccedilatildeo haacute um nivelamento dos
niacuteveis de energia de Fermi dos materiais e um campo eleacutetrico intriacutenseco eacute criado na
interface do dispositivo
Em um dispositivo sob iluminaccedilatildeo depois da dissociaccedilatildeo dos eacutexcitons as cargas
satildeo transportadas para os eletrodos pelo campo eleacutetrico intriacutenseco que iraacute aumentar a
energia do eletrodo de menor funccedilatildeo trabalho (1) e diminuir a energia de Fermi do
eletrodo de maior funccedilatildeo trabalho (2) quase atingindo a condiccedilatildeo de banda plana
criando uma diferenccedila de potencial definida como tensatildeo de circuito aberto VOC
A figura 27 mostra o diagrama esquemaacutetico de um dispositivo fotovoltaico A
tensatildeo de circuito aberto VOC pode ser obtida da curva caracteriacutestica IndashV de um dispositivo
sob iluminaccedilatildeo quando a corrente eacute zero
12
Figura 2 7 ndash Diagrama esquemaacutetico do dispositivo fotovoltaico 2 poliacutemero1 no escuro
com o alinhamento dos niacuteveis de Fermi a) e sob iluminaccedilatildeo b) potencial de built-in ( Vbi)
intriacutenseco em temperatura ambiente esta proacuteximo ao valor de tensatildeo
Em temperaturas baixas a iluminaccedilatildeo poderaacute trazer a condiccedilatildeo de banda plana e a
tensatildeo de circuito aberto VOC seraacute igual ao potencial de built in (Vbi) Este potencial eacute
definido como a diferenccedila de funccedilatildeo trabalho entre os eletrodos em temperatura ambiente
pois a condiccedilatildeo de banda plana natildeo eacute totalmente atingida e uma pequena correccedilatildeo deve ser
adicionada ao VOC para obter o Vbi [14]
O valor da corrente eleacutetrica maacutexima que atravessa o dispositivo quando iluminado
sem nenhuma tensatildeo aplicada eacute chamado de corrente de curto circuito (ISC)
Para definir a densidade de fotocorrente (JSC) utiliza-se o valor de ISC dividido pela
aacuterea ativa do dispositivo
233 ndash Curva caracteriacutestica IndashV
Atraveacutes da curva IndashV temos a resposta eleacutetrica do dispositivo fotovoltaico A figura
28 mostra a curva caracteriacutestica IndashV no escuro e sob iluminaccedilatildeo de um dispositivo ideal
fotovoltaico No escuro a curva de resposta eacute semelhante agrave de um diodo retificador quando
a corrente soacute aparece para a tensatildeo direta Sob iluminaccedilatildeo a curva de ISC desce para o
terceiro e quarto quadrante Na polarizaccedilatildeo direta o eletrodo de maior funccedilatildeo trabalho eacute
polarizado positivamente e o de menor funccedilatildeo trabalho eacute polarizado negativamente
[1819]
13
Figura 2 8 ndash Curva caracteriacutestica IndashV de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico no escuro e
sob iluminaccedilatildeo Tambeacutem eacute mostrado o ponto de corrente de curto circuito e tensatildeo de
circuito aberto O retacircngulo pintado indica o fator de preenchimento (FF)
234 ndash Fator de preenchimento (FF) e Conversatildeo de Potencia ()
A quantidade maacutexima de energia eleacutetrica extraiacuteda do dispositivo fotovoltaico eacute
determinada pelo fator de preenchimento (FF) ou seja eacute a razatildeo entre a potecircncia maacutexima
fornecida pelo dispositivo fotovoltaico e a potecircncia nominal do mesmo Na figura 8 o fator
de preenchimento eacute representado pela razatildeo entre as aacutereas do retacircngulo cinza (representa a
potecircncia maacutexima que o dispositivo fornece) pela aacuterea do retacircngulo azul (representa a
potecircncia nominal) Assim a equaccedilatildeo 22 mostra a relaccedilatildeo matemaacutetica para a obtenccedilatildeo do
FF
(22)
Onde Vm e Im satildeo as intersecccedilotildees da curva IndashV com a potecircncia maacutexima do
retacircngulo
14
Para aplicaccedilatildeo de um dispositivo fotovoltaico como ceacutelulas solares um dos focos
de interesse eacute a potecircncia eleacutetrica extraiacuteda que eacute determinada pela eficiecircncia de conversatildeo
de potecircncia () Para encontrar este valor divide-se o valor da potecircncia maacutexima gerada
pela ceacutelula (P) pela potecircncia da luz incidente (Pin) A expressatildeo para o caacutelculo de eacute
mostrada na equaccedilatildeo 23
=
(23)
Onde I0 eacute a intensidade de luz incidente sobre a ceacutelula solar Usando a equaccedilatildeo 22
para calculara o FF temos a equaccedilatildeo 24
(24)
24 ndash POLIacuteMEROS UTILIZADOS
Os poliacutemeros sinteacuteticos satildeo produtos quiacutemicos obtidos sinteticamente que
apresentam cadeias longas e dentre eles podemos encontrar materiais importantes para o
uso em engenharia
As propriedades dos poliacutemeros dependem muito do tipo de monocircmero que o
originaram Outros fatores que influenciam suas propriedades satildeo o tipo de reaccedilatildeo
empregada para sua obtenccedilatildeo e a teacutecnica de preparaccedilatildeo Podemos citar trecircs tipos de reaccedilotildees
a partir das quais se podem produzir um poliacutemero a poliadiccedilatildeo policondensaccedilatildeo e a
modificaccedilatildeo quiacutemica de outro poliacutemero [20]
241 ndash Polistireno (PS)
O PS eacute uma resina termoplaacutestica foi descoberto em 1831 Apesar de ter sido
proposto para uso logo apoacutes sua descoberta demorou a ser colocado no comeacutercio Isto
ocorreu porque a polimerizaccedilatildeo do monocircmero natildeo era controlada e ocorria muito
rapidamente dificultando o carregamento e a estocagem dos monocircmeros A representaccedilatildeo
da estrutura quiacutemica do PS pode ser vista na figura 29 [21]
15
Figura 2 9 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PS (C8H8)n
O PS eacute um dos plaacutesticos mais utilizados no Brasil cuja aplicaccedilatildeo pode se estender a
diversos tipos de utensiacutelios para uso domeacutesticos Em uso na fabricaccedilatildeo de objetos tais
como brinquedos escovas embalagens riacutegidas para cosmeacuteticos no isolamento ao frio na
embalagem de equipamentos em pranchas flutuantes em paineacuteis para a induacutestria
automobiliacutestica e produtos para a induacutestria de eletro-eletrocircnico etc
Suas caracteriacutesticas marcantes satildeo rigidez semelhante ao vidro alta resistecircncia
quiacutemica baixa resistecircncia a solventes orgacircnicos baixa resistecircncia a intempeacuteries boa
condiccedilatildeo de isolamento teacutermico e eleacutetrico relevante sensibilidade agrave luz incolor e
transparente [21] Frente ao calor eacute classificado como termoplaacutestico de uso geral Trata-se
de um poliacutemero de baixo custo e de faacutecil aquisiccedilatildeo No Brasil os principais fabricantes satildeo
a BASF do Brasil que produz o PS com o nome comercial de Plystirol e a Monsanto do
Brasil que o fabrica com o nome comercial de Lustrex Possui temperatura de fusatildeo
cristalina (Tm) 235 degC e temperatura de transiccedilatildeo viacutetrea (Tg) de 100 degC [20]
242 ndash Poli metacrilato de metila (PMAM)
Eacute um poliacutemero amorfo linear sua siacutentese eacute por adiccedilatildeo e requer um centro ativo
como iniciador Possui caracteriacutesticas oacutepticas e mecacircnicas resistentes aos aacutecidos orgacircnicos
[21 22] A representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica pode ser vista na figura 210
16
Figura 2 10 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PMMA (C5O2H8)n
Tambeacutem conhecido como plaacutestico acriacutelico esse termoplaacutestico eacute um poliacutemero
sinteacutetico de origem petroquiacutemica assim como o PS cujas principais caracteriacutesticas satildeo
transparecircncia boa resistecircncia quiacutemica resistente a impactos e a intempeacuteries
Eacute um poliacutemero considerado de baixo custo e de faacutecil aquisiccedilatildeo No Brasil
destacam-se como fabricantes a CP Bahia e a Rohm amp Haas que produzem
respectivamente o Acrigel e o Acryloid
O PMAM eacute usado em placas para sinalizaccedilatildeo de traacutefego em estradas nas induacutestrias
automobiliacutesticas de aviaccedilatildeo e na construccedilatildeo civil Eacute vastamente empregado na fabricaccedilatildeo
de fibras oacutepticas e em eletro-eletrocircnicos aleacutem disso o PMAM tem sido utilizado na
ortopedia desde sua siacutentese Pesquisa na aacuterea da eletrocircnica orgacircnica estaacute sendo
desenvolvida [2223] e tambeacutem na aacuterea da medicina como na esteacutetica e em outras
aplicaccedilotildees na aacuterea da sauacutede [2425]
Possui temperatura de fusatildeo cristalina (Tm) 160 degC e temperatura de transiccedilatildeo viacutetrea
(Tg) de 105 degC[20]
243 ndash Poli(34-Etileno Dioxitiofeno)Poli(Estireno-Sulfonato) (PEDOTPSS)
As pesquisas sobre poliacutemeros condutores tecircm atraiacutedo cientistas e grandes empresas
Ao longo desta deacutecada grandes descobertas foram realizadas em relaccedilatildeo aos poliacutemeros
condutores [26]
Cientistas da Bayer AG [27 28] contribuiacuteram para o desenvolvimento do Poli (34-
etileno dioxitiofeno) (PEDOT) que apresenta propriedades e caracteriacutesticas interessantes
mesmo em seu estado dopado A cadeia principal estaacute representada na figura 211
17
Figura 2 11 ndash Representaccedilatildeo da cadeia principal do PEDOT [28]
O PEDOT possui alta condutividade contudo natildeo eacute soluacutevel em aacutegua Para tornaacute-lo
soluacutevel foi adicionado o poli (estireno sulfonado) (PSS) assim as altas taxas de
condutividade foram perdidas no processo de dopagem Apesar disto a combinaccedilatildeo do
PEDOTPSS ilustrado na figura 212 resultou em um poliacutemero com caracteriacutesticas e
condiccedilotildees favoraacuteveis tornando simples a deposiccedilatildeo dos filmes
O PEDOTPSS eacute apresentado em soluccedilatildeo azul escuro e possui condutividade
maacutexima de 10 S cm (depende da espessura e do processo de confecccedilatildeo do filme) Mostra
alta taxa de absorccedilatildeo luminosa entre 900 nm e 2000 nm [28]
Figura 2 12 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica da interaccedilatildeo entre o PEDOT e PSS [28]
O PEDOTPSS eacute um exemplo de poliacutemero condutor comercial que atraiu usuaacuterios e
pesquisadores em vaacuterios paiacuteses Atualmente existem vaacuterios estudos de dispositivos
orgacircnicos para aplicaccedilotildees em ceacutelulas solares que utilizam o PEDOTPSS [30-32] Seu uso
18
em pesquisas se estende a outros dispositivos orgacircnicos como OLEDs sensores
transistores etc [32 33]
244 ndash Poli (3-hexiltiofeno) (P3HT)
O P3HT eacute um poliacutemero sinteacutetico semicondutor tipo p fabricado e comercializado
pela Aldrichreg possui alto peso molecular Sua estrutura com grades reacutegio-regulares
favorece os estudos para aplicaccedilotildees em ceacutelulas fotovoltaicas orgacircnicas (OPV) Possui
propriedades fotoluminescentes na faixa de comprimento de onda 450 nm e 575 nm [34]
Tambeacutem pode ser combinado com outro tipo de poliacutemeros para aplicaccedilotildees em ceacutelulas
solares [35-37] O transporte de cargas majoritaacuterio eacute de lacunas
A Soluccedilatildeo do P3HT pode ser solubilizada em clorofoacutermio (CHCL3) Aleacutem deste
solvente o P3HT pode ser diluiacutedo em tolueno (C7H8) tri-cloro-benzeno cloro-benzeno e
xyleno soluacutevel A estrutura quiacutemica pode ser vista na figura 213
Figura 2 13 ndash Estrutura quiacutemica do P3HT (C10H18S)n
245 ndash Oacuteleo de Buriti (Mauritia Flexuosa L) ndash OB
A palmeira do buriti (Mauritia flexuosa L) aparece em regiotildees de vaacuterzea e brejo e eacute
comumente encontrada na regiatildeo da Amazocircnia A figura 214 ilustra a foto da palmeira do
buritizeiro Tanto as palmeiras como os frutos satildeo muito utilizados pelas pessoas que
moram nas regiotildees ribeirinhas por exemplo para fazer coberturas de casas com as folhas
ou para extrair a polpa dos frutos para o uso na alimentaccedilatildeo
19
Figura 2 14 ndash Foto da palmeira do Buriti (Mauritia Flexuosa) conhecida como Buritizeiro
[21]
A palmeira do buritizeiro costuma ter altura de ateacute cinquumlenta metros A meacutedia de
frutos colhidos em todos os cachos varia de quinhentos a oitocentos frutos O fruto do
buriti apresenta forma arredondada e eliacuteptica mede aproximadamente de quatro a seis
centiacutemetros de diacircmetro com peso variando entre vinte e cinco a quarenta gramas A
figura 215 ilustra o fruto do buritizeiro tambeacutem pode ser observada a cor amarelada da
polpa
Figura 2 15 ndash Ilustraccedilatildeo dos frutos maduros do Buriti (a) aspecto da casca (b) polpa de
cor amarelada [21]
Estudos desenvolvidos por Moreira et al [38- 40] mostram propriedades oacutepticas de
absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica na faixa do ultravioleta e do visiacutevel solar (UV-VIS)
20
Duratildees et al [39] estudando as soluccedilotildees do OB diluiacuteda em clorofoacutermio observaram
grau de absorccedilatildeo de radiaccedilatildeo UV-VIS na faixa de 245 248 e 276 nm Tambeacutem foram
avaliadas a incorporaccedilatildeo do OB em matrizes de PMAM e PS que apresentaram niacuteveis de
absorccedilatildeo em comprimentos de onda maiores do que 276 nm
A figura 216 mostra os espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo ultravioleta (UV) dos
filmes de PS e PS com OB nas proporccedilotildees estudadas Observa-se nesses espectros que o
filme de PS sem o OB apresenta absorccedilatildeo insignificante nessa regiatildeo do espectro
eletromagneacutetico Esse material mostra uma pequena banda de absorccedilatildeo entre 250 nm Nos
espectros do material polimeacuterico misturado com OB percebe-se um aumento da absorccedilatildeo
da radiaccedilatildeo como consequumlecircncia do aumento do teor de OB nas amostras Esta absorccedilatildeo eacute
indicada por uma banda larga e intensa entre 275 nm e 375 nm que se desloca para
comprimentos de onda maiores agrave medida que a concentraccedilatildeo do oacuteleo aumenta nos
materiais compostos [40]
Figura 2 16 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PS puro e PSOB [40]
A figura 217 mostra os espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes de
PMAM puro e PMAM OB nas proporccedilotildees estudadas O estudo de espectroscopia por
absorccedilatildeo na regiatildeo do UV mostrou que o OB proporcionou uma elevaccedilatildeo de ateacute 400 na
absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo pelo PMAM misturado com OB Este aumento ocorreu regularmente
21
com o teor do dopante exceto para o material com maior percentual do oacuteleo onde
provavelmente a sua maior quantidade tenha dificultado a incorporaccedilatildeo no PMAM
Como consequumlecircncia da incorporaccedilatildeo do OB na matriz de PMAM foi observada
uma banda larga de absorccedilatildeo entre 260 nm e 380 nm que sofreu deslocamento para
comprimentos de onda maiores acompanhando o aumento no teor de oacuteleo das amostras
Nota-se portanto que o comportamento das amostras de PMAM OB eacute semelhante ao dos
materiais PS OB com exceccedilatildeo da inversatildeo de absorccedilatildeo dos filmes feitos com percentuais
do OB de 3455 e 4681 nos filmes de PMAM
Figura 2 17 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PMAM puro e PMAM
OB [40]
22
Capiacutetulo III
Procedimentos Experimentais e
Resultados
23
3 ndash PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS
31 ndash MATERIAIS
Escolheu-se trabalhar com substrato de vidro por que eacute transparente fornece
sustentaccedilatildeo mecacircnica natildeo se degrada com o calor permite a entrada de luz no dispositivo
e possui uma camada condutora com resistecircncia relativamente baixa As resistecircncias das
lacircminas foram medidas com multiacutemetro digital comum e apresentaram um valor em torno
de 41-70 Ω A resistecircncia desses substratos muda de acordo com o processo de
deposiccedilatildeo dos filmes de FTO [41 42] Tambeacutem foram usados substratos flexiacuteveis de
plaacutestico (PET) no tamanho de 2 cm x 3 cm
Os poliacutemeros condutores usados foram o PEDOTPSS e o P3HT Usou-se o PEDOT
PSS para fazer um dos eletrodos O P3HT foi usado misturado com o oacuteleo de buriti para
fazer um tipo de camada ativa Trabalhou-se com misturas de poliacutemeros isolantes PS e
PMAM com OB preparadas no Laboratoacuterio de Poliacutemeros do Instituto de Quiacutemica da UnB
Usou-se misturas com concentraccedilotildees de 8 e 47 de OB na matriz de PS e misturas com
35 de OB na matriz de PMAM conforme descrito por JR Duratildees em [40]
Para fazer o eletrodo superior usou-se a tinta condutora de prata marca INK
SILVER (tinta 100 prata) com pureza da prata 99 e tamanho da partiacutecula de prata 05
a 70 m dissolvidas em solvente e um verniz de alta aderecircncia (NOS002) Em algumas
amostras usou-se tambeacutem o grafite de um laacutepis HB
32 ndash EQUIPAMENTOS UTILIZADOS
321 ndash Multiacutemetros
Para fazer as medidas eleacutetricas diretas de ISC empregou-se o uso do multiacutemetro
analoacutegico ET-3021 porque possuiacutea escala de ateacute micro ampeacutere Para as medidas diretas de
resistecircncia seacuterie e de VOC usou-se o multiacutemetro digital modelo ET-2042C
322 ndash Spin coater
Os filmes finos foram preparados utilizando um conjunto de equipamento que
compotildee o spin coater (Laureal modelo WS- 400B-6NPPLITE) do Laboratoacuterio de
Dispositivo e Circuitos Integrados da UnB (LDCI) mostrado na figura 31
24
Figura 3 1 ndash (a)bomba de vaacutecuo (b) compressor de ar comprimido (c) vaacutelvula de
controle e (d) spin coater
O equipamento de spin coater consiste em um conjunto composto de bomba de
vaacutecuo compressor de ar comprimido regulador de pressatildeo e o spin coater que possui
compartimento feito de teflon Acoplado ao spin coater haacute um display de cristal liquido
(LCD) para visualizaccedilatildeo dos programas realizados
Tem-se ateacute 20 programas de processamentos (A ateacute T) contendo ateacute 51 etapas cada
um que podem ser armazenados definitivamente na memoacuteria caso haja possibilidade de
modificar o programa posteriormente Cada etapa do programa inclui tempo total de
duraccedilatildeo da deposiccedilatildeo velocidade de rotaccedilatildeo do substrato em rpm e
aceleraccedilatildeodesaceleraccedilatildeo Satildeo possiacuteveis rotaccedilotildees de ateacute 11000 rpm
Na figura 32 haacute uma foto mostrando a lateral e parte da frente do compartimento
onde o substrato eacute colocado no momento da centrifugaccedilatildeo Ao lado do spin coater pode ser
visualizado o display de LCD programaacutevel acoplado
25
Figura 3 2 ndash Equipamento de spin coater instalado no laboratoacuterio LDCI vista lateral e
frontal
323 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores (Curva IndashV)
As curvas IndashV das amostras foram obtidas com um sistema de caracterizaccedilatildeo de
semicondutores Keithley modelo 2400 mostrado na figura 33 o qual permite aplicar
tensotildees entre 1 μV e 1100 V e medir a corrente entre 10 pA e 105 A
Figura 3 3 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores Keithley 2400 laboratoacuterio
LDCI
26
Todo o processo de medidas eacute controlado atraveacutes de um microcomputador que eacute
conectado aos equipamentos atraveacutes de uma interface paralela (General Purpose Interface
Bus (GPIB) que controla os equipamentos coleta e armazena os dados O programa usado
para este fim eacute o software LABVIEW 61
324 ndash Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM)
A caracterizaccedilatildeo morfoloacutegica dos filmes das camadas ativas foi obtida em um
equipamento de medidas de microscopia de forccedila atocircmica AFM marca VEECO DInnova
(figura 34) com ponteira de nitrato de siliacutecio (forma em V) com constante de mola de
058 Nm Todas as imagens foram obtidas em modo contato (512 x 512 pixel) e taxa de
varredura de 1 Hz
Figura 3 4 ndash Vista frontal do AFM marca VEECO Innova
27
Os filmes caracterizados por AFM consistiram em camadas ativas feitas com
soluccedilotildees de PS puro PSOB 47 PMAM puro PMAMOB 35 P3HTOB puro e
P3HT PS OB 47 depositadas sobre substrato de vidro recoberto com FTO por spin
coating e com rotaccedilatildeo de 7000 rpm por 40 segundos
33 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS I
331 ndash Experimentos Etapa 1
Nesta etapa utilizou-se a metodologia adaptada a partir da descriccedilatildeo da montagem da
ceacutelula solar de Graumltzel [43] Essa ceacutelula eacute tambeacutem conhecida como ceacutelula solar de corante
Nessa ceacutelula a geraccedilatildeo de energia eacute produzida por um efeito eletroquiacutemico [44] Para cada
amostra foram usadas duas lacircminas de vidro tamanho 1 cm x 25 cm recoberto com FTO
Os substratos foram utilizados conforme retirados das embalagens ou seja natildeo passaram
por nenhum tipo de limpeza
3311 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo dos eletrodos
Para um dos eletrodos usou-se o grafite que foi obtido a partir de um laacutepis para
desenho HB No lado do substrato contendo o FTO pintou-se a lacircmina com o laacutepis Para o
outro eletrodo foi usado uma soluccedilatildeo PEDOT PSS As amostras foram confeccionadas
manualmente e as deposiccedilotildees foram feitas com pincel comum A soluccedilatildeo de PEDOT PSS
ficou agitando durante 2 horas antes da deposiccedilatildeo sobre o substrato a fim de obter-se uma
soluccedilatildeo mais homogecircnea Devido o filme de PEDOTPSS ser espesso o processo de
secagem a temperatura ambiente foi demorado Assim apoacutes a pintura se fez necessaacuterio a
secagem das amostras na estufa durante 8 horas a 80 ordmC e para concluir o processo
ficaram em temperatura ambiente por mais 24 horas
3312 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo da camada ativa
Antes de fazer a deposiccedilatildeo do filme da camada ativa de PSOB 8 a mistura foi
agitada durante 30 minutos com intuito de obter-se uma dissoluccedilatildeo completa da soluccedilatildeo
28
Sobre o eletrodo de PEDOTPSS foi depositada por casting uma quantidade da soluccedilatildeo de
PSOB 8
3313 ndash Formaccedilatildeo do dispositivo
Para formar o dispositivo as duas lacircminas de vidro foram juntadas uma com
grafite e a outra com PEDOTPSS e a camada ativa de PSOB 8 As duas foram juntadas
antes que a camada ativa estivesse seca de modo a ajudar na colagem das mesmas Para
garantir a uniatildeo fiacutesica das lacircminas foi usado um clipe conforme mostrado na figura 35 A
aacuterea ativa eacute da ordem de 1 cm2
Figura 3 5 ndash Amostras confeccionadas com duas lacircminas de substrato de vidro
recoberto com FTO baseada no modelo de Graumltzel
3314 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
A fonte de iluminaccedilatildeo utilizada na caracterizaccedilatildeo dos dados experimentais e
resultados I consistiu em uma lacircmpada incandescente comum de 100 W ligada em seacuterie
com um varivolt de 240 volts
Foram feitas quatro amostras (CS1 CS2 CS3 e CS4) da forma como descrito
acima As medidas eleacutetricas foram tomadas usando-se dois multiacutemetros um digital e outro
analoacutegico As amostras foram iluminadas com a lacircmpada incandescente de 100 W e foram
observados valores de ISC e VOC nos multiacutemetros a partir de uma tensatildeo de 240 volts na
lacircmpada Todas as amostras ficaram expostas durante aproximadamente 5 minutos Os
valores de ISC e VOC obtidos satildeo mostrados na tabela 31
29
Tabela 3 1 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W) Tensatildeo da
lacircmpada
CS1 mdash mdash mdash 240
CS2 03 09 027 240
CS3 06 05 030 240
CS4 02 01 020 240
3315 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Pode-se observar o aparecimento de VOC e tambeacutem de ISC em trecircs das amostras
confeccionadas com tensatildeo de alimentaccedilatildeo na fonte de iluminaccedilatildeo de 240 volts Os
valores de VOC e ISC satildeo um pouco diferentes entre as trecircs amostras apesar de elas terem
sido confeccionadas seguindo os mesmos procedimentos Isto pode ter sido devido agrave
dificuldade em se controlar a espessura das camadas ativas Os resultados obtidos para VOC
e ISC satildeo menores do que os reportados na literatura [4344] Contudo os materiais usados
satildeo diferentes dos relatados na literatura Neste dispositivo o OB estaacute se comportando
como um corante e promovendo o processo eletroquiacutemico de transformaccedilatildeo de energia
luminosa em energia eleacutetrica Assim uma mudanccedila na concentraccedilatildeo de oacuteleo poderaacute
modificar os resultados obtidos ateacute aqui
332 ndash Experimentos Etapa 2
3321 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras
Na segunda etapa foram confeccionadas quatro amostras (CS5 CS6 CS7 e CS8)
utilizando a mesma metodologia do experimento da Etapa 1 mudando apenas a
concentraccedilatildeo do OB de 8 para 47 No lugar do clipe para unir as duas lacircminas usou-se
fita adesiva
3322 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
As medidas das amostras foram realizadas usando os mesmos equipamentos jaacute
citados e descritos anteriormente Duas destas amostras natildeo tiveram medidas de ISC nem
30
VOC Para as demais soacute foram observadas medidas de VOC e ISC apoacutes a tensatildeo da lacircmpada
atingir 200 volts Todas as amostras ficaram expostas durante 5 minutos Os valores de ISC
e VOC obtidos satildeo mostrados na tabela 32
Tabela 3 2 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W) Tensatildeo da
lacircmpada
CS5 ndash ndash ndash 240
CS6 18 09 162 240
CS7 ndash ndash 240
CS8 09 03 027 240
3323 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Os valores de VOC e ISC obtidos nesta etapa satildeo maiores que os obtidos na Etapa1
Isto pode estar relacionado ao efeito corante do OB Nesta etapa mudou-se a concentraccedilatildeo
de 8 de OB para 47 de OB esse paracircmetro foi o uacutenico a ser mudado entre as duas
etapas Estas amostras bem como as da Etapa 1 natildeo puderam ter seus valores de VOC e ISC
medidos novamente porque as amostras descolavam os eletrodos danificando os
dispositivos Assim estas estruturas natildeo foram repetidas
333 ndash Experimentos Etapa 3
Nesta etapa mudou-se o tipo de substrato e a configuraccedilatildeo das amostras A
configuraccedilatildeo de construccedilatildeo baseada na estrutura dos dispositivos desenvolvidos por
Graumltzel natildeo foi mais usada O substrato de vidro foi substituiacutedo por um substrato de
plaacutestico de Poli (Tereftalato de Etila) (PET) a fim de desenvolver amostras flexiacuteveis e de
menor custo As camadas ativas tiveram a concentraccedilatildeo do OB de 47 O substrato de
PET foi limpo com clorofoacutermio acetona e aacutegua deionizada Apoacutes o processo de limpeza os
substratos foram secos a temperatura ambiente por 2 horas Para substituir a camada
condutora de FTO e construir um dos eletrodos utilizou-se leit-C e leit-C diluente
adquirido da FLUKA esses dois elementos produzem a pasta de carbono O PEDOTPSS
31
foi utilizado para formar um filme sobre o eletrodo de carbono E por uacuteltimo foi usada a
Ag para fazer o eletrodo superior
3331 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras
Com o substrato recortado no tamanho de 2 cm x 3 cm inicia-se o processo de
limpeza As folhas de PET foram imersas em clorofoacutermio durante 30 minutos em soluccedilatildeo
de acetona por mais 30 minutos e por ultimo foram enxaguadas com aacutegua deionizada O
processo de secagem foi realizado em temperatura ambiente dentro da estufa
A pasta de carbono foi preparada para ser o eletrodo inferior Essa foi espalhada
manualmente com ajuda de uma espaacutetula sobre toda a folha do PET Com o substrato
preparado e tendo a superfiacutecie recoberta com um filme de carbono jaacute seco a soluccedilatildeo de
PEDOT PSS foi pintada sobre o filme de carbono com um pincel de cerdas macias
comum Antes da deposiccedilatildeo a soluccedilatildeo de PEDOT PSS foi agitada durante 2 horas
Apoacutes a pintura do filme de PEDOTPSS as amostras foram colocadas na estufa agrave
temperatura de 50 degC durante 8 horas e permaneceram por mais 24 horas em temperatura
ambiente dentro da estufa A camada ativa foi depositada usando uma pipeta contendo 001
uL de PSOB 47 Para formar o contato inferior uma pequena parte do filme de
PEDOTPSS foi deixado visiacutevel
Apoacutes a deposiccedilatildeo da camada ativa as amostras ficaram em temperatura ambiente
por 24 horas para concluir o processo de secagem O eletrodo superior foi pintado com
tinta de Ag sobre uma pequena aacuterea da camada ativa A secagem do eletrodo superior foi
em temperatura ambiente A aacuterea ativa destas amostras eacute da ordem de 05 cm2 A figura 36
a) mostra o esquema final da amostra e a figura 36 b) uma foto do dispositivo finalizado
Figura 3 6 ndash (a) Esquema da amostra confeccionada no substrato flexiacutevel de plaacutestico
(PET) (b) foto do substrato finalizado
32
3332 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
Nesta etapa foram confeccionadas cinco amostras chamadas de P1 P2 P3 P4 e
P5 As medidas eleacutetricas foram realizadas usando os equipamentos jaacute descritos nas etapas
anteriores Os valores de VOC e ISC foram medidos apoacutes a tensatildeo da lacircmpada atingir 200
volts Todas as amostras ficaram expostas sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada durante cinco
minutos As amostras tiveram as resistecircncias medidas Pois os substratos utilizados aqui
eram isolantes e o filme condutor foi construiacutedo manualmente As resistecircncias das
amostras satildeo mostradas na tabela 33 juntamente com os valores de ISC VOC e potecircncia
calculada
Todas as amostras apresentaram valores de VOC e ISC para tensatildeo de iluminaccedilatildeo da
lacircmpada acima de 220 volts exceto a amostra P4 A amostra P4 mostrou valores
mensuraacuteveis de VOC e ISC a partir de iluminaccedilatildeo da lacircmpada com tensatildeo de 110 volts Os
valores desta variaccedilatildeo satildeo mostrados na tabela 34
Tabela 3 3 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (W) Tensatildeo da
Lacircmpada
Resistecircncia
Ohms
P1 ndash ndash ndash 240 540
P2 09 01 09 240 890
P3 15 07 105 240 550
P4 09 06 054 240 1500
2000 P5 24 09 216 240
Tabela 3 4 ndash Valores medidos de VOC e ISC com iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W para variaccedilatildeo de iluminaccedilatildeo para a amostra P4
Variaccedilatildeo das tensotildees VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W)
110 04 01 04
160 06 02 012
220 07 03 021
240 09 06 054
33
3333 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Na tabela 33 natildeo foi observada nenhuma ligaccedilatildeo direta dos valores de ISC e VOC
com as resistecircncias medidas das amostras Em relaccedilatildeo agraves amostras feitas nas Etapas 1 e 2
pode-se notar valores de ISC e VOC maiores
Foi observado que em todas as amostras confeccionadas no substrato de PET apoacutes
alguns minutos de aquecimento pela fonte de luz (lacircmpada de 100 w) as amostras se
deformavam Agrave medida que os testes eram repetidos as amostras se retorciam e em
algumas amostras os filmes ressecaram e se soltaram dos substratos Apesar destes
comportamentos ao se repetir os testes os valores de VOC e ISC permaneciam inalterados
para as amostras que os filmes natildeo estavam completamente rompidos A figura 37
apresenta a foto de uma amostra apoacutes ser submetida agrave fonte iluminaccedilatildeo de lacircmpada
incandescente de 100 W por 20 minutos Devido aacute sua deformaccedilatildeo e degradaccedilatildeo com o
calor este tipo de substrato foi descartada
Figura 3 7 ndash Amostra feita com substrato de PET apoacutes ser submetidos agrave fonte de lacircmpada
incandescente de 100 W por 20 minutos
334 ndash Experimentos Etapa 4
Devido ao retorcimento e agrave deterioraccedilatildeo das amostras confeccionadas com
substrato de PET nesta etapa voltou-se a utilizar o substrato de vidro recoberto com FTO
A prata foi usada para construir o eletrodo superior das amostras Para a camada ativa
continuou-se com uso do PSOB 47 Seguindo o mesmo esquema utilizado anteriormente
34
para confecccedilatildeo das amostras de PET mudou-se apenas o substrato O esquema do
dispositivo pode ser visto na figura 38
3341 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras
As resistecircncias dos substratos de vidro de 1 cm x 25 cm estatildeo entre 89 a 115 Ω
Os substratos foram limpos com clorofoacutermio acetona e aacutegua deionizada
Apoacutes o processo de limpeza todos os substratos foram secos a temperatura
ambiente por 2 horas
O eletrodo de PEDOTPSS foi pintado sobre o filme de FTO do substrato Em
seguida as amostras foram colocadas na estufa a 80 degC durante 24 horas
Apoacutes a secagem da camada de PEDOTPSS foi realizada a deposiccedilatildeo da camada
ativa com o auxilio de uma pipeta contendo 001 ml de soluccedilatildeo de PSOB 47 O
processo de secagem foi em temperatura ambiente por 24 horas
Por uacuteltimo foi feito o contato superior de tinta de Ag sobre a camada ativa de PS
OB 47 utilizando um pincel fino de cerdas comuns A aacuterea ativa foi estimada e ficou em
torno de 025 cm2 A figura 38 a) mostra o esquema que foi usado para confeccionar as
amostras e a figura 38 b) ilustra a amostra finalizada
Figura 3 8 ndash (a) Esquema da amostra para substrato de vidro recoberto com FTO (b) foto
da amostra finalizada
3342 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
Nesta etapa foram confeccionadas 10 amostras que foram nomeadas de v1 v2 v3
v4 v5 v6 v7 v8 v9 e v10 A tabela 35 mostra os valores daquelas que apresentaram
melhores desempenhos de VOC e ISC As medidas eleacutetricas foram realizadas usando os
equipamentos jaacute descritos nas etapas anteriores As medidas obtidas satildeo inferiores agravequelas
jaacute conseguidas nos itens anteriores Valores de VOC e ISC significativos ocorreram apoacutes a
tensatildeo da lacircmpada atingir 220 volts Todas as amostras ficaram expostas sob a luz da
lacircmpada durante 10 minutos As amostras foram iluminadas atraveacutes do vidroFTO
35
Tabela 3 5 ndash Valores de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo de lacircmpada incandescente de 100 W
durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W) Tensatildeo lacircmpada
v3 06 02 012 240
v5 05 01 050 240
v7 11 09 099 240
3343 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Apesar das amostras terem sido feitas seguindo os mesmos procedimentos os
valores de VOC e ISC obtidos satildeo diferentes Isto pode ter ocorrido devido agraves diferenccedilas nas
espessuras das camadas ativas que natildeo puderam ser controladas e tambeacutem no tamanho das
aacutereas ativas que podem ser levemente diferentes Aqui natildeo se pode falar em comparaccedilatildeo
com as outras amostras feitas anteriormente porque a aacuterea da camada ativa foi bastante
reduzida e as estruturas satildeo diferenciadas Desta forma os valores obtidos mesmo
menores ainda satildeo vaacutelidos
34 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS II
341 ndash Misturas usando P3HT
Nesta etapa foi proposto um estudo sobre diferentes misturas para a construccedilatildeo das
camadas ativas sempre incorporando o uso do OB Tipos de camadas ativas utilizadas
PSOB 47 P3HT+OB puro e PSOB 47 + P3HT
Para os trecircs tipos de dispositivos aqui investigados foi usado substrato de vidro
recoberto com FTO sobre o qual foi depositado por spin coating um filme de
PEDOTPSS que serviu como eletrodo inferior As camadas ativas foram depositadas
sobre o eletrodo de PEDOTPSS usando a teacutecnica de spin coating O eletrodo superior foi
pintado com tinta condutiva de Ag A figura 38 mostra o esquema do dispositivo que foi
utilizado para a confecccedilatildeo destas amostras
Para as medidas diretas de VOC e ISC foram usados dois tipos de iluminaccedilatildeo
artificial com lacircmpada de mercuacuterio Spektrallamp 80 W e iluminaccedilatildeo natural solar
36
342 ndash Experimentos Etapa 1
Nas etapas anteriores os filmes das amostras foram produzidos manualmente por
casting mas os resultados obtidos nas medidas iniciais natildeo foram satisfatoacuterios A fim de
buscar melhores resultados e tendo jaacute disponiacutevel no laboratoacuterio o equipamento de spin
coater para produzir filmes mais finos e homogecircneos a metodologia de confecccedilatildeo dos
filmes foi mudada Os filmes finos foram preparados em rotaccedilotildees variadas a fim de se
obter um filme adequado
3421 ndash Preparaccedilatildeo dos filmes por spin coater
Para preparar o primeiro grupo de amostras usaram-se substratos de vidro
recobertos com FTO Todos os substratos foram lavados em aacutegua deionizada e colocados
em estufa a 80degC para secar Para fazer o filme de PEDOTPSS inicialmente foi usada
rotaccedilatildeo de 500 rpm durante 25 segundos para espalhar a soluccedilatildeo uniformemente em todo
o substrato em seguida usou-se uma rotaccedilatildeo de 3000 rpm durante 40 segundos para
finalizar a confecccedilatildeo do filme
O filme de PEDOTPSS obtido dessa forma ficou bastante fino de modo que a
amostra saia do spin coater quase seca A fim de eliminar-se qualquer vestiacutegio do
solvente que no caso do PEDOT PSS usou-se agrave aacutegua as amostras foram colocadas na
estufa em temperatura de 50 degC por 1 hora Antes de depositar a camada ativa uma parte
do filme de PEDOTPSS foi protegido com fita onde foi construiacutedo o eletrodo inferior
Foram preparados trecircs tipos de soluccedilotildees para formar a camada ativa A primeira foi
uma soluccedilatildeo jaacute preparada de PS OB 47 no LABPOL do instituto de Quiacutemica UnB [41]
A segunda uma mistura de PS OB 47 mais o P3HT na proporccedilatildeo de 11 e a terceira foi
uma soluccedilatildeo de 1 ml de P3HT com 001 ml de OB puro As trecircs soluccedilotildees foram agitadas
durante 2 horas antes de serem depositadas por spin coating Os filmes da camada ativa
foram feitos com rotaccedilatildeo de 4000 rpm durante 40 segundos
Como o clorofoacutermio eacute um solvente que tem evaporaccedilatildeo raacutepida a deposiccedilatildeo da
camada ativa foi feita com o substrato jaacute girando no spin coater A deposiccedilatildeo foi realizada
com ajuda de uma pipeta As secagens das camadas ativas foram em temperatura ambiente
dentro da estufa para proteger as amostras de impurezas tais como poeira e contaminaccedilotildees
em geral
37
Por fim foi pintado no topo das amostras o eletrodo de Ag Foram construiacutedas duas
geometrias para se observar a influecircncia na quantidade de cargas coletadas e tambeacutem a
influecircncia do tamanho da aacuterea ativa As geometrias satildeo mostradas nas figuras 39 (a) e 39
(b)
Figura 3 9 ndash (a) Geometria do eletrodo de Ag confeccionado em forma de ponto e (b)
geometria do eletrodo de Ag feito em forma de trilhas
3422 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W
A fonte de iluminaccedilatildeo utilizada na caracterizaccedilatildeo dos dados experimentais e
resultados II consistiu em uma lacircmpada Hg spektrallamp de 80 W ligada a uma fonte de
alimentaccedilatildeo DROSSEL FUumlR SPEKTRALLAMP POWER SUPPLY FOR SPECTRAL
LAMPS
As medidas eleacutetricas das amostras foram realizadas usando os mesmos
equipamentos jaacute citados nos dados experimentais e resultados I
Cada amostra ficou exposta agrave radiaccedilatildeo direta da lacircmpada de Hg aproximadamente
por 5 minutos Para estas medidas natildeo foram considerados interferecircncia acircngulo de
inclinaccedilatildeo da amostra ou da lacircmpada Os valores de VOC e ISC obtidos para os dois tipos de
contatos para as geometrias desenhadas em forma de ponto e em trilha satildeo mostrados nas
tabelas 36 e 37 respectivamente
38
Tabela 3 6 ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito com um ponto de
prata Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PSOB 47 02 001 2
OB puroP3HT 06 002 12
PSOB 47P3HT 06 002 12
Tabela 3 7ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito de prata em forma de
trilhas com concentraccedilatildeo em um ponto Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PSOB 47 12 006 72
OB puroP3HT 11 005 55
PSOB 47P3HT 11 005 55
3423 ndash Caracterizaccedilatildeo com luz solar direta
As amostras com geometria de contato em forma de trilhas foram escolhidas para
serem caracterizadas pela luz solar direta Pois este grupo de amostra apresentou melhores
desempenhos quando submetidas agrave luz da lacircmpada espectral de Hg em relaccedilatildeo agraves amostras
confeccionadas com eletrodos em forma de ponto As medidas foram realizadas em dia de
sol intenso nos horaacuterios entre onze horas e doze horas Para realizar estas medidas foi
utilizada uma lente convergente [45] Isso foi feito para concentrar os raios solares sobre as
amostras Todas as amostras deste grupo ficaram expostas por aproximadamente 5 minutos
cada Os resultados satildeo mostrados na tabela 38
Tabela 3 8 ndash Resultados obtidos das medidas de VOC e ISC usando luz solar direta durante
5 minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PSOB 47 22 002 44
OB puroP3HT 18 002 36
PSOB 47P3HT 17 001 17
39
3423 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Para as amostras com contato de prata com a geometria desenhada em forma de
trilhas foram observados valores de VOC e ISC maiores do que aqueles com contato de
prata desenhado em forma de ponto Isto indica que realmente a geometria das trilhas
favorece a coleta das cargas geradas Neste caso tambeacutem existe uma aacuterea ativa maior o
que contribuiu para uma maior absorccedilatildeo da luz e consequumlentemente um aumento na
quantidade de cargas
As amostras com a camada ativa de PSOB 47 mostraram VOC e ISC superiores agraves
outras que continham a mistura do P3HT em sua camada ativa
Quando as amostras foram submetidas agrave luz solar direta houve um aumento
significativo de VOC contudo tivemos valores de ISC reduzidos em relaccedilatildeo aos valores
obtidos com a iluminaccedilatildeo da lacircmpada Hg Isto pode ser devido ao calor gerado pelo sol
que promoveu um espalhamento das cargas Pode-se notar que a potecircncia fornecida
tambeacutem diminuiu quando a luz solar foi usada como fonte de luz para caracterizaccedilatildeo das
amostras
343 ndash Experimentos Etapa 2
Para fazer uma investigaccedilatildeo em funccedilatildeo da espessura da camada ativa foram
confeccionadas novas amostras Continuou-se o uso dos trecircs tipos de soluccedilotildees para as
camadas ativas PSOB 47 OB puro+P3HT e PSOB 47 +P3HT Com a teacutecnica de
spin coating quanto maior a velocidade de rotaccedilatildeo menores satildeo as espessuras dos filmes
Para se obter filmes com espessuras adequadas os seguintes paracircmetros devem ser
observados viscosidade da soluccedilatildeo velocidade de rotaccedilatildeo e tempo de rotaccedilatildeo
3431 ndash Preparando novas amostras
Nesta etapa utilizou-se apenas rotaccedilatildeo de 3000 rpm para confeccionar o filme de
PEDOTPSS A deposiccedilatildeo foi feita com o auxiacutelio de uma conta gotas sendo que para cada
filme foram usadas duas pequenas gotas (001ml) Essa quantidade de soluccedilatildeo foi
suficiente para conseguir um espalhamento satisfatoacuterio e obter um filme fino e uniforme
Depois da deposiccedilatildeo os substratos satildeo colocados na estufa a 100 degC durante 15 minutos
para concluir o processo de secagem
40
Os trecircs tipos de camadas ativas foram preparadas seguindo o procedimento citado
na etapa 1 dos dados experimentais e resultados II Para esse grupo de amostra foi usado
um programa para o espalhamento do filme da camada ativa com uma rotaccedilatildeo fixa de 6000
rpm durante 25 segundos
Para depositar a mistura da camada ativa usou-se uma pipeta com 01 ml de
soluccedilatildeo Primeiramente depositou-se a mistura e em seguida colocou-se o spin coater
para girar atraveacutes do programa de rotaccedilatildeo previamente programado Esse procedimento
garante a uniformidade do filme As amostras foram levadas para a estufa a 100 degC por 20
minutos
O eletrodo superior foi pintado agrave matildeo O esquema usado para a confecccedilatildeo dos
dispositivos e a foto de uma amostra satildeo mostrados na figura 310 As amostras foram
confeccionadas seguindo o esquema mostrado na figura 310 (b) Todas as amostras deste
grupo tiveram um desenho semelhante ao da foto da figura 310 (a) Pois existem
variaccedilotildees nas espessuras dos contatos de Ag pois foram feitos a matildeo livre e sem muito
controle Isso pode ser um problema pois este eleacutetrodo pode aumentar a resistecircncia da
amostra fazendo diminuir as correntes coletadas das cargas geradas pelo dispositivo
Figura 3 10 ndash (a) Foto da amostra (b) Estruturas das camadas dos dispositivos das
novas amostras
41
3431 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W
Usou-se para este grupo de amostras os mesmos procedimentos de caracterizaccedilotildees
para as medidas de o VOC e ISC descrito na etapa 1 dos dados experimentais e resultados II
Para cada medida as amostras ficaram expostas sob o feixe de luz da lacircmpada de Hg que
foi focalizada diretamente na aacuterea ativa por aproximadamente cinco minutos
A aacuterea ativa foi estimada em torno de 05 cmsup2 Foram confeccionadas nove
amostras e os valores de VOC e ISC das amostras que apresentaram melhores desempenhos
satildeo apresentadas na tabela 39
Tabela 3 9 ndash Medidas de VOC e ISC para amostras iluminadas pela lacircmpada Hg 80 W
aproximadamente cinco minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) P (nW)
PS OB 47 21 009 189
OBP3HT 18 002 36
PSOB 47P3HT 17 001 17
3433 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar direta
O mesmo grupo de amostras foi exposto sob luz solar direta em horaacuterio de sol
intenso entre onze horas e doze horas Todas as amostras tiveram um tempo de exposiccedilatildeo
de aproximadamente cinco minutos Os valores de VOC e ISC medidos podem ser vistos na
tabela 310 Nestes experimentos a lente convergente tambeacutem foi utilizada Poreacutem natildeo
foram observados acircngulos de incidecircncia e nem mudanccedila da irradiaccedilatildeo solar As medidas de
VOC e ISC foram realizadas em dia de sol forte e sempre no mesmo horaacuterio A figura 311
mostra como as medidas foram realizadas Para concentrar os raios solares usou-se uma
lente de aumento As medidas foram aferidas com uso de multiacutemetro digital descrito
anteriormente com cabos e garras de jacareacute comuns
42
Figura 3 11 ndash Ilustraccedilatildeo do experimento realizado com uma amostra tendo o contato
desenhado com a geometria em forma de trilhas camada ativa de PS OB 47
Para manter um padratildeo para todas as medidas a distacircncia entre a lente e a amostra
foram padronizadas a fim de que a intensidade de luz solar concentrada sobre cada
dispositivo fosse aproximadamente agrave mesma
Tabela 3 10 ndash Valores de VOC e ISC para amostras iluminada sob luz solar direta expostas
durante cinco minutos cada
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PS OB 47 62 009 558
OBP3HT 33 003 99
PSOB 47P3HT 25 002 50
3434 ndash Curva caracteriacutestica de corrente versus tensatildeo aplicada (IndashV)
A partir desta etapa as caracterizaccedilotildees eleacutetricas dos dispositivos tambeacutem foram
realizadas atraveacutes das medidas das curvas IndashV As medidas foram realizadas no escuro e
sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio Para estes experimentos foram usados os trecircs tipos de
camadas ativas jaacute mencionadas para confeccionar os dispositivos
Os experimentos das medidas foram realizados em sala com temperatura e pressatildeo
atmosferica ambiente e iluminaccedilatildeo de lacircmpadas comuns Tambeacutem foram realizados testes
43
usando a lacircmpada de Hg iluminando diretamente a parte superior da amostra Contudo
natildeo foram observadas mudanccedilas significativas nas medidas para este grupo de amostras
Figura 3 12 ndash Ilustraccedilatildeo da polarizaccedilatildeo direta para amostras com P3HT e gota de
PEDOTPSS para medidas das curvas (IndashV)
Para evitar que a agulha perfurasse o filme fino de PEDOTPSS e atingisse o filme
de FTO uma gota mais espessa de PEDOTPSS foi colocada sobre o filme no ponto onde
a agulha fazia o contato conforme mostra a figura 312
As amostras foram submetidas a uma tensatildeo que variou de um valor maacuteximo a um
valor miacutenimo com passo conhecido e constante de 002 Com os dados coletados nesse
experimento os graacuteficos de corrente versus tensatildeo aplicada foram gerados Este graacutefico eacute
conhecido como curva caracteriacutestica do dispositivo Os resultados obtidos satildeo mostrados
nas figuras 313 314 e 315 foram obtidas sob iluminaccedilatildeo comum do laboratorio LDCI
A figura 313 mostra a curva caracteriacutestica do dispositivo com a camada ativa de
PSOB 47 A iluminaccedilatildeo foi realizada com a lacircmpada do equipamento Keither 2400 e
iluminaccedilatildeo ambiente do laboratoacuterio LDCI (ambas satildeo luz branca) Para polarizaccedilatildeo direta
de -2 a 2 V foram observados valores de VOC de 09 volts enquanto que a corrente de 003
A foi negativa
A figura 314 mostra a curva IndashV para amostra com camada ativa usando
P3HT+OB puro Para essa amostra os valores de VOC = 002 V e ISC 0013 A foram
obtidos
A figura 315 mostra a curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PSOB
47 +P3HT Os valores de VOC = 11 V e ISC 00124 A foram observados neste graacutefico
44
Figura 3 13 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47 Corrente e
tensatildeo observadas 003 uA e 09 Volts respectivamente
Figura 3 14 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de OB puro + P3HT Corrente
e tensatildeo observadas 0013 uA e 002 Volts respectivamente
45
Figura 3 15 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47+P3HT
Corrente e tensatildeo observadas 0012 uA e 11 volts respectivamente
3435 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Aqui jaacute eacute possiacutevel notar um progresso nas medidas em relaccedilatildeo agraves amostras das
etapas anteriores que possuiacuteam camada ativa mais espessa Os valores de VOC e ISC obtidos
com o multiacutemetro digital foram maiores para os dois tipos de iluminaccedilotildees lacircmpada Hg e
luz solar Estes resultados podem ser observados nas tabelas 39 e 310 Os resultados
mostram que o comportamento das amostras com camada ativa de PSOB 47
apresentaram melhores resultados Nota-se que a potecircncia fornecida pelas amostras
iluminadas pela luz solar natural eacute significantemente maior que quando iluminadas pela
lacircmpada de Hg
Nas amostras confeccionadas com blenda de OB puro+P3HT e PSOB 47
+P3HT foram observados resultados semelhantes tanto para VOC quanto para ISC
As trecircs amostras apresentaram comportamento distinto sendo que a amostra com
camada ativa feita com o PSOB 47 o resultado eacute mais parecido com o efeito
fotovoltaico e por isso eacute mais relevante
46
Para as proacutexinas amostras natildeo seraacute mais empregado o uso do P3HT Pois como foi
mostrado nos resultados seu uso natildeo favoreceu melhoras nas medidas Apesar dos
resultados apresentados e conseguidos ateacute aqui serem pequenos ainda assim podem ser
considerados satisfatoacuterios e promissores Pois se trabalhou com materiais novos e estaacute
empregando poliacutemeros isolantes de baixo custo usando oacuteleo vegetal como dopante
Reforccedilando a motivaccedilatildeo para o uso destes materiais no desenvolvimento em dispositivos
fotovoltaicos orgacircnicos
35 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS III
351 ndash Experimentos Etapa 1
Nesta etapa as pesquisas foram centralizadas em misturas de poliacutemeros isolantes
dopados com OB Aleacutem da mistura do PS com OB estudado anteriormente tambeacutem foi
incorporado agrave pesquisa a mistura do PMAM com OB Estudos recentes de Duratildees et al [8]
sobre a absorccedilatildeo de luz destes materiais na faixa de ultravioleta e luz visiacutevel mostraram
que quando o OB eacute adicionado agraves matrizes de PS e de PMAM um aumento significante
na absorccedilatildeo da luz eacute observado
As amostras dos dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos consistiram em camada ativa
contendo PS puro PS com 47 OB PMAM puro e PMAM com 35 de OB
As amostras foram ensanduichadas entre dois eletrodos PEDOT PSS e Ag A
caracterizaccedilatildeo eleacutetrica para as medidas de VOC e ISC foi realizada com a iluminaccedilatildeo da
lacircmpada de Hg 80 W e luz solar As curvas IndashV foram mensuradas usando um sistema de
caracterizaccedilatildeo de semicondutores Keithey 2400
3511 ndash Confecccedilatildeo das amostras usando PS e PMAM 1ordm grupo
Os dispositivos foram preparados sobre um substrato de vidro recoberto com
camada de FTO a resistecircncia da lacircmina eacute de aproximadamente 41-60 Ω
Os filmes de PEDOT PSS foram confeccionados com rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante
25 segundos e secos em estufa a 80 degC por 15 minutos Apoacutes os filmes das camadas ativas
das amostras serem feitos usando rotaccedilatildeo de 5000 rpm por 40 segundos foram secos em
estufa a 100 Cdeg por 15 minutos
47
Por fim foi usada a tinta de Ag para fazer o eletrodo superior Esse eletrodo foi
pintado com pincel comum de cerdas finas O contato superior foi pintado em forma de
linhas sobre o filme da camada ativa conforme mostrado na Figura 310
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo usando lacircmpada de Hg 80 W
As mesmas formas descritas anteriormente de caracterizaccedilatildeo foram utilizadas aqui
para fazer as medidas de VOC e ISC Os resultados obtidos com iluminaccedilatildeo da lacircmpada de
Hg durante cinco minutos de exposiccedilatildeo para o 1ordm grupo de amostra satildeo mostrados na
tabela 311
Tabela 3 11 ndash Resultados das medidas de ISC e VOC das amostras do 1ordm grupo sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpada durante 05 minutos de exposiccedilatildeo
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W)
PS puro 02 000 00
PSOB 47 08 003 0024
PMAM puro 02 000 00
PMAMOB 35 06 002 0012
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar
Foram usados os mesmos procedimentos e instrumentos descritos anteriormente
para obter as medidas de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo de luz solar direta usando-se lentes
convergentes durante cinco minutos de exposiccedilatildeo A tabela 312 mostra os valores
obtidos
Tabela 3 12 ndash Resultados para ISC e VOC sob iluminaccedilatildeo luz solar por aproximadamente
05 minutos de exposiccedilatildeo
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W)
PS puro 11 001 0011
PSOB 47 39 006 0234
PMAM puro 09 002 0018
PMAMOB 35 27 004 0108
48
3512 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Como pode ser visto nas tabelas 311 e 312 os valores de VOC e ISC para as
amostras contendo PS puro e PMAM puro mostraram desempenhos inferiores que aquelas
com adiccedilatildeo do OB Nas caracterizaccedilotildees sob luz solar os desempenhos das amostras foram
superiores quando comparados com os valores obtidos sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada de Ag
Apesar da amostra com camada ativa da mistura de PMAMOB 35 ter mostrado valores
mais baixos quando comparados agrave amostras contendo camada ativa com a mistura de
PSOB 47 ela ainda tem valores superiores agravequeles mostrados quando a camada ativa
era composta por misturas de PSOB 47 +P3HT
352 ndash Experimentos Fase 2
3521 ndash Confecccedilatildeo das amostras do 2ordm grupo
Para o 2ordm grupo de amostras foram confeccionadas quinze unidades sendo que
foram reproduzidas mais de uma amostra para cada tipo de camada ativa Isto foi feito para
observar a reprodutibilidade das amostras e a repetibilidade das medidas As amostras
foram nomeadas de A5 a A19 Todas as amostras seguiram os mesmos criteacuterios de
confecccedilatildeo jaacute mencionados anteriormente Para este grupo foi usada uma rotaccedilatildeo maior no
spin coater
Para fazer o filme de PEDOTPSS foi usada uma rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante
trinta segundos Para a deposiccedilatildeo da camada ativa foi usada uma rotaccedilatildeo de 6000 rpm
durante sessenta segundos Neste caso as amostras foram secas em temperatura ambiente
Este conjunto de amostras deve possuir filmes mais finos que os filmes das amostras
anteriores devido ao aumento da rotaccedilatildeo do spin coater durante a deposiccedilatildeo
Para medir a aacuterea ativa com mais precisatildeo para este grupo de amostras os contatos
superiores de Ag foram desenhados em apenas um ponto A confecccedilatildeo dos dispositivos
seguiu a configuraccedilatildeo das camadas e a geometria do eletrodo de Ag conforme o esquema
mostrado na figura 316 O contato de prata foi pintado em forma de retacircngulo que
representa a aacuterea ativa e ficou em torno de 010cm2
49
Figura 3 16 ndash Estruturas das camadas e do contato de Ag dos dispositivos fotovoltaicos
orgacircnicos usado para o 2 ordm grupo de amostras
3522 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar
Este grupo de amostras foi submetido somente agrave caracterizaccedilatildeo de luz solar direta
As medidas foram realizadas em dias diferentes a fim de observar a repetibilidade das
medidas dos dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos confeccionados
Os dados da tabela 313 mostram medidas de VOC e ISC realizadas entre dez e onze
horas da manhatilde sob sol intenso e usando lentes convergentes Para estas amostras o
tempo de exposiccedilatildeo foi de aproximadamente dez minutos Com tempo de exposiccedilatildeo
maior e usando lentes convergentes as amostras A5 A6 A7 e A8 se aqueceram muito e
se danificaram Contudo valores de VOC obtidos foram bem superiores
Foram realizadas medidas em dois dias usando as amostras A9 A10 A11 A13
A14 A15 A16 A17 A18 e A19 para observar a repetibilidades das medidas As tabelas
14 e 15 mostram medidas de VOC e ISC realizadas nos dias 12052009 e 18052009
respectivamente entre dez e onze horas da manhatilde sob sol forte e usando lentes
convergentes para concentrar os raios solares na camada ativa da amostra
Tabela 3 13 ndash Medidas realizadas para as amostras A5 A6 A7 sob iluminaccedilatildeo solar
direta durante 10 minutos
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W) Amostra
PS puro 18 004 0072 A5
PS OB 47 49 008 0392 A6
PMAM puro 11 001 0011 A7
PMAMOB 35 48 005 024 A8
50
Tabela 3 14 ndash Medidas realizadas no dia 12052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W) Amostra
PS OB 47 11 003 0033 A9
PS puro 08 0 0 A10
PS puro 1 001 001 A11
PS OB 47 19 003 0057 A13
PS OB 47 11 003 0033 A14
PS OB 47 12 002 0024 A15
PMAM puro 09 001 0009 A16
PMAM puro 07 001 0007 A17
PMAMOB 35 11 001 0011 A18
PMAMOB 35 14 005 007 A19
Tabela 3 15 ndash Medidas realizadas no dia 18052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W) Amostra
PS OB 47 12 004 0048 A9
PS puro 06 01 006 A10
PS puro 08 001 008 A11
PS OB 47 21 004 0084 A13
PS OB 47 15 003 0045 A14
PS OB 47 10 002 002 A15
PMAM puro 07 001 00007 A16
PMAM puro 08 001 00008 A17
PMAMOB 35 12 003 0036 A18
PMAMOB 35 13 005 0065 A19
3523 ndash Curva caracteriacutestica corrente versus tensatildeo (IndashV)
Foram realizadas medidas das curvas IndashV usando o sistema de caracterizaccedilatildeo de
semicondutores Os procedimentos adotados foram descritos anteriormente Para estas
amostras foram usadas quatro tipos de camada ativa PS puro PSOB 47 PMAM puro e
51
PMAMOB 35 As medidas das curvas IndashV foram realizadas no escuro e sob iluminaccedilatildeo
natural do laboratoacuterio LDCI
Natildeo foram observadas grandes influecircncias sobre o efeito da iluminaccedilatildeo nas
amostras pois as curvas IndashV obtidas no escuro e no claro apresentaram valores parecidos
para VOC e ISC
Para a camada ativa confeccionada com o poliacutemero PS puro (figura 317) a curva
IndashV realizada no escuro e no ambiente iluminado mostra uma superposiccedilatildeo das curvas
O dispositivo com camada ativa feita de PSOB 47 mostrada na (figura 318)
natildeo se observa diferenccedila significativa nas curvas obtidas no escuro e com iluminaccedilatildeo do
laboratoacuterio O mesmo pode ser observado na (figura 319) onde a camada ativa eacute feita de
PMAM puro Contudo observou-se uma leve diferenccedila nas curvas mostradas na (figura
320) para a amostra confeccionada com camada ativa da mistura de PMAMOB 35
Onde houve um pequeno deslocamento para a corrente
Figura 3 17 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PS puro No escuro e sob
iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
52
Figura 3 18 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PSOB 47 No escuro e
sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
Figura 3 19 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAM puro No escuro
e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
53
Figura 3 20 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAMOB 35 No
escuro e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
3524 ndash Medida de espessura
As espessuras dos filmes foram medidas usando um Perfilocircmetro Dektak 150
VEECO Os filmes de PEDOTPSS depositados pela teacutecnica de spin coating usando
rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante quarenta segundos apresentaram espessuras na ordem de 180
nanocircmetros
Os procedimentos para medir as espessuras consistiram em medir vales e
superfiacutecie Para realizar as medidas dos filmes um risco foi feito usando a ponta de um
estilete conforme mostra a figura 321 O risco foi percorrido com a ponta do perfilocircmetro
com distacircncia de 500 m no sentido transversal Para obter a espessura do filme mede-se
entatildeo a diferenccedila de altura entre um ponto de referecircncia R fundo do vale e M superfiacutecie do
filme conforme mostrado na figura 322 Os procedimentos foram realizados em trecircs
diferentes regiotildees da amostra onde foi obtido um valor meacutedio da espessura do filme
54
Figura 3 21 ndash Risco feito no filme da amostra onde a ponta do perfilocircmetro executou a
varredura
Figura 3 22 ndash Medindo a diferenccedila da altura entre os cursores (R - reference) e (M -
measurement) para determinar a espessura do filme
Todos os quatro tipos de filmes usados para formar as camadas ativas dos
dispositivos que foram depositados por spin coating tiveram suas espessuras medidas Para
cada amostra foram feitos trecircs riscos em pontos alternados a fim de se verificar a
uniformidade na espessura Os riscos seguiram o exemplo ilustrado na figura 321 Os
resultados das trecircs medidas e o seu valor meacutedio para cada filme satildeo mostrados nas tabelas
316 e 317
A tabela 316 mostra os resultados das medidas de espessuras de filmes depositados
com rotaccedilatildeo de 5000 rpm durante 60 segundos A tabela 317 mostra os valores das
afericcedilotildees das espessuras para os filmes depositados com rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante 60
segundos Pode-se observar que os filmes feitos com rotaccedilotildees maiores apresentaram
valores de espessuras menores Tambeacutem eacute observado que a adiccedilatildeo do OB nas matrizes
polimeacutericas isolantes tende a camadas mais espessas mesmo para um mesmo valor de
rotaccedilatildeo quando comparada com os filmes sem o OB
55
Tabela 3 16 ndash Medida dos pontos e a media medida dos filmes das camadas ativas feitos
com rotaccedilatildeo de 5000 rpm Valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M
Camada ativa 1deg Ponto (nm) 2deg Ponto (nm) 3deg Ponto (nm) Meacutedia (nm)
PS puro 194 202 189 195
PS OB 47 283 305 296 2946
PMAM puro 127 90 105 1073
PMAM OB 35 235 269 259 2543
Tabela 3 17 ndash Medida dos pontos e a media dos filmes das camadas ativas feitos com
rotaccedilatildeo de 6000 rpm O valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M
Camada ativa 1deg ponto (nm) 2deg ponto (nm) 3deg ponto (nm) Meacutedia (nm)
PS puro 126 130 128 128
PS OB 47 221 218 208 2156
PMMA puro 76 113 97 953
PMMA OB 35 196 163 180 1796
3524 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Pode-se observar nestas medidas que as amostras contendo misturas de PSOB
47 em sua camada ativa mostraram resultados melhores que as outras amostras
analisadas Tambeacutem foi comprovado que as amostras podem ser reproduzidas sendo que
suas medidas foram repedidas As amostras que foram feitas em duplicatas ou triplicadas
possuem valores de VOC e ISC muito parecidos confirmando assim a reprodutibilidade na
sua fabricaccedilatildeo Atraveacutes das tabelas 314 e 315 pode ser observado que os valores obtidos
satildeo repetidos em dias diferentes mesmo assim natildeo ocorreram diminuiccedilotildees nos valores
medidos de VOC e ISC
Para as curvas IndashV coletadas no laboratoacuterio no escuro e sob iluminaccedilatildeo ambiente
para os dispositivos com camadas ativas com misturas das matrizes polimeacutericas de PSOB
47 e PMAM OB 35 (figuras 318 319 319 e 320) natildeo foram detectadas variaccedilotildees
relevantes entre os diferentes tipos de camadas ativas sob diferentes condiccedilotildees de
iluminaccedilatildeo O intrigante nestas medidas eacute que o mesmo efeito que aparece no claro
aparece tambeacutem no escuro As curvas tendem a um comportamento com resistecircncia de
56
diferencial negativa proacuteximo a tensotildees mais baixas Talvez isso aconteccedila devido agrave
caracteriacutestica intriacutenseca dos materiais utilizados nas confecccedilotildees das amostras
353 ndash Experimentos Etapa 3
3531 ndash Confecccedilatildeo das amostras com parte do FTO removido
Nesta etapa os dispositivos tambeacutem foram preparados sobre substrato de vidro o
mesmo tipo usado anteriormente Poreacutem aqui antes de fazer a deposiccedilatildeo dos filmes parte
do FTO foi removida do substrato de vidro A corrosatildeo do FTO foi feita utilizando uma
tinta homogecircnea preparada com poacute de zinco (Zn)
Para conservar parte do FTO no substrato foi utilizada fita adesiva sendo tambeacutem
possiacutevel utilizar tinta ou esmalte [46] Com parte do FTO protegido o substrato foi
mergulhado em soluccedilatildeo diluiacuteda de aacutecido cloriacutedrico (HCI)
Apoacutes a etapa de corrosatildeo as lacircminas passaram por um processo de limpeza Os
substratos foram limpos para retirar gorduras e resiacuteduos quiacutemicos
A corrosatildeo se fez necessaacuteria para evitar curto circuito entre os eletrodos de contato
do dispositivo Mudou-se a geometria dos substratos porque em algumas medidas de
curvas IndashV que foram obtidas em algumas amostras obteve-se curvas do tipo ocirchmico Isto
pode ter ocorrido porque o eletrodo de FTO estava ocupando toda a superfiacutecie do
substrato de vidro e pode ter ocorrido que na hora das medidas a agulha do equipamento
de medidas pode ter perfurado os filmes das camadas do dispositivo medindo apenas o
filme de FTO que apresenta curva puramente ocirchmica Assim com parte do FTO retirado
garante que a corrente flua apenas pelas camadas dos filmes do dispositivo A geometria
da lacircmina de vidro apoacutes a corrosatildeo pode ser visualizada na figura 323
Figura 3 23 ndash Geometria da lacircmina de vidro apoacutes corrosatildeo do FTO
57
Com o substrato limpo e seco e com a nova geometria desenvolvida segue para a
etapa da deposiccedilatildeo do poliacutemero condutor PEDOTPSS que serviu de um dos eletrodos A
deposiccedilatildeo foi realizada sobre toda a lacircmina de vidro conforme mostra o esquema da figura
324 O filme foi feito usando a teacutecnica de spin coating com rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante
cinquumlenta e cinco segundos o filme foi seco em estufa a 50 degC por 15 minutos
Os materiais utilizados como camada ativa foram PS puro PSOB 47 PMAM
puro e PMAMOB 35 Os diferentes tipos de camadas ativas foram depositados sobre a
estrutura vidroFTOPEDOTPSS usando a teacutecnica de spin coating com rotaccedilatildeo de 7000
rpm durante quarenta segundos Os filmes das camadas ativas foram secos em temperatura
ambiente
O outro eletrodo foi pintado sobre a camada ativa com tinta condutora de Ag A
estrutura vidroFTOPEDOT PSScamada ativaAg do dispositivo final pode ser vista na
figura 324 A regiatildeo ativa tem aacuterea de aproximadamente 009 cm2
Figura 3 24 ndash Geometria das camadas do dispositivo
3532 ndash Caracterizaccedilatildeo das curvas (IndashV )
As amostras foram caracterizadas atraveacutes das curvas IndashV Na figura 325 satildeo
mostradas comparaccedilotildees entre resultados obtidos para camadas ativas com o PS puro e
PSOB 47 Na figura 326 satildeo mostradas comparaccedilotildees entre resultados obtidos para
camadas ativas com o PMAMOB 35 Foi observado que para as camadas ativas sem o
OB o comportamento da curva Indash V eacute puramente ocirchmico ou seja linear Pode-se ressaltar
58
um comportamento resistivo para o filme utilizado nessa camada ativa enquanto que para
o filme da camada ativa com OB as curvas natildeo satildeo lineares
Outro detalhe a ser notado foi que para os filmes de PS puro e PSOB 47 as
correntes obtidas satildeo maiores que para os filmes confeccionados com PMAM puro e
PMAMOB 35 isto concorda com os resultados obtidos atraveacutes da iluminaccedilatildeo onde os
valores de VOC e ISC tambeacutem se apresentaram maiores
O dispositivo feito com o PS puro apresenta uma resistecircncia maior que o
dispositivo feito com PMAM puro isto talvez aconteccedila devido agraves diferenccedilas nas
espessuras das camadas ou nas propriedades intriacutensecas do material
Como pode ainda ser observadas nas figuras 325 e 326 quando se usou camada
ativa contendo o OB em sua mistura mudanccedilas ocorreram nos comportamentos das curvas
IndashV O comportamento da curva natildeo eacute mais linear e apresenta simetria para as duas
polarizaccedilotildees aplicadas (-V+V) Nos casos das curvas observadas para as camadas ativas
contento OB observou-se curvas semelhantes agrave curva de um diodo do tipo metal isolante
metal (MIM) [47]
Figura 3 25 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PS puro
e PS OB 47
59
Figura 3 26 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PMAM
puro e PMAMOB 35
Para quase todas as amostras que confeccionamos nas condiccedilotildees descritas acima
teve-se respostas nas medidas eleacutetricas para as caracterizaccedilotildees das curvas IndashV realizadas
no laboratoacuterio LDCI Foi observado que os dispositivos contendo OB apresentaram um
efeito fotovoltaico em temperatura ambiente As medidas foram realizadas no escuro e
com iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio Nas figuras 327 e 328 satildeo mostradas as curvas IndashV para
os dispositivos confeccionados com camadas ativas de PSOB 47 e PMAMOB 35
respectivamente
Em quase todas as amostras que foram realizadas as medidas das curvas IndashV o
efeito fotovoltaico foi observado Pode-se observar nesses resultados um aumento da
fotocorrente quando as amostras foram iluminadas
60
Figura 3 27 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PSOB
47 no claro e escuro
Figura 3 28 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de
PMAMOB 35 no claro e escuro
61
3533 - Anaacutelise e discussatildeo
Paras esses dispositivos natildeo foram apresentados os caacutelculos da eficiecircncia ( nem o
valor de IPCE porque para determinar tais paracircmetros dos dispositivos fotovoltaicos seraacute
necessaacuterio conhecer a I0 e mencionados no capiacutetulo II Poreacutem para as medidas
realizadas nesta pesquisa natildeo foram considerados o coeficiente de massa de ar o acircngulo
de inclinaccedilatildeo da luz incidente na amostra nem o comprimento de onda Paracircmetros que soacute
seratildeo determinados usando-se um sistema utilizado para caracterizaccedilatildeo de dispositivo
fotovoltaico No momento natildeo havendo disponibilidade de tal equipamento no laboratoacuterio
Observou-se que a inserccedilatildeo de OB em matrizes polimeacutericas isolantes tais como a
de PMAM e PS promoveram a absorccedilatildeo de foacutetons e portanto a formaccedilatildeo de eacutexciton Os
VOC foram de 008 V para o PMAMOB 35 e 03 V para PSOB 47 No caso do valor
de VOC obtidos para o PSOB 47 o nuacutemero eacute aproximadamente o mesmo valor da
diferenccedila da funccedilatildeo trabalho entre o PEDOTPSS (49 eV ) e a Ag (46 eV) No entanto
para o PMAMOB 35 este nuacutemero eacute inferior agrave diferenccedila da funccedilatildeo trabalho entre
PEDOTPSS e a Ag Aqui vale a pena ressaltar que as funccedilotildees trabalho do PEDOTPSS
podem variar entre 48 e 49 eV e a funccedilatildeo trabalho da prata podem variar de 452 eV e
474 eV dependendo da interface entre os materiais da camada ativa Assim pegou-se o
valor de 474 eV para a funccedilatildeo trabalho da prata e de 48 eV para o PEDOTPSS obteve-se
um valor de 006 eV o qual estaacute bastante proacuteximo do valor de 008 eV que eacute a tensatildeo de
circuito aberto obtida para a amostra de PMAMOB 35 Os valores de VOC satildeo limitados
pelo potencial de contato ou pelas diferenccedilas entre a funccedilatildeo trabalho dos eletrodos Sendo
assim neste sistema natildeo eacute possiacutevel conseguir tensotildees de VOC maiores Entretanto se for
utilizado materiais onde as funccedilatildeo trabalho dos eletrodos sejam muito diferentes poderaacute
obter VOC ainda maiores Os resultados obtidos nesse trabalho satildeo menores que os
relatados em trabalhos publicados [48-52] Contudo trabalhou-se com novos materiais
abundantes e baratos Aleacutem de se ter usado oacuteleo vegetal que eacute um material natural e que se
acredita no seu potencial para em breve obter melhores resultados
354 Caracterizaccedilatildeo dos Materiais por Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM)
Um dos paracircmetros importantes nos filmes polimeacutericos eacute a topologia pois a partir
dela se se pode inferir a uniformidade das camadas A questatildeo da uniformidade da
superfiacutecie dos materiais em Eletrocircnica Orgacircnica eacute importante porque permite conhecer o
62
desempenho eletrocircnico dos filmes Fatores como injeccedilatildeo e o transporte de cargas podem
ser facilitados ou bloqueados dependendo da espessura da camada polimeacuterica e da sua
regularidade fiacutesica ou quiacutemica [53] Neste sentido eacute importante investigar a topografia dos
materiais para que se possam entender fenocircmenos de transporte eletrocircnico que podem
ocorrer ou natildeo sob influecircncia da morfologia
As imagens por microscopia de forccedila atocircmica (AFM) revelaram diferenccedilas entre
filmes com as matrizes polimeacutericas puras e filmes com as matrizes modificadas com OB
O PS puro mostrou uma superfiacutecie suave com alguns relevos dispersos na aacuterea de
varredura (Figura 329) A presenccedila de oacuteleo de buriti nesta matriz polimeacuterica modificou
significativamente a superfiacutecie do material Houve formaccedilatildeo de pequenos e numerosos
gloacutebulos que ocorrem em um periacuteodo de espaccedilo muito pequeno resultando em uma
superfiacutecie aparentemente rugosa (Figura 330) Para o material PSOB 47 eacute possiacutevel
observar uma maior ocorrecircncia de picos regiotildees mais claras confirmando a possibilidade
da rugosidade do material
Figura 3 29 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS puro obtida por AFM no modo
contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
63
Figura 3 30 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS OB 47 por AFM modo contato
Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
A superfiacutecie do PMAM ao contraacuterio da superfiacutecie do PS apresentou possiacutevel
protuberacircncia ou gloacutebulos esfeacutericos em toda aacuterea de varredura (Figura 331) Haacute aacutereas onde
existe uma grande incidecircncia de vales identificados na figura por regiotildees mais escuras
Essas podem ser localizadas nas extremidades da amostra enquanto que no centro da
superfiacutecie haacute grandes nuacutemeros de picos indicando a possibilidade de ser um material com
bastante rugosidade
64
Figura 3 31 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PMAM puro obtida por microscopia
de forccedila atocircmica no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
Figura 3 32 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PAMAM OB 35 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
65
A presenccedila de OB na concentraccedilatildeo de 35 na matriz de PMAM resultou em
pequenas mudanccedilas na topografia do material (Figura 332) Natildeo houve grandes mudanccedilas
na morfologia da superfiacutecie do filme que possa ser determinada visualmente Entretanto a
geometria dos gloacutebulos foi alterada de uma forma arredondada (Figura 331) para uma
forma pontiaguda (Figura 332)
Outro material estudado foi o P3HT com OB puro e o P3HT + PSOB 47 A
superfiacutecie do filme de P3HTOB puro (Figura 334) tambeacutem mostrou um material com
possiacuteveis rugosidade em sua superfiacutecie entretanto a diferenccedila entre esta superfiacutecie e a
topografia do material P3HT+ PSOB 47 (figura 335) estaacute no tamanho das estruturas
que compotildeem a superfiacutecie de ambos os materiais
Figura 3 33 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HTOB puro obtida por AFM no
modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
66
Figura 3 34 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HT+PS OB 47 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
A Figura 333 revela estruturas menores que consequumlentemente ocupam um
espaccedilo menor dentro da aacuterea de varredura e por isso se apresentam em grande nuacutemero
resultando a possibilidade de rugosidade mais alta
A Figura 334 mostra estruturas do material P3HT+PS OB 47 que apresentam
geometrias similares agrave do material P3HTOB puro contudo com dimensotildees maiores
Desta forma estas estruturas ocupam um espaccedilo maior dentro da aacuterea de varredura e se
apresentam em menor quantidade proporcionando possiacuteveis rugosidades em tamanhos
menores que o P3HT OB puro
67
Capiacutetulo IV
Conclusotildees e Recomendaccedilotildees
68
4 ndash CONCLUSOtildeES E RECOMENDACcedilOtildeES
Atraveacutes destes estudos preliminares em linhas gerais os dispositivos projetados
construiacutedos e as medidas obtidas neste trabalho permitem direcionar para a construccedilatildeo e
caracterizaccedilatildeo de dispositivos fotovoltaicos baseados no uso do OB como dopante Os
dados obtidos satildeo bastante promissores e sinalizam para o alcance do sucesso na
construccedilatildeo desses dispositivos a partir de matrizes modificadas com OB
Os resultados apresentados no capiacutetulo III no toacutepico referente aos dados
experimentais e resultados I foram dos dispositivos desenvolvidos baseados no modelo
dos dispositivos fotovoltaicos desenvolvidos por Graumltzel com o propoacutesito de observar o
OB como eletroacutelito da camada ativa Medidas de VOC e ISC para as amostras
confeccionadas foram mensuradas embora os resultados obtidos fossem baixos quando
comparados com a literatura Contudo os materiais empregados satildeo novos e mostraram
promissores
No contexto dos dados experimentais e resultados I apresentou-se o
desenvolvimento de dispositivos usando o substrato de PET desenvolvendo a
configuraccedilatildeo de dispositivo fotovoltaico orgacircnico monocamada direcionados na busca de
substratos flexiacuteveis de menor custo no propoacutesito de substituir o substrato de vidro
recoberto com FTO Para estes dispositivos consegui-se obter valores de VOC e ISC sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpada usando um multiacutemetro para as referidas medidas Entretanto esse
tipo de substrato apresentou diversas inviabilidades conforme relatado nesta pesquisa
Novamente trabalhou-se com substrato de vidro recoberto com FTO com
configuraccedilatildeo de dispositivo fotovoltaico orgacircnico monocamada Acredita-se que as
espessuras dos filmes das camadas ativas possam ter influenciado nos baixos resultados
obtidos Ateacute essa etapa dos experimentos as camadas ativas eram construiacutedas
manualmente proporcionando assim camadas ativas espessas
Os resultados apresentados no toacutepico referente aos dados experimentais e resultados
II abordaram a configuraccedilatildeo monocamada em substrato de vidro recoberto com FTO onde
se fez o uso de camadas ativas com poliacutemero semicondutor P3HT misturado com OB Para
efeito de comparaccedilatildeo construiu-se camada ativa usando o PS um poliacutemero isolante
misturado com 47 de OB A partir destes experimentos os filmes dos dispositivos foram
confeccionados com spin coater o que proporcionou a construccedilatildeo de filmes mais finos
As caracterizaccedilotildees foram realizadas usando lacircmpadas e luz solar direta para
medidas de VOC e ISC com o multiacutemetro tambeacutem foram realizadas caracterizaccedilotildees com
69
curvas I-V sob a luz ambiente do laboratoacuterio As curvas levantadas mostraram efeitos
semelhantes ao efeito fotovoltaico para os materiais das camadas ativas pesquisadas Pelos
resultados obtidos nessa etapa do trabalho observou-se que as amostras confeccionadas
com o poliacutemero isolante misturado com o OB apresentaram melhores desempenhos
Embora jaacute existam resultados na literatura usando o semicondutor P3HT para fazer
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos com desempenho relativamente alto nas pesquisas
desenvolvidas nesse trabalho o uso do P3HT natildeo sinalizou vantagens em relaccedilatildeo ao uso
do poliacutemero isolante PS
Nesse trabalho as pesquisas foram focadas apenas em materiais de baixo custo
que proporcionaram resultados animadores usando o poliacutemero PS misturado com OB
Os resultados apresentados nos toacutepicos que abrangem os dados experimentais e
resultados III abordaram o uso dos poliacutemeros isolantes PS e PMAM modificados com OB
na configuraccedilatildeo de dispositivo fotovoltaico em monocamada usando substrato de vidro
recoberto com FTO Foram realizadas medidas eleacutetricas diretas dos dispositivos sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpadas e iluminaccedilatildeo solar fazendo-se uso de multiacutemetro para as medidas
Tendo respostas interessantes com estes experimentos pois as medidas foram realizadas
com multiacutemetros comuns com cabos que apresentam impedacircncias que agregaram perdas
substanciais das tensotildees e correntes geradas pelos dispositivos Mesmo assim obtiveram-
se as medidas de VOC e ISC
Os resultados mais empolgantes foram os caracterizados com curvas I-V
desenvolvidos com substratos tendo parte do FTO removidas no qual se permitiu
visualizar as curvas de tensatildeo e corrente apenas dos filmes sem a interferecircncia do filme
condutor de FTO Em vaacuterias amostras pocircde-se observar um efeito fotovoltaico entretanto
com valores bem abaixo aos relatados pela literatura vigente sobre o assunto
Nesse trabalho apresentou-se um material novo e promissor na aacuterea de pesquisa
dos dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos como tambeacutem o uso de oacuteleos vegetais como
dopante de poliacutemeros para o desenvolvimento de dispositivo de baixo custo com
tecnologia de faacutecil domiacutenio e acessiacutevel
Os resultados apresentados sugerem os seguintes trabalhos futuros
1 Desenvolvimento de dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos agrave base de poliacutemeros
isolantes com camadas ativas mais finas na ordem de nanocircmetros a fim de facilitar
a dissociaccedilatildeo dos eacutexcitons nas interfaces dos materiais O uso de novas teacutecnicas de
deposiccedilatildeo para conseguir filmes nesta ordem de grandeza
70
2 Desenvolvimento de novas estruturas usando os PSOB 47 e PMAMOB 35
em novas arquiteturas como os dispositivos em bicamadas e heterojunccedilatildeo para
melhorar os resultados jaacute obtidos
3 Siacutentese de novas misturas com poliacutemeros usando outros oacuteleos vegetais abundantes
na natureza que apresentaram absorccedilatildeo na faixa do espectro visiacutevel
4 Construccedilatildeo de novos eletrodos de contatos usando teacutecnicas de evaporaccedilatildeo com o
intuito de diminuir as resistecircncias dos contatos e melhorando a coleta das correntes
geradas
5 Caracterizar as amostras usando o simulador solar Caracterizar os filmes usando
perfilocircmetro e AFM buscando filmes com menos rugosidades Correlacionar
medidas das curvas I ndashV com as medidas de AFM
71
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Brasiacutelia DF 2008
75
APEcircNDICES
77
APEcircNDICE 1
Produccedilotildees Bibliograacuteficas
Artigo Publicado
Silva E R Ceschin A M J A Duratildees A possible organic solar cell based on Buriti
oil In 24th Symposium on Microelectronics Technology and Devices SBMicro 2009
Natal - RN The Electrochemical Society (ECS) the society for solid-state and
electrochemical science and Technology EUA Pennigton 2009 v 23 P 553-556
(2009)
Artigo Aceito
Silva E R Romariz A R S Ceschin A M Study of organic MIM junctions for use
in photovoltaic devices In 25th Symposium on Microelectronics Technology and
Devices SBMicro 2010 Satildeo Paulo - SP The Electrochemical Society (ECS) the society
for solid-state and electrochemical science and Technology EUA Pennigton artigo
aceito (2010)
Resumo Publicado
Silva E R Ceschin A M Photovoltaic effect observed in junctions based on Buriti
oil In 11 th International Conference on Advanced Materials (ICAM2009) 2009 Rio
de Janeiro 11 th International Conference on Advanced Materials 2009
78
A possible Organic Solar Cell Based on Buriti Oil
E R da Silva a J A Duratildees
b and A M Ceschin
a
a Departamento de Engenharia Eleacutetrica - Laboratoacuterio de Dispositivos e Circuito
Integrado Universidade de Brasiacutelia CP 4386 CEP 70904-970 Brasiacutelia DF - Brasil b Instituto de Quiacutemica ndash Laboratoacuterio de Pesquisa em Poliacutemeros Universidade de
Brasiacutelia
CEP 70904-970 Brasiacutelia DF ndash Brasil
This work proposes a new approach - the possible production of
organic solar cells based on Buriti oil We propose the
formation of an active layer three types of mixture always
exploring the use of Buriti oil The active layers were deposited
by spin coating the mixture of Buriti oil polystyrene (PS) Buriti
oil poly (3- hexylthiophene) (P3HT) and blend Buriti oil PS
plus P3HT For the three devices investigated here we use a
glass substrate coated with fluoride-doped tin oxide (FTO) An
electrode of poly (34-ethylenedioxythiophene) poly (4-
styrenesulfonate) (PEDOT PSS) was deposited by spin coating
The other electrode was painted on top with silver conductive
ink (Ag) We show two different illuminations for the
characterization of the devices For the acquisition of measures
resistance () open circuit voltage (VOC) and the short circuit
current (ISC) a common digital multimeter was used
Introduction
Organic solar cells are being investigated for their potential use in the cheap and
clean conversion of abundant solar energy In addition polymer solar cells have
attracted considerable attention because of their potential use in low-cost lightweight
solution processable and flexible large-area panels (1) In the best performing solid state
organic solar cells reported to date (23) a conjugated polymer is blended with an
electron accepting material to form the bulk-heterojunction structure for efficient
exciton dissociation (34) Academic attention has focused on blends of poly (3-
hexylthiophene) (P3HT) and [66]-phenyl C61-butyc acid methyl ester (PCBM) since
these two materials show the highest power conversion efficiency in their bulk-
heterojunction which is around 5 The combination of unique semiconducting
electronic property and mechanical aspects similar to conventional plastics is an
attractive feature in spite of the lower efficiencies prevailing in these systems Each
polymer has unique properties and responds differently to different stimulus However
its characteristics can be improved by blending two polymers or by adding some
compounds called additives producing interesting results As an example we can take a
polystyrene (PS) matrix mixed with Buriti oil this modified material shows a very
broad absorption between 150 to 400 nm with a maximum at 320 nm (67) Figure 1
shows the spectrum of absorption for four types of concentration of Buriti oil in PS
matrix
79
Figure 1 Spectra of absorption of UV radiation of PS films and PS- Buriti oil (7)
This feature makes it a promising candidate for photovoltaic studies Based on
this result we decided to investigate Buriti oil P3HT Buriti oilPS and Buriti
oilPSP3HT mixtures in solar cell fabrication Thus the possible fabrication of the
Buriti oil solar cell and its results are reported and discussed here
Sample Preparation
The devices consist basically of an active layer made of Buriti oilPS or Buriti
oilP3HT films or Buriti oilPSP3HT material placed in-between the bottom
electrode of poly(34-ethylenedioxythiophene)poly(4-styrenesulfonate) (PEDOTPSS)
and the top silver (Ag) electrode Devices were assembled on glass substrates covered
with fluoridedoped tin oxide (FTO) with planar resistance in order of 30 _ cm without
further treatment The actives layer and the bottom electrode were deposited by spin
coating (6000 and 5000 rpm respectively) while the silver electrode was painted
PEDOT PSS was used in order to smooth the FTO surface and to decrease the hole
barrier A first kind of active layer was prepared through deposition (6000 rpm spin
coating) of a solution prepared by dissolving appropriate amounts of PS and Buriti oil
4681 wt (extracted with supercritical CO2) at room temperature in analytical grade
reagent chloroform The second kind of active layer was prepared through deposition of
Buriti oil and P3HT mix dissolved in analytical grade reagent toluene The last active
layer was prepared by mixing Buriti oilPS with P3HT dissolved in an analytical grade
reagent chloroform
After each spin coating deposition the films were dried in a stove at 100 0C for
about 15 minutes Devices of active area A~ 20 cm2 were obtained Figure 2 shows a
schematic view of the finished device
80
Figure 2 Structure of the Buriti oil solar cell
Characterization
The measurements were obtained using a common digital multimeter model
ET-2042C Minipa The samples were subjected to direct irradiation of an Hg spectral
lamp (80 W) for five minutes For such measures we did not consider neither
interference of the illumination nor the samplersquos angle of inclination The series
resistance of the device was also collected as this is one that has a direct relation with
the value of this measure as shown in Table 1 the lower the resistance the greater the
current collected All the results are shown in Table 1
Table 1 VOC and ISC for the different solar cell illuminated with an Hg spectral
lamp (80W)
VOC (mV) ISC (mA) R (cm2)
Buriti oil PS 21 009 740
Buriti oil P3HT 18 002 369
Buriti oil PS+P3HT 17 001 717
To observe a real situation the same sample group was exposed to direct
sunlight in hours of intense sun between 1100 am and 0100 pm taking into account
that all samples had an exposure time of approximately five minutes In this step a
convergent lens was used to concentrate the solar light on the device (8 and 9) In this
experiment angle of incidence and the solar irradiation were not measured The results
are shown in Table 2
Table 2 VOC and ISC for the different solar cell illuminated by direct solar light
VOC (mV) ISC (mA) R (cm2)
Buriti oil PS 62 009 740
Buriti oil P3HT 33 003 369
Buriti oil PS+P3HT 25 002 717
Results and analysis
Based on the values of VOC and ISC obtained for the samples it can be clearly
observed that sunlight exposure provided better results when compared to the artificial
81
illumination The main reason for such a situation could be related to the use of Hg
lamp that is not appropriated In spite of this the devices based-on Buriti oil presented
good performances in both cases This effect may be due to the lower resistance value
of the first samples When the illumination is promoted by the sun the VOC increases
but the ISC remains the same maybe as a consequence of the resistance value or
because the samples becomes hotter For the samples made with Buriti oil P3HT and
Buriti oil PS P3HT materials and illuminated by the spectral lamp similar results for
VOC and ISC were observed Under sunlight illumination the values of VOC and ISC
are greater than that obtained for the spectral lamp lighting
Conclusions
In this paper we show that Buriti oilPS and Buriti oil P3HT materials can be
used as an active layer for solar cells The behavior of the samples based-on Buriti
oilPS showed better results for the two types of illumination It is important to
emphasize tha these results are just a part of the devices characterization which still
requests the fulfillment factor (FF) as well as cell efficiency determination Such
calculations are on process but all the obtained data are satisfactory and promising
because our main aim is to develop solar cells using more accessible organic materials
such as the Buriti oil PS blend
Acknowledgments
The authors gratefully acknowledge CNPq and NAMITECMilenio Institute for
financial support
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82
Study of organic MIM junctions for use in photovoltaic devices
E R Silva A R S Romariz and A M Ceschin
Departamento De Engenharia Eleacutetrica Laboratoacuterio de Dispositivos e Circuito
Integrado (LDCI) Universidade de Brasiacutelia Campus Darcy Ribeiro Brasiacutelia CP
4386 CEP 70904-970 Brasiacutelia ndash DF Brasil
We report here photovoltaic effects on Buriti oil (Mauritia
flexuosa) mixed in an insulating polymers matrix The samples
studied here consist of an active layer based on polystyrene (PS)
and poly (methilmethacrilate) (PMMA) mixed with Buriti Oil
(BO) The structure of the device was glassFTO Poly (3 4-
ethylenedioxythiophene) (PEDOT) poly (styrenesulfonate)
(PSS) active layer Ag These mixtures are promising materials
in the fabrication of organic photovoltaic devices The advantage
of these mixtures is their low cost of production and ease in
fabrication Electrical measurements were obtained in both a lit
room and in the dark We can observe photovoltaic effects in all
samples mixed with OB This effect is very interesting because
we are working with an insulating polymer instead of the
semiconductor polymer In this work we have been developing a
junction of the metalndash insulatorndashmetal (MIM) diode that acts like
a photovoltaic device
Introduction
In the past years various new materials and mixtures for fabricating
photovoltaic devices have been proposed for higher conversion efficiencies and lower
cost processes (1 2) Organic solar cells are being investigated for their potential use in
the clean conversion of solar energy through large-area solar panels (3 4 and 5)
Academic attention has focused on blends of poly (3-hexylthiophene) (P3HT) and [6
6]-phenyl C61-butyc acid methyl ester (PCBM) since these two materials show the
highest power conversion efficiency in their bulkheterojunction which is around 5
(6)
Each polymer has unique properties and responds differently to different stimuli
However its characteristics can be improved by blending two polymers or by adding
some compounds called additives thus producing interesting results As an example we
can take the BO mixed in a PS matrix and one mixed in a PMMA matrix This modified
material shows a very broad absorption between 250 to 400 nm with a maximum at 320
nm (7) Based on this result we decided to investigate the OB mixtures in the fabrication
of photovoltaic devices One possible way to enhance the quantum efficiency of a
photovoltaic device is to add dyes that have high absorption efficiency to the host
materials (8) The addition of BO in the PS and PMMA matrices increases this
efficiency The OB is added with the polymers to improve the efficiency on the active
layers of the insulating materials In this paper we will present photovoltaic parameters
on devices based on insulating polymers mixed with BO deposited on a substrate
83
covered with fluorine doped tin oxide (FTO) The devices were fabricated by the spin
coating technique the open circuit voltage (VOC) and short-circuit current density (JSC)
of the BOPS device are 03V and 039 nAcm2 respectively which is 0212V higher
than BOPMMA devices The fill factor (FF) that defines power extraction efficiency of
BOPS devices is 026 against 020 in the BOPMMA devices
Experimental
Our devices were based on previous studies about insulating polymers mixed
with BO (7) The material for the active layer BOPS and BOPMMA of the MIM
junction was chosen because this materials posses two regionrsquos absorption the first
range in 250 at 400 nm that has a peak at 320 nm and the second in the range of 500 at
700 nm The fact these materials absolve in visible region allow to realization of study
about applications in photovoltaic devices (9) We were still able to get good results
from the investigation of BO for make photovoltaic devices
The samples were assembled on glass substrates covered with FTO The
resistance of the plate is asymp 41-60 Ω Prior to depositing the layers part of the FTO
substrate was removed the FTO was corroded using a homogenous ink prepared with
powdered zinc (Zn) Additionally it is possible to use tape or enamel in order to save
part of the FTO After these procedures the substrate is dipped in a diluted solution of
hydrochloric acid (HCI) After the corrosion stage the substrate goes through a cleaning
process that was also performed before corrosion The substrates are cleaned to remove
grease and residual chemicals Corrosion is necessary to avoid short circuits between
the devicersquos electrode contacts (10) The devices were fabricated in a typical
sandwiched structure with the active layers sandwiched between two electrodes the
bottom electrodes consist of conducting polymer film deposition of (PEDOT PSS)
purchased from Bayer This forms the anode that was deposited on the FTO We use it
in order to increase the positive carrier collection of the active layer The film was made
using the spin coating technique with 6000 rotations per minute (rpm) for 55 seconds
Next it was dried in an oven at a temperature of 50 deg C for 15 minutes The cathode was
made with a conductive ink of silver (Ag) acquired from Silver Ink having 99 purity
with painting done by hand because more precise techniques were not available The
materials used in the active layer were pure PS PS mixed with 47 BO pure PMMA
and PMMA mixed with 35 BO Four types of active layers were used All the
mixtures were made with an appropriate quantity of the analytical reagent chloroform at
room temperature Before the deposition the solutions were stirred with magnetic
agitate for 30 minutes in order to ensure greater uniformity for the mix A schematic
view finished device (glass FTO PEDOT PSS active layer Ag) is shown in figure
1 The film thicknesses of the active layers were measure using a Dektak 150
profilometer These values are about 1μm We could not obtain a thinner device because
of the high viscosity of the material In our final device the active area is approximately
009 cm2
Figure 1 Schematic of the finished Device
84
Results and Discussion
The devices with different active layers were prepared following the procedure
described above at room temperature The currentndashvoltage (I-V) characteristics were
measured using a Keithley 2400 programmable software semiconductor measuring
system In all samples without oil devices using only insulating polymer like PS and
PMMA ohmic behavior was observed for bias voltage between -2 and 2 V The device
with pure PS has greater resistance than the one with pure PMMA Perhaps this happens
due to differences in layer thickness or intrinsic material properties But when BO is
added to the mixture we get a different behavior for I-V curves in the two cases We
observed that the sample of PS BO had larger current than PMMABO Figure 2
shows the curves for the PS mixture with and without BO 47 In Figure 3 we have
curves for the PMMA mixture with and without BO 35 In these two cases we
observed curves that look like MIM diode characteristic curves
Figure 2 The I-V Curves characteristics of ohmic behavior and MIM diode for
the PMMA
Figure 3 The I-V Curves characteristics of ohmic behavior and MIM diode for the PS
85
We also noticed a photovoltaic effect in the junctions based in BO at room
temperature Measurements were taken both in the dark and with the room fluorescent
light on In all observations we saw slight photovoltaic effects in all devices made using
insulating polymers with BO mixtures in the active layer In Figure 4 this effect is
shown for PSBO and in Figure 5 for PMMABO
Figure 4 Curve characteristics PS dark and light
Figure 5 Curve characteristics PMMA dark and light
86
For such measures we did not consider either air mass coefficient or the
samplersquos inclination angle for these characterizations because we donrsquot have
characterization equipments Thus we are unable to calculate the conversion efficiency
() The voltage bias was varied from -1 to 1 V but here it is shown with a smaller
interval to better visualize this slight effect In Table 1 the values are shown for the
samples insulating polymer mixed with BO for Voc Jsc and fill factor FF In summary
these parameters are important for characterizing our devices The FF is the ratio that
determines the maximum operating current and voltage of the photovoltaic device and
was calculated as FF = VpIpVocIsc (11) All the values are extracted from the curves
Table 1 Summary of the photovoltaic devices performance with and without light
Active Layer VOC
(mV)
JSC
(nAcm2)
FF
PSBO 47 300 039 026
PMMABO 35 86 216 020
We have seen that the insertion of BO at the matrices of insulating polymers
such as PMMA and PS promote the absorption of photons and therefore the formation
of excitons However we do not have a maximum absorption because of the peak of
absorption of the active layers is in range of 200 to 400 nm while the illumination used
was in the visible region The excitons generated were dissociates and the charges
created were collected in their respective electrodes to form the short-circuit Current
(ISC) This current is small due to the film thickness of the active layer Thus carriersrsquo
recombination could be occurring before they reach their respective electrodes
The measured VOC was 008 V to PMMABO and 03 V to PSBO For the
PSBO this number is roughly the same as the difference in work function between
PEDOT PSS and Ag However for the PMMABO this number is lower than the
difference in work function between PEDOTPSS and Ag All this contributed for the
values low ISC VOC and FF The results obtained here are very below that reported in
recent papers (12 13)
Conclusion
We have been working with polymer insulating with additions of material cheap
an abundant of in nature We presented preliminary results for the MIM junction diode
We used BO mixed with insulating polymer to form the active layers This way we get a
value for ISC VOC and FF but we can observe photovoltaic effect in the majority of the
samples with the BO The active layers have a region of absorption outside of the solar
spectrum and the thickness was thick Because of the collection the carrier was hindered
before to reach the collectorrsquos electrode The devices shown here is very easy to make
and can be made in a large area
Acknowledgments
87
The authors gratefully for the financial support received from National Counsel
of Technological and Scientific Development (CNPq) National Institute of Science and
Technology of Micro and Nanoelectronics Systems (NAMITEC) This paper was
partially supported from a scholarship granted by Coordenaccedilatildeo de Aperfeiccediloamento de
Pessoal de Niacutevel Superior (CAPES) for the first author that also wishes to thank for this
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13 Ie Y Uto T Saekia A Seki S Tagawa S Aso Y (2009) Synthetic Metals 159
797ndash801
88
vii
RESUMO
ESTUDO PARA O DESENVOLVIMENTO DE DISPOSITIVOS
FOTOVOLTAICOS ORGAcircNICOS
Autor Elizete Rocha da Silva
Orientador Artemis Marti Ceschin
Programa de Poacutes-graduaccedilatildeo em Engenharia Eleacutetrica
Brasiacutelia junho de 2010
Este trabalho eacute dedicado agrave preparaccedilatildeo e a caracterizaccedilatildeo de dispositivos
fotovoltaicos baseados em matrizes polimeacutericas modificadas com oacuteleo de buriti (OB) O
presente desenvolvimento consiste na deposiccedilatildeo de camada do poliacutemero condutor
PEDOTPSS sobre substrato de vidro com oacutexido de zinco dopado com fluacuteor (FTO) onde
depois foi depositada a camada ativa
Ao longo da pesquisa vaacuterias camadas ativas foram testadas No iniacutecio os filmes
das amostras foram preparados por casting Agrave medida que os resultados eram obtidos
novas ideacuteias iam surgindo e novas teacutecnicas foram sendo incorporadas
Buscando fazer os filmes mais finos e obter melhores resultados os filmes
passaram a serem preparados pela teacutecnica de spin coating Os tipos de camadas ativas
foram PS puro PS OB 47 PS OB 8 PS OB 47+P3HT P3HT+OB PMAM puro e
PMAM OB 35
Para as caracterizaccedilotildees dos dispositivos usou-se para medir tensatildeo e corrente
direta multiacutemetros comuns sob iluminaccedilatildeo de lacircmpadas e luz solar Alguns dispositivos
os paracircmetros de caracterizaccedilotildees foram obtidos das curvas IndashV Os filmes tiveram suas
espessuras medidas com perfilometro suas superfiacutecies tambeacutem foram observadas com
microscopia de forccedila atocircmica (AFM)
As respostas eleacutetricas obtidas foram interessantes e promissoras por estes
resultados levam a crer que estes materiais podem ser usados nos desenvolvimentos de
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos de baixo custo acessiacuteveis e de faacutecil fabricaccedilatildeo
viii
ABSTRACT STUDY FOR DEVELOPMENT OF ORGANIC PHOTOVOLTAIC DEVICES
Author Elizete Rocha da Silva
Supervisor Artemis Marti Ceschin
Programa de Poacutes-graduaccedilatildeo em Engenharia Eleacutetrica
Brasiacutelia June 2010
This work is dedicated to the preparation and characterization of the photovoltaic
devices based on polymer matrices modified with oil buriti (OB) This development
consists in the deposition layer of conducting polymer PEDOT PSS on glass substrate
with zinc oxide doped with fluorine (FTO) which was deposited after the active layer
Throughout this study several active layers were tested At the beginning of the
film samples were prepared by casting When the results were been obtained new ideas
were emerging and new techniques were incorporated
Seeking to make the films thinner to obtain better results the films had to be
prepared by spin coating technique The types of active layers were pure PS PS OB 47
PS B 8 PS B + 47 P3HT P3HT + OB pure and PMAM PMAM OB 35
For the characterizations of the devices used to measure voltage and direct current
multimeters under common lighting of lamps and solar light Some devices the parameters
were obtained from the characterizations of I-V curves The film had its thickness
measured with profilometer their surfaces were also observed with atomic force
microscopy (AFM)
The electrical answers obtained were interesting and promising to these results that
suggests these materials can be used in the development of organic photovoltaic devices at
low cost accessible and easy to manufacture
ix
SUMAacuteRIO
1 ndash INTRODUCcedilAtildeO 2
11 ndash OBJETIVO GERAL 4
12 ndash OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS E ORGANIZACcedilAtildeO DO ESTUDO 4
2 ndash CONCEITOS BAacuteSICOS 6
21 ndash POLIacuteMEROS CONDUTORES 6
23 ndash CARACTERIZACcedilAtildeO DO DISPOSITIVO FOTOVOLTAICO 10
231ndash Eficiecircncia quacircntica externa (IPCE) 10
232 ndash Tensatildeo de circuito aberto (VOC) e Corrente de curto circuito (ISC) 11
233 ndash Curva caracteriacutestica IndashV 12
234 ndash Fator de preenchimento (FF) e Conversatildeo de Potencia () 13
24 ndash POLIacuteMEROS UTILIZADOS 14
241 ndash Polistireno (PS) 14
242 ndash Poli metacrilato de metila (PMAM) 15
244 ndash Poli (3-hexiltiofeno) (P3HT) 18
3 ndash PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS 23
31 ndash MATERIAIS 23
32 ndash EQUIPAMENTOS UTILIZADOS 23
321 ndash Multiacutemetros 23
322 ndash Spin coater 23
323 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores (Curva IndashV) 25
324 ndash Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM) 26
33 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS I 27
331 ndash Experimentos Etapa 1 27
3311 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo dos eletrodos 27
3312 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo da camada ativa 27
x
3313 ndash Formaccedilatildeo do dispositivo 28
3314 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W 28
3315 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 29
332 ndash Experimentos Etapa 2 29
3321 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras 29
3323 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 30
3331 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras 31
3332 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W 32
334 ndash Experimentos Etapa 4 33
3341 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras 34
3342 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W 34
3343 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 35
341 ndash Misturas usando P3HT 35
342 ndash Experimentos Etapa 1 36
3421 ndash Preparaccedilatildeo dos filmes por spin coater 36
3422 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W 37
3423 ndash Caracterizaccedilatildeo com luz solar direta 38
3423 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 39
343 ndash Experimentos Etapa 2 39
3431 ndash Preparando novas amostras 39
3431 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W 41
3433 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar direta 41
3434 ndash Curva caracteriacutestica de corrente versus tensatildeo aplicada (IndashV) 42
3435 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 45
35 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS III 46
351 ndash Experimentos Etapa 1 46
xi
3511 ndash Confecccedilatildeo das amostras usando PS e PMAM 1ordm grupo 46
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo usando lacircmpada de Hg 80 W 47
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar 47
3522 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar 49
3523 ndash Curva caracteriacutestica corrente versus tensatildeo (IndashV) 50
3524 ndash Medida de espessura 53
353 ndash Experimentos Etapa 3 56
3531 ndash Confecccedilatildeo das amostras com parte do FTO removido 56
3532 ndash Caracterizaccedilatildeo das curvas (IndashV ) 57
3533 - Anaacutelise e discussatildeo 61
354 Caracterizaccedilatildeo dos Materiais por Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM) 61
4 ndash CONCLUSOtildeES E RECOMENDACcedilOtildeES 68
REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 71
APEcircNDICE 1 77
Produccedilotildees Bibliograacuteficas 77
xii
LISTA DE TABELAS
Tabela 3 1 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos 29
Tabela 3 2 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos 30
Tabela 3 3 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos 32
Tabela 3 4 ndash Valores medidos de VOC e ISC com iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W para variaccedilatildeo de iluminaccedilatildeo para a amostra P4 32
Tabela 3 5 ndash Valores de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo de lacircmpada incandescente de 100 W
durante 5 minutos 35
Tabela 3 6 ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito com um ponto de
prata Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos 38
Tabela 3 7ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito de prata em forma de
trilhas com concentraccedilatildeo em um ponto Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos 38
Tabela 3 8 ndash Resultados obtidos das medidas de VOC e ISC usando luz solar direta durante
5 minutos 38
Tabela 3 9 ndash Medidas de VOC e ISC para amostras iluminadas pela lacircmpada Hg 80 W
aproximadamente cinco minutos 41
Tabela 3 10 ndash Valores de VOC e ISC para amostras iluminada sob luz solar direta expostas
durante cinco minutos cada 42
Tabela 3 11 ndash Resultados das medidas de ISC e VOC das amostras do 1ordm grupo sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpada durante 05 minutos de exposiccedilatildeo 47
Tabela 3 12 ndash Resultados para ISC e VOC sob iluminaccedilatildeo luz solar por aproximadamente
05 minutos de exposiccedilatildeo 47
Tabela 3 13 ndash Medidas realizadas para as amostras A5 A6 A7 sob iluminaccedilatildeo solar
direta durante 10 minutos 49
Tabela 3 14 ndash Medidas realizadas no dia 12052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos 50
Tabela 3 15 ndash Medidas realizadas no dia 18052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos 50
Tabela 3 16 ndash Medida dos pontos e a media medida dos filmes das camadas ativas feitos
com rotaccedilatildeo de 5000 rpm Valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M 55
Tabela 3 17 ndash Medida dos pontos e a media dos filmes das camadas ativas feitos com
rotaccedilatildeo de 6000 rpm O valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M 55
xiii
LISTA DE FIGURAS
Figura 2 1 ndash Estrutura quiacutemica do poliacetileno mostrando as ligaccedilotildees alternadas em
simples e duplas 6
Figura 2 2 ndash Formaccedilatildeo da estrutura do condutor poliacetileno (a) Formaccedilatildeo de bandas
distintas pela superposiccedilatildeo de N orbitais (b) aproximaccedilatildeo da banda riacutegida para um nuacutemero
grande de orbitais 7
Figura 2 3 ndash Estrutura de uma ceacutelula solar orgacircnica A camada ativa pode compreender
uma ou mais camadas semicondutoras uma mistura de materiais ou a combinaccedilatildeo destas
duas estruturas 8
Figura 2 4 ndash Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um dispositivo fotovoltaico feito com uma
camada de poliacutemero entre dois eletrodos 8
Figura 2 5 ndash Processos envolvidos na geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica em um dispositivo
fotovoltaico orgacircnico 9
Figura 2 6 ndash Diagrama de niacuteveis de energia de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico Sob
iluminaccedilatildeo o eleacutetron (e-) eacute jogado para o niacutevel de maior energia LUMO deixando uma
lacuna (h+) no niacutevel de menor energia HOMO (Criaccedilatildeo do eacutexciton) que seratildeo coletados
pelos eletrodos 1 funccedilatildeo trabalho do 1ordm eletrodo (transparente) 2 funccedilatildeo trabalho do
2ordm eletrodo χ eletroafinidade IP potencial de ionizaccedilatildeo e Eg energia do gap 10
Figura 2 7 ndash Diagrama esquemaacutetico do dispositivo fotovoltaico 2 poliacutemero1 no escuro
com o alinhamento dos niacuteveis de Fermi a) e sob iluminaccedilatildeo b) potencial de built-in ( Vbi)
intriacutenseco em temperatura ambiente esta proacuteximo ao valor de tensatildeo 12
Figura 2 8 ndash Curva caracteriacutestica IndashV de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico no escuro e
sob iluminaccedilatildeo Tambeacutem eacute mostrado o ponto de corrente de curto circuito e tensatildeo de
circuito aberto O retacircngulo pintado indica o fator de preenchimento (FF) 13
Figura 2 9 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PS (C8H8)n 15
Figura 2 10 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PMMA (C5O2H8)n 16
Figura 2 11 ndash Representaccedilatildeo da cadeia principal do PEDOT [25] 17
Figura 2 12 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica da interaccedilatildeo entre o PEDOT e PSS [25]
17
Figura 2 13 ndash Estrutura quiacutemica do P3HT (C10H18S)n [13] 18
Figura 2 14 ndash Foto da palmeira do Buriti (Mauritia Flexuosa) conhecida como Buritizeiro
[21] 19
Figura 2 15 ndash Ilustraccedilatildeo dos frutos maduros do Buriti (a) aspecto da casca (b) polpa de
cor amarelada [21] 19
Figura 2 16 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PS puro e PSOB [40] 20
xiv
Figura 2 17 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PMAM puro e PMAM
OB [40] 21
Figura 3 1 ndash (a)bomba de vaacutecuo (b) compressor de ar comprimido (c) vaacutelvula de controle
e (d) spin coater 24
Figura 3 2 ndash Equipamento de spin coater instalado no laboratoacuterio LDCI vista lateral e
frontal 25
Figura 3 3 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores Keithley 2400 laboratoacuterio
LDCI 25
Figura 3 4 ndash Vista frontal do AFM marca VEECO Innova 26
Figura 3 5 ndash Amostras confeccionadas com duas lacircminas de substrato de vidro recoberto
com FTO baseada no modelo de Graumltzel 28
Figura 3 6 ndash (a) Esquema da amostra confeccionada no substrato flexiacutevel de plaacutestico
(PET) (b) foto do substrato finalizado 31
Figura 3 7 ndash Amostra feita com substrato de PET apoacutes ser submetidos agrave fonte de lacircmpada
incandescente de 100 W por 20 minutos 33
Figura 3 8 ndash (a) Esquema da amostra para substrato de vidro recoberto com FTO (b) foto
da amostra finalizada 34
Figura 3 9 ndash (a) Geometria do eletrodo de Ag confeccionado em forma de ponto e (b)
geometria do eletrodo de Ag feito em forma de trilhas 37
Figura 3 10 ndash (a) Foto da amostra (b) Estruturas das camadas dos dispositivos das novas
amostras 40
Figura 3 11 ndash Ilustraccedilatildeo do experimento realizado com uma amostra tendo o contato
desenhado com a geometria em forma de trilhas camada ativa de PS OB 47 42
Figura 3 12 ndash Ilustraccedilatildeo da polarizaccedilatildeo direta para amostras com P3HT e gota de
PEDOTPSS para medidas das curvas (IndashV) 43
Figura 3 13 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47 Corrente e
tensatildeo observadas 003 uA e 09 Volts respectivamente 44
Figura 3 14 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de OB puro + P3HT Corrente
e tensatildeo observadas 0013 uA e 002 Volts respectivamente 44
Figura 3 15 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47+P3HT
Corrente e tensatildeo observadas 0012 uA e 11 volts respectivamente 45
Figura 3 16 ndash Estruturas das camadas e do contato de Ag dos dispositivos fotovoltaicos
orgacircnicos usado para o 2 ordm grupo de amostras 49
Figura 3 17 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PS puro No escuro e sob
iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 51
xv
Figura 3 18 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PSOB 47 No escuro e
sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 52
Figura 3 19 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAM puro No escuro
e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 52
Figura 3 20 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAMOB 35 No
escuro e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 53
Figura 3 21 ndash Risco feito no filme da amostra onde a ponta do perfilocircmetro executou a
varredura 54
Figura 3 22 ndash Medindo a diferenccedila da altura entre os cursores (R - reference) e (M -
measurement) para determinar a espessura do filme 54
Figura 3 23 ndash Geometria da lacircmina de vidro apoacutes corrosatildeo do FTO 56
Figura 3 24 ndash Geometria das camadas do dispositivo 57
Figura 3 25 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PS puro
e PS OB 47 58
Figura 3 26 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PMAM
puro e PMAMOB 35 59
Figura 3 27 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PSOB
47 no claro e escuro 60
Figura 3 28 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de
PMAMOB 35 no claro e escuro 60
Figura 3 29 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS puro obtida por AFM no modo
contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 62
Figura 3 30 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS OB 47 por AFM modo
contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 63
Figura 3 31 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PMAM puro obtida por microscopia
de forccedila atocircmica no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 64
Figura 3 32 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PAMAM OB 35 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 64
Figura 3 33 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HTOB puro obtida por AFM no
modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 65
Figura 3 34 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HT+PS OB 47 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 66
xvi
LISTA DE SIacuteMBOLOS NOMENCLATURA E ABREVIACcedilOtildeES
Ag ndash Prata
BC ndash Banda de conduccedilatildeo
BV ndash Banda de valecircncia
CHCL3 ndash Clorofoacutermio
C7H8 ndash Tolueno
Eg ndash Energia de gap (Energia de banda proibida)
FTO ndash Oacutexido de estanho dopado com fluacuteor termo em inglecircs Tin Oxide doped with
Fluorine
FF ndash Fator de preenchimento termo em inglecircs fill factor
GPIB ndash General Purpose Interface Bus
HOMO ndash Orbital molecular mais alto ocupado termo em inglecircs highest occupied
molecular orbital
ITO ndash Oacutexido de iacutendio estanho termo em inglecircs Indium Tin Oxide
IPCE ndash Eficiecircncia de conversatildeo de foacutetons incidentes em eleacutetrons Eficiecircncia quacircntica
externa termo em inglecircs Incident Photon Converted in Electron Efficiency
I0 ndash Intensidade de luz incidente em W m2
ISC ndash Corrente de curto circuito termo em inglecircs current short circuit
IndashV ndash Corrente versus tensatildeo aplicada
JSC ndash Densidade de fotocorrente de curto circuito termo em inglecircs photocurrent density
short circuit
LUMO ndash Orbital molecular mais baixo desocupado termo em inglecircs lowest unoccupied
molecular orbital
OB ndash Oacuteleo de Buriti
OLED ndash Diodo emissor de luz orgacircnico termo em inglecircs Organic light emitting devices
OPV ndash Ceacutelulas orgacircnicas fotovoltaicas termo em inglecircs Organic Photovoltaic
PET ndash Poli (Tereftalato de Etila)
xvii
PEDOT ndash Poli (34-etileno dioxitiofeno)
PS ndash Poliestireno
PSSndash Poli (Estireno-Sulfonato)
PMAM ndash Poli Metacrilato de Metila
P3HT ndash Poli (3-hexil tiofeno)
rpm ndash Rotaccedilatildeo por minuto
TO - Oacutexido de estanho termo em inglecircs Tin Oacutexide
Tm ndash Temperatura de fusatildeo cristalina
Tg ndash Temperatura de transiccedilatildeo viacutetrea
UV ndash Ultravioleta
VIS ndash Visiacutevel
VOC ndash Tensatildeo circuito aberto termo em inglecircs Open-circuit voltage
V bi ndash Potencial de built-in
ndash eficiecircncia de conversatildeo de potecircncia
λ ndash comprimento de onda
π ndash orbital ligante
πndash orbital antiligante
ndash Funccedilatildeo trabalho do material
Capiacutetulo I
Introduccedilatildeo
2
1 ndash INTRODUCcedilAtildeO
Atualmente um assunto muito debatido na esfera mundial eacute o problema da emissatildeo
de gases que provocam o efeito estufa Essa questatildeo relaciona-se por exemplo com o
desvio do curso de um rio para formar barragem para construccedilatildeo de hidreleacutetrica ou o uso
de carvatildeo ou diesel para o funcionamento de geradores de energia eleacutetrica todas essas
accedilotildees tecircm forte contribuiccedilatildeo para mudanccedilas no ambiente natural
Uma maneira eficaz de amenizar o impacto de tais accedilotildees sobre o meio ambiente
consiste no aproveitamento da energia solar que eacute uma fonte de energia renovaacutevel tanto
como fonte de calor quanto de luz O sol eacute responsaacutevel direta ou indiretamente pela
maioria das fontes de energia utilizadas atualmente a energia do sol eacute responsaacutevel pela
evaporaccedilatildeo a radiaccedilatildeo solar induz as circulaccedilotildees atmosfeacutericas causando ventos necessaacuterios
para a obtenccedilatildeo de energia eoacutelica [1] A energia luminosa pode ser transformada em
energia eleacutetrica por meio das ceacutelulas solares Na atualidade eacute uma das alternativas
energeacuteticas mais promissoras para enfrentar os desafios dos proacuteximos anos
Por ser uma energia captada diretamente a partir da incidecircncia dos raios solares a
energia produzida por ceacutelulas fotovoltaicas eacute uma tecnologia que natildeo emite gases
poluentes na atmosfera e natildeo produz ruiacutedos nem vibraccedilotildees durante o processo de
conversatildeo
Embora seja uma tecnologia relativamente antiga a produccedilatildeo de energia por ceacutelulas
fotovoltaicas natildeo teve ainda grande expansatildeo comercial devido ao elevado preccedilo de
implantaccedilatildeo do sistema Com a existecircncia de grupo gerador movido a diesel mais barato
haacute um maior uso desse tipo de sistemas em lugares que natildeo satildeo atendidos pela rede de
energia puacuteblica [23]
Tendo em vista esse cenaacuterio soacutecio econocircmico e tambeacutem ambiental existe a
necessidade de se buscar novas tecnologias para a produccedilatildeo de ceacutelulas fotovoltaicas a
custos mais acessiacuteveis viabilizando assim sua execuccedilatildeo tendo em vista que a energia solar
eacute importante na preservaccedilatildeo do meio ambiente por apresentar vantagens sobre as outras
formas de obtenccedilatildeo de energia [4] Para cada metro quadrado de coletor solar instalado
evita-se a inundaccedilatildeo de cinquumlenta e seis metros quadrados de terras feacuterteis para a
construccedilatildeo de novas usinas hidreleacutetricas
A energia solar fotovoltaica eacute a energia da conversatildeo direta da luz em eletricidade
(Efeito Fotovoltaico) que consiste no aparecimento de uma diferenccedila de potencial nos
3
extremos de uma estrutura de material semicondutor produzido pela absorccedilatildeo da luz A
ceacutelula fotovoltaica eacute a unidade fundamental no processo de conversatildeo [5]
As ceacutelulas solares orgacircnicas necessitam de muito menos energia para serem
fabricadas que as de siliacutecio convencional ie o consumo de energia gasto para fabricaccedilatildeo
de uma ceacutelula solar orgacircnica eacute muito pequeno de forma que a energia por ela gerada seraacute
muito maior do que a gasta para a sua fabricaccedilatildeo A ceacutelula solar de siliacutecio possui um
processo de fabricaccedilatildeo com preccedilos elevados inviabilizando sua fabricaccedilatildeo em larga escala
devido aos gastos elevados de energia em sua produccedilatildeo O impacto final no balanccedilo de
energia natildeo eacute positivo ou seja se gasta muito mais energia para produzir a ceacutelula que a
energia que ela eacute capaz de gerar em curto prazo
A partir de uma reflexatildeo sobre este cenaacuterio observou-se que semicondutores
orgacircnicos baseados em pequenas moleacuteculas conjugadas e poliacutemeros oferecem a
oportunidade de produzir dispositivos com larga aacuterea e baixo custo sobre substratos
plaacutesticos flexiacuteveis [67] Nesse campo as misturas de poliacutemeros (blendas polimeacutericas) ou a
aditivaccedilatildeo de poliacutemeros produzem resultados interessantes Um exemplo eacute o poliestireno
(PS) e o poli-metacrilato de metila (PMAM) misturado com oacuteleo de buriti (Mauritia
flexuosa) o material modificado tem alta absorccedilatildeo entre 250 nm a 700 nm com o maacuteximo
em 320 nm [8] Isto o torna um candidato promissor para os estudos fotovoltaicos A partir
da descoberta dos poliacutemeros condutores e suas propriedades as investigaccedilotildees sobre a
possibilidade de empregaacute-los como mateacuteria prima na construccedilatildeo de dispositivos
fotovoltaicos foram intensificadas
Com base nessas observaccedilotildees optou-se por investigar misturas de PS e PMAM
com oacuteleo de buriti a fim de construir e caracterizar dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos
Tais dispositivos podem ser construiacutedos sobre substratos plaacutesticos e em temperatura
ambiente desta forma sendo flexiacuteveis e com baixo custo [9] Entre os diversos materiais
potencialmente interessantes para esse fim encontra-se tambeacutem o Poli (3-hexiltiofeno)
(P3HT) Com base em vaacuterias referecircncias [1011] sobre o uso do P3HT misturado com
nanopartiacuteculas e com C60 (Fulereno) resolveu-se testar a mistura P3HT com oacuteleo de Buriti
Este trabalho consiste no estudo para o desenvolvimento e caracterizaccedilatildeo de
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos baseados no oacuteleo de buriti que apresenta propriedades
oacutepticas de absorccedilatildeo misturado com poliacutemeros isolantes (PS e PMAM) e com o poliacutemero
semicondutor P3HT
4
11 ndash OBJETIVO GERAL
O objetivo do presente trabalho eacute o desenvolvimento e a caracterizaccedilatildeo de
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos a partir de poliacutemero semicondutor ou de poliacutemeros
isolantes modificados pelo oacuteleo de buriti
12 ndash OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS E ORGANIZACcedilAtildeO DO ESTUDO
1 Fazer deposiccedilatildeo de filmes finos de blendas polimeacutericas a partir de
mistura de poliacutemeros isolantes PS e PMAM e do poliacutemero
semicondutor P3HT com oacuteleo de buriti
2 Montagem dos dispositivos em substratos de vidro e de plaacutestico
3 Caracterizaccedilatildeo eleacutetrica dos dispositivos desenvolvidos atraveacutes de
medidas diretas sob iluminaccedilatildeo de lacircmpadas e luz solar direta
Medidas das curvas IndashV no escuro e com iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio
4 Caracterizaccedilatildeo morfoloacutegica dos filmes depositados por spin coater
Medir as espessuras dos filmes e aacuterea ativa
Ao longo desta pesquisa seraacute mostrada a confecccedilatildeo dos dispositivos que
apresentaram algum comportamento fotovoltaico ou aqueles que tiveram resultados
interessantes Vaacuterias tentativas foram feitas a fim de buscar aquelas que apresentassem
resultados e comportamento satisfatoacuterio para um dispositivo fotovoltaico orgacircnico
Este trabalho foi dividido em quatro capiacutetulos No capiacutetulo dois seraacute feita uma
revisatildeo de alguns conceitos importantes sobre dispositivos orgacircnicos materiais utilizados
e equipamentos de caracterizaccedilatildeo No capiacutetulo trecircs seratildeo descritos os procedimentos
experimentais e resultados os quais seratildeo subdivididos em dados experimentais I II e III e
em alguns casos subdivididos em etapas Seratildeo abordadas as teacutecnicas utilizadas nas
construccedilotildees e caracterizaccedilotildees dos dispositivos No capiacutetulo quatro seratildeo apresentadas as
conclusotildees e recomendaccedilotildees para trabalhos futuros
5
Capiacutetulo II
Conceitos Baacutesicos
6
2 ndash CONCEITOS BAacuteSICOS
21 ndash POLIacuteMEROS CONDUTORES
O termo poliacutemero eacute usado para designar macromoleacuteculas formadas pela repeticcedilatildeo
de unidades chamadas de monocircmeros Alguns poliacutemeros ocorrem naturalmente outros satildeo
sintetizados Os poliacutemeros sinteacuteticos tiveram seu grande desenvolvimento no iniacutecio do
seacuteculo 20 poreacutem a grande maioria dos poliacutemeros desenvolvidos nessa eacutepoca era isolante
Na deacutecada de 50 surgiram os primeiros poliacutemeros condutores extriacutensecos que eram
poliacutemeros isolantes incorporados com materiais portadores de cargas eleacutetricas
Nos anos 70 a equipe de Hideki Shirakawa et al [12] do instituto de Tecnologia de
Toacutequio produziu um filme de poliacetileno ([CH]n) de coloraccedilatildeo prateada e que conduzia
corrente depois Shirakawa produziu um outro filme condutor de poliacetileno de
coloraccedilatildeo dourada e com maior condutividade apoacutes dopagem com iodo Apoacutes as primeiras
descobertas vaacuterios outros poliacutemeros condutores foram desenvolvidos A descoberta das
propriedades eleacutetricas do poliacetileno laureou Heeger McDiarmid e Shirakwa com o
precircmio Nobel de quiacutemica em 2000 [12]
Os poliacutemeros condutores tambeacutem satildeo chamados de metais sinteacuteticos por possuiacuterem
propriedades eleacutetricas oacutepticas e magneacuteticas semelhantes aos metais e semicondutores
Os semicondutores orgacircnicos satildeo poliacutemeros cuja estrutura principal eacute composta por
carbono Satildeo semicondutores porque possuem ligaccedilotildees simples e duplas alternadas A
figura 21 mostra a estrutura quiacutemica do condutor orgacircnico poliacetileno cuja estrutura eacute a
mais simples
A sobreposiccedilatildeo de dois niacuteveis eletrocircnicos (orbitais) cria separaccedilotildees nos niacuteveis de
energia formando um orbital ligante (π) e um antiligante (π) que podem ser chamados de
banda de valecircncia e banda de conduccedilatildeo respectivamente Os orbitais podem ser
classificados de duas formas orbital molecular mais baixo desocupado (LUMO) e orbital
molecular mais alto ocupado (HOMO)
Figura 2 1 ndash Estrutura quiacutemica do poliacetileno mostrando as ligaccedilotildees alternadas em
simples e duplas
7
Semelhante aos semicondutores inorgacircnicos os semicondutores orgacircnicos possuem
dois eleacutetrons em cada niacutevel de energia com spin oposto formando ao longo da cadeia os
orbitais π e π com banda similar aos inorgacircnicos [13] Na figura 22 o orbital π
corresponde agrave banda de valecircncia (BV) e o orbital π a banda de conduccedilatildeo (BC)
Em temperatura de 0K todos os estados eletrocircnicos da banda BV estatildeo ocupados
enquanto que os da BC estatildeo desocupados O espaccedilo entre a BC (LUMO) e BV (HOMO) eacute
chamado de Energia de banda proibida (Eg)
Figura 2 2 ndash Formaccedilatildeo da estrutura do condutor poliacetileno (a) Formaccedilatildeo de bandas
distintas pela superposiccedilatildeo de N orbitais (b) aproximaccedilatildeo da banda riacutegida para um nuacutemero
grande de orbitais
22 ndash DISPOSITIVOS FOTOVOLTAICOS ORGAcircNICOS
Os dispositivos fotovoltaicos transformam energia luminosa em energia eleacutetrica
Satildeo divididos em duas classes de acordo com a aplicaccedilatildeo tecnoloacutegica Detectores de luz
como os fotodetectores e fotocondutores e ceacutelulas solares que convertem luz em energia
eleacutetrica [14 15] A conversatildeo da luz solar em energia eleacutetrica nas ceacutelulas solares depende
da geraccedilatildeo de cargas positivas e negativas e da captura das mesmas pelos eletrodos antes
das recombinaccedilotildees dos pares eleacutetrons ndash lacunas
O dispositivo fotovoltaico orgacircnico eacute composto de uma camada ativa
ensanduichada entre dois eletrodos com diferentes funccedilotildees trabalho Para melhor captaccedilatildeo
da luz um dos eletrodos tem que ser transparente Os materiais mais usados como eletrodo
8
transparente satildeo o oacutexido de estanho (TO) o oacutexido de estanho iacutendio (ITO) e oacutexido de
estanho dopado com fluacuteor (FTO) [14] O outro eletrodo pode ser feito de alumiacutenio caacutelcio
ouro prata cobre etc A figura 23 mostra o esquema de um dispositivo fotovoltaico
orgacircnico (ceacutelula solar orgacircnica)
Figura 2 3 ndash Estrutura de uma ceacutelula solar orgacircnica A camada ativa pode compreender
uma ou mais camadas semicondutoras uma mistura de materiais ou a combinaccedilatildeo destas
duas estruturas
Quando a camada ativa eacute iluminada por alguma fonte de luz atraveacutes do eletrodo
transparente a energia luminosa eacute transferida aos eleacutetrons que estatildeo no niacutevel HOMO Os
eleacutetrons absorvem a energia do foacuteton e satildeo promovidos para o niacutevel LUMO criando assim
uma lacuna no niacutevel HOMO O eacutexciton eacute definido como o par eleacutetron-lacuna ligado pela
atraccedilatildeo Coulombiana e eacute chamado de ―eacutexciton Wannier ―[16]
A figura 24 mostra a seccedilatildeo transversal de um dispositivo fabricado da maneira
mais simples contendo uma camada de poliacutemero entre dois eletrodos A aacuterea ativa eacute a
parte da sobreposiccedilatildeo do filme da camada ativa com o filme do eletrodo de contato de
prata Um dos eletrodos deve ser transparente agrave entrada de luz neste caso o FTO
Figura 2 4 ndash Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um dispositivo fotovoltaico feito com uma
camada de poliacutemero entre dois eletrodos
9
O processo de geraccedilatildeo de fotocorrente em dispositivos orgacircnicos fotovoltaicos
segue os seguintes passos mostrados na figura 25
Figura 2 5 ndash Processos envolvidos na geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica em um dispositivo
fotovoltaico orgacircnico
Apesar dos poliacutemeros conjugados apresentarem alto coeficiente de absorccedilatildeo em
torno de 105 cm
-1 somente parte da luz eacute absorvida e seraacute convertida em pares eleacutetrons-
lacunas Esses pares eleacutetrons - lacunas contribuiratildeo para a fotocorrente a qual ainda
depende da espessura da camada ativa polimeacuterica
O comprimento de difusatildeo de um eacutexciton em poliacutemeros conjugados eacute cerca de 10
nm devido a isso a espessura da camada ativa possui influecircncia direta sobre o
funcionamento do dispositivo Dispositivo com camada ativa muito espessa apresenta
resistecircncia agrave movimentaccedilatildeo dos portadores de cargas impedindo que as cargas positivas e
negativas sejam coletadas em seus respectivos eletrodos
Para ter um dispositivo com bom desempenho deve se construir camada ativa na
ordem de dezenas de nanocircmetros Os eacutexcitons devem ser criados nas proximidades das
interfaces do metalcamada ativa (regiatildeo ativa mostrado na figura 24) onde possa existir
maior efeito de alto campo eleacutetrico favorecendo assim a dissociaccedilatildeo dos eacutexcitons [17]
Para haver uma diferenccedila de potencial eacute necessaacuterio que os portadores sejam
coletados pelos respectivos eletrodos antes de se recombinarem A dissociaccedilatildeo do eacutexciton
ocorre em regiatildeo de alto campo eleacutetrico geralmente na interface metal-poliacutemero A figura
26 mostra um diagrama de energia para o dispositivo fotovoltaico orgacircnico sob
iluminaccedilatildeo
10
Figura 2 6 ndash Diagrama de niacuteveis de energia de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico Sob
iluminaccedilatildeo o eleacutetron (e-) eacute jogado para o niacutevel de maior energia LUMO deixando uma
lacuna (h+) no niacutevel de menor energia HOMO (Criaccedilatildeo do eacutexciton) que seratildeo coletados
pelos eletrodos 1 funccedilatildeo trabalho do 1ordm eletrodo (transparente) 2 funccedilatildeo trabalho do
2ordm eletrodo χ eletroafinidade IP potencial de ionizaccedilatildeo e Eg energia do gap
23 ndash CARACTERIZACcedilAtildeO DO DISPOSITIVO FOTOVOLTAICO
Para fazer comparaccedilotildees e caracterizar os dispositivos alguns paracircmetros satildeo
importantes para determinar a eficiecircncia entre os diferentes tipos de camada ativa dos
dispositivos Por meio do espectro dinacircmico ou resposta espectral teremos a eficiecircncia
quacircntica externa (IPCE) Para obterem-se os valores de tensatildeo circuito abeto (VOC)
corrente de curto circuito (ISC) fator de preenchimento (FF) e eficiecircncia de conversatildeo de
potecircncia () foram usados os valores retirados das curvas caracteriacutesticas I ndashV no escuro e
sob iluminaccedilatildeo [18]
231ndash Eficiecircncia quacircntica externa (IPCE)
Para se obter a resposta espectral ou espectro dinacircmico a amostra eacute submetida a
um feixe de luz monocromaacutetica de vaacuterios comprimentos de onda sem a aplicaccedilatildeo de
11
tensatildeo A eficiecircncia quacircntica externa eacute a razatildeo entre a densidade de fotocorrente de curto
circuito (JSC) medida e a intensidade de luz monocromaacutetica que incide sobre a amostra
conforme mostra a equaccedilatildeo 21
IPCE()=
(21)
Onde
JSC eacute a densidade de fotocorrente de curto circuito dada em microAcm2
λ eacute o comprimento de onda em nm
I0 eacute a intensidade de luz incidente em W m2
1024 eacute o fator de conversatildeo de energia em comprimento de onda [18]
Portanto o IPCE eacute um valor de medida de eficiecircncia para os dispositivos
fotovoltaicos
232 ndash Tensatildeo de circuito aberto (VOC) e Corrente de curto circuito (ISC)
Quando os materiais orgacircnicos das camadas ativas satildeo colocados em contato com o
eletrodo inorgacircnico existe um balanceamento de cargas entre os materiais de diferentes
funccedilotildees trabalhos ateacute que o equiliacutebrio seja atingido Nesta situaccedilatildeo haacute um nivelamento dos
niacuteveis de energia de Fermi dos materiais e um campo eleacutetrico intriacutenseco eacute criado na
interface do dispositivo
Em um dispositivo sob iluminaccedilatildeo depois da dissociaccedilatildeo dos eacutexcitons as cargas
satildeo transportadas para os eletrodos pelo campo eleacutetrico intriacutenseco que iraacute aumentar a
energia do eletrodo de menor funccedilatildeo trabalho (1) e diminuir a energia de Fermi do
eletrodo de maior funccedilatildeo trabalho (2) quase atingindo a condiccedilatildeo de banda plana
criando uma diferenccedila de potencial definida como tensatildeo de circuito aberto VOC
A figura 27 mostra o diagrama esquemaacutetico de um dispositivo fotovoltaico A
tensatildeo de circuito aberto VOC pode ser obtida da curva caracteriacutestica IndashV de um dispositivo
sob iluminaccedilatildeo quando a corrente eacute zero
12
Figura 2 7 ndash Diagrama esquemaacutetico do dispositivo fotovoltaico 2 poliacutemero1 no escuro
com o alinhamento dos niacuteveis de Fermi a) e sob iluminaccedilatildeo b) potencial de built-in ( Vbi)
intriacutenseco em temperatura ambiente esta proacuteximo ao valor de tensatildeo
Em temperaturas baixas a iluminaccedilatildeo poderaacute trazer a condiccedilatildeo de banda plana e a
tensatildeo de circuito aberto VOC seraacute igual ao potencial de built in (Vbi) Este potencial eacute
definido como a diferenccedila de funccedilatildeo trabalho entre os eletrodos em temperatura ambiente
pois a condiccedilatildeo de banda plana natildeo eacute totalmente atingida e uma pequena correccedilatildeo deve ser
adicionada ao VOC para obter o Vbi [14]
O valor da corrente eleacutetrica maacutexima que atravessa o dispositivo quando iluminado
sem nenhuma tensatildeo aplicada eacute chamado de corrente de curto circuito (ISC)
Para definir a densidade de fotocorrente (JSC) utiliza-se o valor de ISC dividido pela
aacuterea ativa do dispositivo
233 ndash Curva caracteriacutestica IndashV
Atraveacutes da curva IndashV temos a resposta eleacutetrica do dispositivo fotovoltaico A figura
28 mostra a curva caracteriacutestica IndashV no escuro e sob iluminaccedilatildeo de um dispositivo ideal
fotovoltaico No escuro a curva de resposta eacute semelhante agrave de um diodo retificador quando
a corrente soacute aparece para a tensatildeo direta Sob iluminaccedilatildeo a curva de ISC desce para o
terceiro e quarto quadrante Na polarizaccedilatildeo direta o eletrodo de maior funccedilatildeo trabalho eacute
polarizado positivamente e o de menor funccedilatildeo trabalho eacute polarizado negativamente
[1819]
13
Figura 2 8 ndash Curva caracteriacutestica IndashV de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico no escuro e
sob iluminaccedilatildeo Tambeacutem eacute mostrado o ponto de corrente de curto circuito e tensatildeo de
circuito aberto O retacircngulo pintado indica o fator de preenchimento (FF)
234 ndash Fator de preenchimento (FF) e Conversatildeo de Potencia ()
A quantidade maacutexima de energia eleacutetrica extraiacuteda do dispositivo fotovoltaico eacute
determinada pelo fator de preenchimento (FF) ou seja eacute a razatildeo entre a potecircncia maacutexima
fornecida pelo dispositivo fotovoltaico e a potecircncia nominal do mesmo Na figura 8 o fator
de preenchimento eacute representado pela razatildeo entre as aacutereas do retacircngulo cinza (representa a
potecircncia maacutexima que o dispositivo fornece) pela aacuterea do retacircngulo azul (representa a
potecircncia nominal) Assim a equaccedilatildeo 22 mostra a relaccedilatildeo matemaacutetica para a obtenccedilatildeo do
FF
(22)
Onde Vm e Im satildeo as intersecccedilotildees da curva IndashV com a potecircncia maacutexima do
retacircngulo
14
Para aplicaccedilatildeo de um dispositivo fotovoltaico como ceacutelulas solares um dos focos
de interesse eacute a potecircncia eleacutetrica extraiacuteda que eacute determinada pela eficiecircncia de conversatildeo
de potecircncia () Para encontrar este valor divide-se o valor da potecircncia maacutexima gerada
pela ceacutelula (P) pela potecircncia da luz incidente (Pin) A expressatildeo para o caacutelculo de eacute
mostrada na equaccedilatildeo 23
=
(23)
Onde I0 eacute a intensidade de luz incidente sobre a ceacutelula solar Usando a equaccedilatildeo 22
para calculara o FF temos a equaccedilatildeo 24
(24)
24 ndash POLIacuteMEROS UTILIZADOS
Os poliacutemeros sinteacuteticos satildeo produtos quiacutemicos obtidos sinteticamente que
apresentam cadeias longas e dentre eles podemos encontrar materiais importantes para o
uso em engenharia
As propriedades dos poliacutemeros dependem muito do tipo de monocircmero que o
originaram Outros fatores que influenciam suas propriedades satildeo o tipo de reaccedilatildeo
empregada para sua obtenccedilatildeo e a teacutecnica de preparaccedilatildeo Podemos citar trecircs tipos de reaccedilotildees
a partir das quais se podem produzir um poliacutemero a poliadiccedilatildeo policondensaccedilatildeo e a
modificaccedilatildeo quiacutemica de outro poliacutemero [20]
241 ndash Polistireno (PS)
O PS eacute uma resina termoplaacutestica foi descoberto em 1831 Apesar de ter sido
proposto para uso logo apoacutes sua descoberta demorou a ser colocado no comeacutercio Isto
ocorreu porque a polimerizaccedilatildeo do monocircmero natildeo era controlada e ocorria muito
rapidamente dificultando o carregamento e a estocagem dos monocircmeros A representaccedilatildeo
da estrutura quiacutemica do PS pode ser vista na figura 29 [21]
15
Figura 2 9 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PS (C8H8)n
O PS eacute um dos plaacutesticos mais utilizados no Brasil cuja aplicaccedilatildeo pode se estender a
diversos tipos de utensiacutelios para uso domeacutesticos Em uso na fabricaccedilatildeo de objetos tais
como brinquedos escovas embalagens riacutegidas para cosmeacuteticos no isolamento ao frio na
embalagem de equipamentos em pranchas flutuantes em paineacuteis para a induacutestria
automobiliacutestica e produtos para a induacutestria de eletro-eletrocircnico etc
Suas caracteriacutesticas marcantes satildeo rigidez semelhante ao vidro alta resistecircncia
quiacutemica baixa resistecircncia a solventes orgacircnicos baixa resistecircncia a intempeacuteries boa
condiccedilatildeo de isolamento teacutermico e eleacutetrico relevante sensibilidade agrave luz incolor e
transparente [21] Frente ao calor eacute classificado como termoplaacutestico de uso geral Trata-se
de um poliacutemero de baixo custo e de faacutecil aquisiccedilatildeo No Brasil os principais fabricantes satildeo
a BASF do Brasil que produz o PS com o nome comercial de Plystirol e a Monsanto do
Brasil que o fabrica com o nome comercial de Lustrex Possui temperatura de fusatildeo
cristalina (Tm) 235 degC e temperatura de transiccedilatildeo viacutetrea (Tg) de 100 degC [20]
242 ndash Poli metacrilato de metila (PMAM)
Eacute um poliacutemero amorfo linear sua siacutentese eacute por adiccedilatildeo e requer um centro ativo
como iniciador Possui caracteriacutesticas oacutepticas e mecacircnicas resistentes aos aacutecidos orgacircnicos
[21 22] A representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica pode ser vista na figura 210
16
Figura 2 10 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PMMA (C5O2H8)n
Tambeacutem conhecido como plaacutestico acriacutelico esse termoplaacutestico eacute um poliacutemero
sinteacutetico de origem petroquiacutemica assim como o PS cujas principais caracteriacutesticas satildeo
transparecircncia boa resistecircncia quiacutemica resistente a impactos e a intempeacuteries
Eacute um poliacutemero considerado de baixo custo e de faacutecil aquisiccedilatildeo No Brasil
destacam-se como fabricantes a CP Bahia e a Rohm amp Haas que produzem
respectivamente o Acrigel e o Acryloid
O PMAM eacute usado em placas para sinalizaccedilatildeo de traacutefego em estradas nas induacutestrias
automobiliacutesticas de aviaccedilatildeo e na construccedilatildeo civil Eacute vastamente empregado na fabricaccedilatildeo
de fibras oacutepticas e em eletro-eletrocircnicos aleacutem disso o PMAM tem sido utilizado na
ortopedia desde sua siacutentese Pesquisa na aacuterea da eletrocircnica orgacircnica estaacute sendo
desenvolvida [2223] e tambeacutem na aacuterea da medicina como na esteacutetica e em outras
aplicaccedilotildees na aacuterea da sauacutede [2425]
Possui temperatura de fusatildeo cristalina (Tm) 160 degC e temperatura de transiccedilatildeo viacutetrea
(Tg) de 105 degC[20]
243 ndash Poli(34-Etileno Dioxitiofeno)Poli(Estireno-Sulfonato) (PEDOTPSS)
As pesquisas sobre poliacutemeros condutores tecircm atraiacutedo cientistas e grandes empresas
Ao longo desta deacutecada grandes descobertas foram realizadas em relaccedilatildeo aos poliacutemeros
condutores [26]
Cientistas da Bayer AG [27 28] contribuiacuteram para o desenvolvimento do Poli (34-
etileno dioxitiofeno) (PEDOT) que apresenta propriedades e caracteriacutesticas interessantes
mesmo em seu estado dopado A cadeia principal estaacute representada na figura 211
17
Figura 2 11 ndash Representaccedilatildeo da cadeia principal do PEDOT [28]
O PEDOT possui alta condutividade contudo natildeo eacute soluacutevel em aacutegua Para tornaacute-lo
soluacutevel foi adicionado o poli (estireno sulfonado) (PSS) assim as altas taxas de
condutividade foram perdidas no processo de dopagem Apesar disto a combinaccedilatildeo do
PEDOTPSS ilustrado na figura 212 resultou em um poliacutemero com caracteriacutesticas e
condiccedilotildees favoraacuteveis tornando simples a deposiccedilatildeo dos filmes
O PEDOTPSS eacute apresentado em soluccedilatildeo azul escuro e possui condutividade
maacutexima de 10 S cm (depende da espessura e do processo de confecccedilatildeo do filme) Mostra
alta taxa de absorccedilatildeo luminosa entre 900 nm e 2000 nm [28]
Figura 2 12 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica da interaccedilatildeo entre o PEDOT e PSS [28]
O PEDOTPSS eacute um exemplo de poliacutemero condutor comercial que atraiu usuaacuterios e
pesquisadores em vaacuterios paiacuteses Atualmente existem vaacuterios estudos de dispositivos
orgacircnicos para aplicaccedilotildees em ceacutelulas solares que utilizam o PEDOTPSS [30-32] Seu uso
18
em pesquisas se estende a outros dispositivos orgacircnicos como OLEDs sensores
transistores etc [32 33]
244 ndash Poli (3-hexiltiofeno) (P3HT)
O P3HT eacute um poliacutemero sinteacutetico semicondutor tipo p fabricado e comercializado
pela Aldrichreg possui alto peso molecular Sua estrutura com grades reacutegio-regulares
favorece os estudos para aplicaccedilotildees em ceacutelulas fotovoltaicas orgacircnicas (OPV) Possui
propriedades fotoluminescentes na faixa de comprimento de onda 450 nm e 575 nm [34]
Tambeacutem pode ser combinado com outro tipo de poliacutemeros para aplicaccedilotildees em ceacutelulas
solares [35-37] O transporte de cargas majoritaacuterio eacute de lacunas
A Soluccedilatildeo do P3HT pode ser solubilizada em clorofoacutermio (CHCL3) Aleacutem deste
solvente o P3HT pode ser diluiacutedo em tolueno (C7H8) tri-cloro-benzeno cloro-benzeno e
xyleno soluacutevel A estrutura quiacutemica pode ser vista na figura 213
Figura 2 13 ndash Estrutura quiacutemica do P3HT (C10H18S)n
245 ndash Oacuteleo de Buriti (Mauritia Flexuosa L) ndash OB
A palmeira do buriti (Mauritia flexuosa L) aparece em regiotildees de vaacuterzea e brejo e eacute
comumente encontrada na regiatildeo da Amazocircnia A figura 214 ilustra a foto da palmeira do
buritizeiro Tanto as palmeiras como os frutos satildeo muito utilizados pelas pessoas que
moram nas regiotildees ribeirinhas por exemplo para fazer coberturas de casas com as folhas
ou para extrair a polpa dos frutos para o uso na alimentaccedilatildeo
19
Figura 2 14 ndash Foto da palmeira do Buriti (Mauritia Flexuosa) conhecida como Buritizeiro
[21]
A palmeira do buritizeiro costuma ter altura de ateacute cinquumlenta metros A meacutedia de
frutos colhidos em todos os cachos varia de quinhentos a oitocentos frutos O fruto do
buriti apresenta forma arredondada e eliacuteptica mede aproximadamente de quatro a seis
centiacutemetros de diacircmetro com peso variando entre vinte e cinco a quarenta gramas A
figura 215 ilustra o fruto do buritizeiro tambeacutem pode ser observada a cor amarelada da
polpa
Figura 2 15 ndash Ilustraccedilatildeo dos frutos maduros do Buriti (a) aspecto da casca (b) polpa de
cor amarelada [21]
Estudos desenvolvidos por Moreira et al [38- 40] mostram propriedades oacutepticas de
absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica na faixa do ultravioleta e do visiacutevel solar (UV-VIS)
20
Duratildees et al [39] estudando as soluccedilotildees do OB diluiacuteda em clorofoacutermio observaram
grau de absorccedilatildeo de radiaccedilatildeo UV-VIS na faixa de 245 248 e 276 nm Tambeacutem foram
avaliadas a incorporaccedilatildeo do OB em matrizes de PMAM e PS que apresentaram niacuteveis de
absorccedilatildeo em comprimentos de onda maiores do que 276 nm
A figura 216 mostra os espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo ultravioleta (UV) dos
filmes de PS e PS com OB nas proporccedilotildees estudadas Observa-se nesses espectros que o
filme de PS sem o OB apresenta absorccedilatildeo insignificante nessa regiatildeo do espectro
eletromagneacutetico Esse material mostra uma pequena banda de absorccedilatildeo entre 250 nm Nos
espectros do material polimeacuterico misturado com OB percebe-se um aumento da absorccedilatildeo
da radiaccedilatildeo como consequumlecircncia do aumento do teor de OB nas amostras Esta absorccedilatildeo eacute
indicada por uma banda larga e intensa entre 275 nm e 375 nm que se desloca para
comprimentos de onda maiores agrave medida que a concentraccedilatildeo do oacuteleo aumenta nos
materiais compostos [40]
Figura 2 16 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PS puro e PSOB [40]
A figura 217 mostra os espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes de
PMAM puro e PMAM OB nas proporccedilotildees estudadas O estudo de espectroscopia por
absorccedilatildeo na regiatildeo do UV mostrou que o OB proporcionou uma elevaccedilatildeo de ateacute 400 na
absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo pelo PMAM misturado com OB Este aumento ocorreu regularmente
21
com o teor do dopante exceto para o material com maior percentual do oacuteleo onde
provavelmente a sua maior quantidade tenha dificultado a incorporaccedilatildeo no PMAM
Como consequumlecircncia da incorporaccedilatildeo do OB na matriz de PMAM foi observada
uma banda larga de absorccedilatildeo entre 260 nm e 380 nm que sofreu deslocamento para
comprimentos de onda maiores acompanhando o aumento no teor de oacuteleo das amostras
Nota-se portanto que o comportamento das amostras de PMAM OB eacute semelhante ao dos
materiais PS OB com exceccedilatildeo da inversatildeo de absorccedilatildeo dos filmes feitos com percentuais
do OB de 3455 e 4681 nos filmes de PMAM
Figura 2 17 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PMAM puro e PMAM
OB [40]
22
Capiacutetulo III
Procedimentos Experimentais e
Resultados
23
3 ndash PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS
31 ndash MATERIAIS
Escolheu-se trabalhar com substrato de vidro por que eacute transparente fornece
sustentaccedilatildeo mecacircnica natildeo se degrada com o calor permite a entrada de luz no dispositivo
e possui uma camada condutora com resistecircncia relativamente baixa As resistecircncias das
lacircminas foram medidas com multiacutemetro digital comum e apresentaram um valor em torno
de 41-70 Ω A resistecircncia desses substratos muda de acordo com o processo de
deposiccedilatildeo dos filmes de FTO [41 42] Tambeacutem foram usados substratos flexiacuteveis de
plaacutestico (PET) no tamanho de 2 cm x 3 cm
Os poliacutemeros condutores usados foram o PEDOTPSS e o P3HT Usou-se o PEDOT
PSS para fazer um dos eletrodos O P3HT foi usado misturado com o oacuteleo de buriti para
fazer um tipo de camada ativa Trabalhou-se com misturas de poliacutemeros isolantes PS e
PMAM com OB preparadas no Laboratoacuterio de Poliacutemeros do Instituto de Quiacutemica da UnB
Usou-se misturas com concentraccedilotildees de 8 e 47 de OB na matriz de PS e misturas com
35 de OB na matriz de PMAM conforme descrito por JR Duratildees em [40]
Para fazer o eletrodo superior usou-se a tinta condutora de prata marca INK
SILVER (tinta 100 prata) com pureza da prata 99 e tamanho da partiacutecula de prata 05
a 70 m dissolvidas em solvente e um verniz de alta aderecircncia (NOS002) Em algumas
amostras usou-se tambeacutem o grafite de um laacutepis HB
32 ndash EQUIPAMENTOS UTILIZADOS
321 ndash Multiacutemetros
Para fazer as medidas eleacutetricas diretas de ISC empregou-se o uso do multiacutemetro
analoacutegico ET-3021 porque possuiacutea escala de ateacute micro ampeacutere Para as medidas diretas de
resistecircncia seacuterie e de VOC usou-se o multiacutemetro digital modelo ET-2042C
322 ndash Spin coater
Os filmes finos foram preparados utilizando um conjunto de equipamento que
compotildee o spin coater (Laureal modelo WS- 400B-6NPPLITE) do Laboratoacuterio de
Dispositivo e Circuitos Integrados da UnB (LDCI) mostrado na figura 31
24
Figura 3 1 ndash (a)bomba de vaacutecuo (b) compressor de ar comprimido (c) vaacutelvula de
controle e (d) spin coater
O equipamento de spin coater consiste em um conjunto composto de bomba de
vaacutecuo compressor de ar comprimido regulador de pressatildeo e o spin coater que possui
compartimento feito de teflon Acoplado ao spin coater haacute um display de cristal liquido
(LCD) para visualizaccedilatildeo dos programas realizados
Tem-se ateacute 20 programas de processamentos (A ateacute T) contendo ateacute 51 etapas cada
um que podem ser armazenados definitivamente na memoacuteria caso haja possibilidade de
modificar o programa posteriormente Cada etapa do programa inclui tempo total de
duraccedilatildeo da deposiccedilatildeo velocidade de rotaccedilatildeo do substrato em rpm e
aceleraccedilatildeodesaceleraccedilatildeo Satildeo possiacuteveis rotaccedilotildees de ateacute 11000 rpm
Na figura 32 haacute uma foto mostrando a lateral e parte da frente do compartimento
onde o substrato eacute colocado no momento da centrifugaccedilatildeo Ao lado do spin coater pode ser
visualizado o display de LCD programaacutevel acoplado
25
Figura 3 2 ndash Equipamento de spin coater instalado no laboratoacuterio LDCI vista lateral e
frontal
323 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores (Curva IndashV)
As curvas IndashV das amostras foram obtidas com um sistema de caracterizaccedilatildeo de
semicondutores Keithley modelo 2400 mostrado na figura 33 o qual permite aplicar
tensotildees entre 1 μV e 1100 V e medir a corrente entre 10 pA e 105 A
Figura 3 3 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores Keithley 2400 laboratoacuterio
LDCI
26
Todo o processo de medidas eacute controlado atraveacutes de um microcomputador que eacute
conectado aos equipamentos atraveacutes de uma interface paralela (General Purpose Interface
Bus (GPIB) que controla os equipamentos coleta e armazena os dados O programa usado
para este fim eacute o software LABVIEW 61
324 ndash Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM)
A caracterizaccedilatildeo morfoloacutegica dos filmes das camadas ativas foi obtida em um
equipamento de medidas de microscopia de forccedila atocircmica AFM marca VEECO DInnova
(figura 34) com ponteira de nitrato de siliacutecio (forma em V) com constante de mola de
058 Nm Todas as imagens foram obtidas em modo contato (512 x 512 pixel) e taxa de
varredura de 1 Hz
Figura 3 4 ndash Vista frontal do AFM marca VEECO Innova
27
Os filmes caracterizados por AFM consistiram em camadas ativas feitas com
soluccedilotildees de PS puro PSOB 47 PMAM puro PMAMOB 35 P3HTOB puro e
P3HT PS OB 47 depositadas sobre substrato de vidro recoberto com FTO por spin
coating e com rotaccedilatildeo de 7000 rpm por 40 segundos
33 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS I
331 ndash Experimentos Etapa 1
Nesta etapa utilizou-se a metodologia adaptada a partir da descriccedilatildeo da montagem da
ceacutelula solar de Graumltzel [43] Essa ceacutelula eacute tambeacutem conhecida como ceacutelula solar de corante
Nessa ceacutelula a geraccedilatildeo de energia eacute produzida por um efeito eletroquiacutemico [44] Para cada
amostra foram usadas duas lacircminas de vidro tamanho 1 cm x 25 cm recoberto com FTO
Os substratos foram utilizados conforme retirados das embalagens ou seja natildeo passaram
por nenhum tipo de limpeza
3311 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo dos eletrodos
Para um dos eletrodos usou-se o grafite que foi obtido a partir de um laacutepis para
desenho HB No lado do substrato contendo o FTO pintou-se a lacircmina com o laacutepis Para o
outro eletrodo foi usado uma soluccedilatildeo PEDOT PSS As amostras foram confeccionadas
manualmente e as deposiccedilotildees foram feitas com pincel comum A soluccedilatildeo de PEDOT PSS
ficou agitando durante 2 horas antes da deposiccedilatildeo sobre o substrato a fim de obter-se uma
soluccedilatildeo mais homogecircnea Devido o filme de PEDOTPSS ser espesso o processo de
secagem a temperatura ambiente foi demorado Assim apoacutes a pintura se fez necessaacuterio a
secagem das amostras na estufa durante 8 horas a 80 ordmC e para concluir o processo
ficaram em temperatura ambiente por mais 24 horas
3312 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo da camada ativa
Antes de fazer a deposiccedilatildeo do filme da camada ativa de PSOB 8 a mistura foi
agitada durante 30 minutos com intuito de obter-se uma dissoluccedilatildeo completa da soluccedilatildeo
28
Sobre o eletrodo de PEDOTPSS foi depositada por casting uma quantidade da soluccedilatildeo de
PSOB 8
3313 ndash Formaccedilatildeo do dispositivo
Para formar o dispositivo as duas lacircminas de vidro foram juntadas uma com
grafite e a outra com PEDOTPSS e a camada ativa de PSOB 8 As duas foram juntadas
antes que a camada ativa estivesse seca de modo a ajudar na colagem das mesmas Para
garantir a uniatildeo fiacutesica das lacircminas foi usado um clipe conforme mostrado na figura 35 A
aacuterea ativa eacute da ordem de 1 cm2
Figura 3 5 ndash Amostras confeccionadas com duas lacircminas de substrato de vidro
recoberto com FTO baseada no modelo de Graumltzel
3314 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
A fonte de iluminaccedilatildeo utilizada na caracterizaccedilatildeo dos dados experimentais e
resultados I consistiu em uma lacircmpada incandescente comum de 100 W ligada em seacuterie
com um varivolt de 240 volts
Foram feitas quatro amostras (CS1 CS2 CS3 e CS4) da forma como descrito
acima As medidas eleacutetricas foram tomadas usando-se dois multiacutemetros um digital e outro
analoacutegico As amostras foram iluminadas com a lacircmpada incandescente de 100 W e foram
observados valores de ISC e VOC nos multiacutemetros a partir de uma tensatildeo de 240 volts na
lacircmpada Todas as amostras ficaram expostas durante aproximadamente 5 minutos Os
valores de ISC e VOC obtidos satildeo mostrados na tabela 31
29
Tabela 3 1 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W) Tensatildeo da
lacircmpada
CS1 mdash mdash mdash 240
CS2 03 09 027 240
CS3 06 05 030 240
CS4 02 01 020 240
3315 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Pode-se observar o aparecimento de VOC e tambeacutem de ISC em trecircs das amostras
confeccionadas com tensatildeo de alimentaccedilatildeo na fonte de iluminaccedilatildeo de 240 volts Os
valores de VOC e ISC satildeo um pouco diferentes entre as trecircs amostras apesar de elas terem
sido confeccionadas seguindo os mesmos procedimentos Isto pode ter sido devido agrave
dificuldade em se controlar a espessura das camadas ativas Os resultados obtidos para VOC
e ISC satildeo menores do que os reportados na literatura [4344] Contudo os materiais usados
satildeo diferentes dos relatados na literatura Neste dispositivo o OB estaacute se comportando
como um corante e promovendo o processo eletroquiacutemico de transformaccedilatildeo de energia
luminosa em energia eleacutetrica Assim uma mudanccedila na concentraccedilatildeo de oacuteleo poderaacute
modificar os resultados obtidos ateacute aqui
332 ndash Experimentos Etapa 2
3321 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras
Na segunda etapa foram confeccionadas quatro amostras (CS5 CS6 CS7 e CS8)
utilizando a mesma metodologia do experimento da Etapa 1 mudando apenas a
concentraccedilatildeo do OB de 8 para 47 No lugar do clipe para unir as duas lacircminas usou-se
fita adesiva
3322 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
As medidas das amostras foram realizadas usando os mesmos equipamentos jaacute
citados e descritos anteriormente Duas destas amostras natildeo tiveram medidas de ISC nem
30
VOC Para as demais soacute foram observadas medidas de VOC e ISC apoacutes a tensatildeo da lacircmpada
atingir 200 volts Todas as amostras ficaram expostas durante 5 minutos Os valores de ISC
e VOC obtidos satildeo mostrados na tabela 32
Tabela 3 2 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W) Tensatildeo da
lacircmpada
CS5 ndash ndash ndash 240
CS6 18 09 162 240
CS7 ndash ndash 240
CS8 09 03 027 240
3323 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Os valores de VOC e ISC obtidos nesta etapa satildeo maiores que os obtidos na Etapa1
Isto pode estar relacionado ao efeito corante do OB Nesta etapa mudou-se a concentraccedilatildeo
de 8 de OB para 47 de OB esse paracircmetro foi o uacutenico a ser mudado entre as duas
etapas Estas amostras bem como as da Etapa 1 natildeo puderam ter seus valores de VOC e ISC
medidos novamente porque as amostras descolavam os eletrodos danificando os
dispositivos Assim estas estruturas natildeo foram repetidas
333 ndash Experimentos Etapa 3
Nesta etapa mudou-se o tipo de substrato e a configuraccedilatildeo das amostras A
configuraccedilatildeo de construccedilatildeo baseada na estrutura dos dispositivos desenvolvidos por
Graumltzel natildeo foi mais usada O substrato de vidro foi substituiacutedo por um substrato de
plaacutestico de Poli (Tereftalato de Etila) (PET) a fim de desenvolver amostras flexiacuteveis e de
menor custo As camadas ativas tiveram a concentraccedilatildeo do OB de 47 O substrato de
PET foi limpo com clorofoacutermio acetona e aacutegua deionizada Apoacutes o processo de limpeza os
substratos foram secos a temperatura ambiente por 2 horas Para substituir a camada
condutora de FTO e construir um dos eletrodos utilizou-se leit-C e leit-C diluente
adquirido da FLUKA esses dois elementos produzem a pasta de carbono O PEDOTPSS
31
foi utilizado para formar um filme sobre o eletrodo de carbono E por uacuteltimo foi usada a
Ag para fazer o eletrodo superior
3331 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras
Com o substrato recortado no tamanho de 2 cm x 3 cm inicia-se o processo de
limpeza As folhas de PET foram imersas em clorofoacutermio durante 30 minutos em soluccedilatildeo
de acetona por mais 30 minutos e por ultimo foram enxaguadas com aacutegua deionizada O
processo de secagem foi realizado em temperatura ambiente dentro da estufa
A pasta de carbono foi preparada para ser o eletrodo inferior Essa foi espalhada
manualmente com ajuda de uma espaacutetula sobre toda a folha do PET Com o substrato
preparado e tendo a superfiacutecie recoberta com um filme de carbono jaacute seco a soluccedilatildeo de
PEDOT PSS foi pintada sobre o filme de carbono com um pincel de cerdas macias
comum Antes da deposiccedilatildeo a soluccedilatildeo de PEDOT PSS foi agitada durante 2 horas
Apoacutes a pintura do filme de PEDOTPSS as amostras foram colocadas na estufa agrave
temperatura de 50 degC durante 8 horas e permaneceram por mais 24 horas em temperatura
ambiente dentro da estufa A camada ativa foi depositada usando uma pipeta contendo 001
uL de PSOB 47 Para formar o contato inferior uma pequena parte do filme de
PEDOTPSS foi deixado visiacutevel
Apoacutes a deposiccedilatildeo da camada ativa as amostras ficaram em temperatura ambiente
por 24 horas para concluir o processo de secagem O eletrodo superior foi pintado com
tinta de Ag sobre uma pequena aacuterea da camada ativa A secagem do eletrodo superior foi
em temperatura ambiente A aacuterea ativa destas amostras eacute da ordem de 05 cm2 A figura 36
a) mostra o esquema final da amostra e a figura 36 b) uma foto do dispositivo finalizado
Figura 3 6 ndash (a) Esquema da amostra confeccionada no substrato flexiacutevel de plaacutestico
(PET) (b) foto do substrato finalizado
32
3332 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
Nesta etapa foram confeccionadas cinco amostras chamadas de P1 P2 P3 P4 e
P5 As medidas eleacutetricas foram realizadas usando os equipamentos jaacute descritos nas etapas
anteriores Os valores de VOC e ISC foram medidos apoacutes a tensatildeo da lacircmpada atingir 200
volts Todas as amostras ficaram expostas sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada durante cinco
minutos As amostras tiveram as resistecircncias medidas Pois os substratos utilizados aqui
eram isolantes e o filme condutor foi construiacutedo manualmente As resistecircncias das
amostras satildeo mostradas na tabela 33 juntamente com os valores de ISC VOC e potecircncia
calculada
Todas as amostras apresentaram valores de VOC e ISC para tensatildeo de iluminaccedilatildeo da
lacircmpada acima de 220 volts exceto a amostra P4 A amostra P4 mostrou valores
mensuraacuteveis de VOC e ISC a partir de iluminaccedilatildeo da lacircmpada com tensatildeo de 110 volts Os
valores desta variaccedilatildeo satildeo mostrados na tabela 34
Tabela 3 3 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (W) Tensatildeo da
Lacircmpada
Resistecircncia
Ohms
P1 ndash ndash ndash 240 540
P2 09 01 09 240 890
P3 15 07 105 240 550
P4 09 06 054 240 1500
2000 P5 24 09 216 240
Tabela 3 4 ndash Valores medidos de VOC e ISC com iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W para variaccedilatildeo de iluminaccedilatildeo para a amostra P4
Variaccedilatildeo das tensotildees VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W)
110 04 01 04
160 06 02 012
220 07 03 021
240 09 06 054
33
3333 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Na tabela 33 natildeo foi observada nenhuma ligaccedilatildeo direta dos valores de ISC e VOC
com as resistecircncias medidas das amostras Em relaccedilatildeo agraves amostras feitas nas Etapas 1 e 2
pode-se notar valores de ISC e VOC maiores
Foi observado que em todas as amostras confeccionadas no substrato de PET apoacutes
alguns minutos de aquecimento pela fonte de luz (lacircmpada de 100 w) as amostras se
deformavam Agrave medida que os testes eram repetidos as amostras se retorciam e em
algumas amostras os filmes ressecaram e se soltaram dos substratos Apesar destes
comportamentos ao se repetir os testes os valores de VOC e ISC permaneciam inalterados
para as amostras que os filmes natildeo estavam completamente rompidos A figura 37
apresenta a foto de uma amostra apoacutes ser submetida agrave fonte iluminaccedilatildeo de lacircmpada
incandescente de 100 W por 20 minutos Devido aacute sua deformaccedilatildeo e degradaccedilatildeo com o
calor este tipo de substrato foi descartada
Figura 3 7 ndash Amostra feita com substrato de PET apoacutes ser submetidos agrave fonte de lacircmpada
incandescente de 100 W por 20 minutos
334 ndash Experimentos Etapa 4
Devido ao retorcimento e agrave deterioraccedilatildeo das amostras confeccionadas com
substrato de PET nesta etapa voltou-se a utilizar o substrato de vidro recoberto com FTO
A prata foi usada para construir o eletrodo superior das amostras Para a camada ativa
continuou-se com uso do PSOB 47 Seguindo o mesmo esquema utilizado anteriormente
34
para confecccedilatildeo das amostras de PET mudou-se apenas o substrato O esquema do
dispositivo pode ser visto na figura 38
3341 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras
As resistecircncias dos substratos de vidro de 1 cm x 25 cm estatildeo entre 89 a 115 Ω
Os substratos foram limpos com clorofoacutermio acetona e aacutegua deionizada
Apoacutes o processo de limpeza todos os substratos foram secos a temperatura
ambiente por 2 horas
O eletrodo de PEDOTPSS foi pintado sobre o filme de FTO do substrato Em
seguida as amostras foram colocadas na estufa a 80 degC durante 24 horas
Apoacutes a secagem da camada de PEDOTPSS foi realizada a deposiccedilatildeo da camada
ativa com o auxilio de uma pipeta contendo 001 ml de soluccedilatildeo de PSOB 47 O
processo de secagem foi em temperatura ambiente por 24 horas
Por uacuteltimo foi feito o contato superior de tinta de Ag sobre a camada ativa de PS
OB 47 utilizando um pincel fino de cerdas comuns A aacuterea ativa foi estimada e ficou em
torno de 025 cm2 A figura 38 a) mostra o esquema que foi usado para confeccionar as
amostras e a figura 38 b) ilustra a amostra finalizada
Figura 3 8 ndash (a) Esquema da amostra para substrato de vidro recoberto com FTO (b) foto
da amostra finalizada
3342 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
Nesta etapa foram confeccionadas 10 amostras que foram nomeadas de v1 v2 v3
v4 v5 v6 v7 v8 v9 e v10 A tabela 35 mostra os valores daquelas que apresentaram
melhores desempenhos de VOC e ISC As medidas eleacutetricas foram realizadas usando os
equipamentos jaacute descritos nas etapas anteriores As medidas obtidas satildeo inferiores agravequelas
jaacute conseguidas nos itens anteriores Valores de VOC e ISC significativos ocorreram apoacutes a
tensatildeo da lacircmpada atingir 220 volts Todas as amostras ficaram expostas sob a luz da
lacircmpada durante 10 minutos As amostras foram iluminadas atraveacutes do vidroFTO
35
Tabela 3 5 ndash Valores de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo de lacircmpada incandescente de 100 W
durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W) Tensatildeo lacircmpada
v3 06 02 012 240
v5 05 01 050 240
v7 11 09 099 240
3343 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Apesar das amostras terem sido feitas seguindo os mesmos procedimentos os
valores de VOC e ISC obtidos satildeo diferentes Isto pode ter ocorrido devido agraves diferenccedilas nas
espessuras das camadas ativas que natildeo puderam ser controladas e tambeacutem no tamanho das
aacutereas ativas que podem ser levemente diferentes Aqui natildeo se pode falar em comparaccedilatildeo
com as outras amostras feitas anteriormente porque a aacuterea da camada ativa foi bastante
reduzida e as estruturas satildeo diferenciadas Desta forma os valores obtidos mesmo
menores ainda satildeo vaacutelidos
34 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS II
341 ndash Misturas usando P3HT
Nesta etapa foi proposto um estudo sobre diferentes misturas para a construccedilatildeo das
camadas ativas sempre incorporando o uso do OB Tipos de camadas ativas utilizadas
PSOB 47 P3HT+OB puro e PSOB 47 + P3HT
Para os trecircs tipos de dispositivos aqui investigados foi usado substrato de vidro
recoberto com FTO sobre o qual foi depositado por spin coating um filme de
PEDOTPSS que serviu como eletrodo inferior As camadas ativas foram depositadas
sobre o eletrodo de PEDOTPSS usando a teacutecnica de spin coating O eletrodo superior foi
pintado com tinta condutiva de Ag A figura 38 mostra o esquema do dispositivo que foi
utilizado para a confecccedilatildeo destas amostras
Para as medidas diretas de VOC e ISC foram usados dois tipos de iluminaccedilatildeo
artificial com lacircmpada de mercuacuterio Spektrallamp 80 W e iluminaccedilatildeo natural solar
36
342 ndash Experimentos Etapa 1
Nas etapas anteriores os filmes das amostras foram produzidos manualmente por
casting mas os resultados obtidos nas medidas iniciais natildeo foram satisfatoacuterios A fim de
buscar melhores resultados e tendo jaacute disponiacutevel no laboratoacuterio o equipamento de spin
coater para produzir filmes mais finos e homogecircneos a metodologia de confecccedilatildeo dos
filmes foi mudada Os filmes finos foram preparados em rotaccedilotildees variadas a fim de se
obter um filme adequado
3421 ndash Preparaccedilatildeo dos filmes por spin coater
Para preparar o primeiro grupo de amostras usaram-se substratos de vidro
recobertos com FTO Todos os substratos foram lavados em aacutegua deionizada e colocados
em estufa a 80degC para secar Para fazer o filme de PEDOTPSS inicialmente foi usada
rotaccedilatildeo de 500 rpm durante 25 segundos para espalhar a soluccedilatildeo uniformemente em todo
o substrato em seguida usou-se uma rotaccedilatildeo de 3000 rpm durante 40 segundos para
finalizar a confecccedilatildeo do filme
O filme de PEDOTPSS obtido dessa forma ficou bastante fino de modo que a
amostra saia do spin coater quase seca A fim de eliminar-se qualquer vestiacutegio do
solvente que no caso do PEDOT PSS usou-se agrave aacutegua as amostras foram colocadas na
estufa em temperatura de 50 degC por 1 hora Antes de depositar a camada ativa uma parte
do filme de PEDOTPSS foi protegido com fita onde foi construiacutedo o eletrodo inferior
Foram preparados trecircs tipos de soluccedilotildees para formar a camada ativa A primeira foi
uma soluccedilatildeo jaacute preparada de PS OB 47 no LABPOL do instituto de Quiacutemica UnB [41]
A segunda uma mistura de PS OB 47 mais o P3HT na proporccedilatildeo de 11 e a terceira foi
uma soluccedilatildeo de 1 ml de P3HT com 001 ml de OB puro As trecircs soluccedilotildees foram agitadas
durante 2 horas antes de serem depositadas por spin coating Os filmes da camada ativa
foram feitos com rotaccedilatildeo de 4000 rpm durante 40 segundos
Como o clorofoacutermio eacute um solvente que tem evaporaccedilatildeo raacutepida a deposiccedilatildeo da
camada ativa foi feita com o substrato jaacute girando no spin coater A deposiccedilatildeo foi realizada
com ajuda de uma pipeta As secagens das camadas ativas foram em temperatura ambiente
dentro da estufa para proteger as amostras de impurezas tais como poeira e contaminaccedilotildees
em geral
37
Por fim foi pintado no topo das amostras o eletrodo de Ag Foram construiacutedas duas
geometrias para se observar a influecircncia na quantidade de cargas coletadas e tambeacutem a
influecircncia do tamanho da aacuterea ativa As geometrias satildeo mostradas nas figuras 39 (a) e 39
(b)
Figura 3 9 ndash (a) Geometria do eletrodo de Ag confeccionado em forma de ponto e (b)
geometria do eletrodo de Ag feito em forma de trilhas
3422 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W
A fonte de iluminaccedilatildeo utilizada na caracterizaccedilatildeo dos dados experimentais e
resultados II consistiu em uma lacircmpada Hg spektrallamp de 80 W ligada a uma fonte de
alimentaccedilatildeo DROSSEL FUumlR SPEKTRALLAMP POWER SUPPLY FOR SPECTRAL
LAMPS
As medidas eleacutetricas das amostras foram realizadas usando os mesmos
equipamentos jaacute citados nos dados experimentais e resultados I
Cada amostra ficou exposta agrave radiaccedilatildeo direta da lacircmpada de Hg aproximadamente
por 5 minutos Para estas medidas natildeo foram considerados interferecircncia acircngulo de
inclinaccedilatildeo da amostra ou da lacircmpada Os valores de VOC e ISC obtidos para os dois tipos de
contatos para as geometrias desenhadas em forma de ponto e em trilha satildeo mostrados nas
tabelas 36 e 37 respectivamente
38
Tabela 3 6 ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito com um ponto de
prata Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PSOB 47 02 001 2
OB puroP3HT 06 002 12
PSOB 47P3HT 06 002 12
Tabela 3 7ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito de prata em forma de
trilhas com concentraccedilatildeo em um ponto Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PSOB 47 12 006 72
OB puroP3HT 11 005 55
PSOB 47P3HT 11 005 55
3423 ndash Caracterizaccedilatildeo com luz solar direta
As amostras com geometria de contato em forma de trilhas foram escolhidas para
serem caracterizadas pela luz solar direta Pois este grupo de amostra apresentou melhores
desempenhos quando submetidas agrave luz da lacircmpada espectral de Hg em relaccedilatildeo agraves amostras
confeccionadas com eletrodos em forma de ponto As medidas foram realizadas em dia de
sol intenso nos horaacuterios entre onze horas e doze horas Para realizar estas medidas foi
utilizada uma lente convergente [45] Isso foi feito para concentrar os raios solares sobre as
amostras Todas as amostras deste grupo ficaram expostas por aproximadamente 5 minutos
cada Os resultados satildeo mostrados na tabela 38
Tabela 3 8 ndash Resultados obtidos das medidas de VOC e ISC usando luz solar direta durante
5 minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PSOB 47 22 002 44
OB puroP3HT 18 002 36
PSOB 47P3HT 17 001 17
39
3423 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Para as amostras com contato de prata com a geometria desenhada em forma de
trilhas foram observados valores de VOC e ISC maiores do que aqueles com contato de
prata desenhado em forma de ponto Isto indica que realmente a geometria das trilhas
favorece a coleta das cargas geradas Neste caso tambeacutem existe uma aacuterea ativa maior o
que contribuiu para uma maior absorccedilatildeo da luz e consequumlentemente um aumento na
quantidade de cargas
As amostras com a camada ativa de PSOB 47 mostraram VOC e ISC superiores agraves
outras que continham a mistura do P3HT em sua camada ativa
Quando as amostras foram submetidas agrave luz solar direta houve um aumento
significativo de VOC contudo tivemos valores de ISC reduzidos em relaccedilatildeo aos valores
obtidos com a iluminaccedilatildeo da lacircmpada Hg Isto pode ser devido ao calor gerado pelo sol
que promoveu um espalhamento das cargas Pode-se notar que a potecircncia fornecida
tambeacutem diminuiu quando a luz solar foi usada como fonte de luz para caracterizaccedilatildeo das
amostras
343 ndash Experimentos Etapa 2
Para fazer uma investigaccedilatildeo em funccedilatildeo da espessura da camada ativa foram
confeccionadas novas amostras Continuou-se o uso dos trecircs tipos de soluccedilotildees para as
camadas ativas PSOB 47 OB puro+P3HT e PSOB 47 +P3HT Com a teacutecnica de
spin coating quanto maior a velocidade de rotaccedilatildeo menores satildeo as espessuras dos filmes
Para se obter filmes com espessuras adequadas os seguintes paracircmetros devem ser
observados viscosidade da soluccedilatildeo velocidade de rotaccedilatildeo e tempo de rotaccedilatildeo
3431 ndash Preparando novas amostras
Nesta etapa utilizou-se apenas rotaccedilatildeo de 3000 rpm para confeccionar o filme de
PEDOTPSS A deposiccedilatildeo foi feita com o auxiacutelio de uma conta gotas sendo que para cada
filme foram usadas duas pequenas gotas (001ml) Essa quantidade de soluccedilatildeo foi
suficiente para conseguir um espalhamento satisfatoacuterio e obter um filme fino e uniforme
Depois da deposiccedilatildeo os substratos satildeo colocados na estufa a 100 degC durante 15 minutos
para concluir o processo de secagem
40
Os trecircs tipos de camadas ativas foram preparadas seguindo o procedimento citado
na etapa 1 dos dados experimentais e resultados II Para esse grupo de amostra foi usado
um programa para o espalhamento do filme da camada ativa com uma rotaccedilatildeo fixa de 6000
rpm durante 25 segundos
Para depositar a mistura da camada ativa usou-se uma pipeta com 01 ml de
soluccedilatildeo Primeiramente depositou-se a mistura e em seguida colocou-se o spin coater
para girar atraveacutes do programa de rotaccedilatildeo previamente programado Esse procedimento
garante a uniformidade do filme As amostras foram levadas para a estufa a 100 degC por 20
minutos
O eletrodo superior foi pintado agrave matildeo O esquema usado para a confecccedilatildeo dos
dispositivos e a foto de uma amostra satildeo mostrados na figura 310 As amostras foram
confeccionadas seguindo o esquema mostrado na figura 310 (b) Todas as amostras deste
grupo tiveram um desenho semelhante ao da foto da figura 310 (a) Pois existem
variaccedilotildees nas espessuras dos contatos de Ag pois foram feitos a matildeo livre e sem muito
controle Isso pode ser um problema pois este eleacutetrodo pode aumentar a resistecircncia da
amostra fazendo diminuir as correntes coletadas das cargas geradas pelo dispositivo
Figura 3 10 ndash (a) Foto da amostra (b) Estruturas das camadas dos dispositivos das
novas amostras
41
3431 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W
Usou-se para este grupo de amostras os mesmos procedimentos de caracterizaccedilotildees
para as medidas de o VOC e ISC descrito na etapa 1 dos dados experimentais e resultados II
Para cada medida as amostras ficaram expostas sob o feixe de luz da lacircmpada de Hg que
foi focalizada diretamente na aacuterea ativa por aproximadamente cinco minutos
A aacuterea ativa foi estimada em torno de 05 cmsup2 Foram confeccionadas nove
amostras e os valores de VOC e ISC das amostras que apresentaram melhores desempenhos
satildeo apresentadas na tabela 39
Tabela 3 9 ndash Medidas de VOC e ISC para amostras iluminadas pela lacircmpada Hg 80 W
aproximadamente cinco minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) P (nW)
PS OB 47 21 009 189
OBP3HT 18 002 36
PSOB 47P3HT 17 001 17
3433 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar direta
O mesmo grupo de amostras foi exposto sob luz solar direta em horaacuterio de sol
intenso entre onze horas e doze horas Todas as amostras tiveram um tempo de exposiccedilatildeo
de aproximadamente cinco minutos Os valores de VOC e ISC medidos podem ser vistos na
tabela 310 Nestes experimentos a lente convergente tambeacutem foi utilizada Poreacutem natildeo
foram observados acircngulos de incidecircncia e nem mudanccedila da irradiaccedilatildeo solar As medidas de
VOC e ISC foram realizadas em dia de sol forte e sempre no mesmo horaacuterio A figura 311
mostra como as medidas foram realizadas Para concentrar os raios solares usou-se uma
lente de aumento As medidas foram aferidas com uso de multiacutemetro digital descrito
anteriormente com cabos e garras de jacareacute comuns
42
Figura 3 11 ndash Ilustraccedilatildeo do experimento realizado com uma amostra tendo o contato
desenhado com a geometria em forma de trilhas camada ativa de PS OB 47
Para manter um padratildeo para todas as medidas a distacircncia entre a lente e a amostra
foram padronizadas a fim de que a intensidade de luz solar concentrada sobre cada
dispositivo fosse aproximadamente agrave mesma
Tabela 3 10 ndash Valores de VOC e ISC para amostras iluminada sob luz solar direta expostas
durante cinco minutos cada
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PS OB 47 62 009 558
OBP3HT 33 003 99
PSOB 47P3HT 25 002 50
3434 ndash Curva caracteriacutestica de corrente versus tensatildeo aplicada (IndashV)
A partir desta etapa as caracterizaccedilotildees eleacutetricas dos dispositivos tambeacutem foram
realizadas atraveacutes das medidas das curvas IndashV As medidas foram realizadas no escuro e
sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio Para estes experimentos foram usados os trecircs tipos de
camadas ativas jaacute mencionadas para confeccionar os dispositivos
Os experimentos das medidas foram realizados em sala com temperatura e pressatildeo
atmosferica ambiente e iluminaccedilatildeo de lacircmpadas comuns Tambeacutem foram realizados testes
43
usando a lacircmpada de Hg iluminando diretamente a parte superior da amostra Contudo
natildeo foram observadas mudanccedilas significativas nas medidas para este grupo de amostras
Figura 3 12 ndash Ilustraccedilatildeo da polarizaccedilatildeo direta para amostras com P3HT e gota de
PEDOTPSS para medidas das curvas (IndashV)
Para evitar que a agulha perfurasse o filme fino de PEDOTPSS e atingisse o filme
de FTO uma gota mais espessa de PEDOTPSS foi colocada sobre o filme no ponto onde
a agulha fazia o contato conforme mostra a figura 312
As amostras foram submetidas a uma tensatildeo que variou de um valor maacuteximo a um
valor miacutenimo com passo conhecido e constante de 002 Com os dados coletados nesse
experimento os graacuteficos de corrente versus tensatildeo aplicada foram gerados Este graacutefico eacute
conhecido como curva caracteriacutestica do dispositivo Os resultados obtidos satildeo mostrados
nas figuras 313 314 e 315 foram obtidas sob iluminaccedilatildeo comum do laboratorio LDCI
A figura 313 mostra a curva caracteriacutestica do dispositivo com a camada ativa de
PSOB 47 A iluminaccedilatildeo foi realizada com a lacircmpada do equipamento Keither 2400 e
iluminaccedilatildeo ambiente do laboratoacuterio LDCI (ambas satildeo luz branca) Para polarizaccedilatildeo direta
de -2 a 2 V foram observados valores de VOC de 09 volts enquanto que a corrente de 003
A foi negativa
A figura 314 mostra a curva IndashV para amostra com camada ativa usando
P3HT+OB puro Para essa amostra os valores de VOC = 002 V e ISC 0013 A foram
obtidos
A figura 315 mostra a curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PSOB
47 +P3HT Os valores de VOC = 11 V e ISC 00124 A foram observados neste graacutefico
44
Figura 3 13 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47 Corrente e
tensatildeo observadas 003 uA e 09 Volts respectivamente
Figura 3 14 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de OB puro + P3HT Corrente
e tensatildeo observadas 0013 uA e 002 Volts respectivamente
45
Figura 3 15 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47+P3HT
Corrente e tensatildeo observadas 0012 uA e 11 volts respectivamente
3435 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Aqui jaacute eacute possiacutevel notar um progresso nas medidas em relaccedilatildeo agraves amostras das
etapas anteriores que possuiacuteam camada ativa mais espessa Os valores de VOC e ISC obtidos
com o multiacutemetro digital foram maiores para os dois tipos de iluminaccedilotildees lacircmpada Hg e
luz solar Estes resultados podem ser observados nas tabelas 39 e 310 Os resultados
mostram que o comportamento das amostras com camada ativa de PSOB 47
apresentaram melhores resultados Nota-se que a potecircncia fornecida pelas amostras
iluminadas pela luz solar natural eacute significantemente maior que quando iluminadas pela
lacircmpada de Hg
Nas amostras confeccionadas com blenda de OB puro+P3HT e PSOB 47
+P3HT foram observados resultados semelhantes tanto para VOC quanto para ISC
As trecircs amostras apresentaram comportamento distinto sendo que a amostra com
camada ativa feita com o PSOB 47 o resultado eacute mais parecido com o efeito
fotovoltaico e por isso eacute mais relevante
46
Para as proacutexinas amostras natildeo seraacute mais empregado o uso do P3HT Pois como foi
mostrado nos resultados seu uso natildeo favoreceu melhoras nas medidas Apesar dos
resultados apresentados e conseguidos ateacute aqui serem pequenos ainda assim podem ser
considerados satisfatoacuterios e promissores Pois se trabalhou com materiais novos e estaacute
empregando poliacutemeros isolantes de baixo custo usando oacuteleo vegetal como dopante
Reforccedilando a motivaccedilatildeo para o uso destes materiais no desenvolvimento em dispositivos
fotovoltaicos orgacircnicos
35 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS III
351 ndash Experimentos Etapa 1
Nesta etapa as pesquisas foram centralizadas em misturas de poliacutemeros isolantes
dopados com OB Aleacutem da mistura do PS com OB estudado anteriormente tambeacutem foi
incorporado agrave pesquisa a mistura do PMAM com OB Estudos recentes de Duratildees et al [8]
sobre a absorccedilatildeo de luz destes materiais na faixa de ultravioleta e luz visiacutevel mostraram
que quando o OB eacute adicionado agraves matrizes de PS e de PMAM um aumento significante
na absorccedilatildeo da luz eacute observado
As amostras dos dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos consistiram em camada ativa
contendo PS puro PS com 47 OB PMAM puro e PMAM com 35 de OB
As amostras foram ensanduichadas entre dois eletrodos PEDOT PSS e Ag A
caracterizaccedilatildeo eleacutetrica para as medidas de VOC e ISC foi realizada com a iluminaccedilatildeo da
lacircmpada de Hg 80 W e luz solar As curvas IndashV foram mensuradas usando um sistema de
caracterizaccedilatildeo de semicondutores Keithey 2400
3511 ndash Confecccedilatildeo das amostras usando PS e PMAM 1ordm grupo
Os dispositivos foram preparados sobre um substrato de vidro recoberto com
camada de FTO a resistecircncia da lacircmina eacute de aproximadamente 41-60 Ω
Os filmes de PEDOT PSS foram confeccionados com rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante
25 segundos e secos em estufa a 80 degC por 15 minutos Apoacutes os filmes das camadas ativas
das amostras serem feitos usando rotaccedilatildeo de 5000 rpm por 40 segundos foram secos em
estufa a 100 Cdeg por 15 minutos
47
Por fim foi usada a tinta de Ag para fazer o eletrodo superior Esse eletrodo foi
pintado com pincel comum de cerdas finas O contato superior foi pintado em forma de
linhas sobre o filme da camada ativa conforme mostrado na Figura 310
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo usando lacircmpada de Hg 80 W
As mesmas formas descritas anteriormente de caracterizaccedilatildeo foram utilizadas aqui
para fazer as medidas de VOC e ISC Os resultados obtidos com iluminaccedilatildeo da lacircmpada de
Hg durante cinco minutos de exposiccedilatildeo para o 1ordm grupo de amostra satildeo mostrados na
tabela 311
Tabela 3 11 ndash Resultados das medidas de ISC e VOC das amostras do 1ordm grupo sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpada durante 05 minutos de exposiccedilatildeo
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W)
PS puro 02 000 00
PSOB 47 08 003 0024
PMAM puro 02 000 00
PMAMOB 35 06 002 0012
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar
Foram usados os mesmos procedimentos e instrumentos descritos anteriormente
para obter as medidas de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo de luz solar direta usando-se lentes
convergentes durante cinco minutos de exposiccedilatildeo A tabela 312 mostra os valores
obtidos
Tabela 3 12 ndash Resultados para ISC e VOC sob iluminaccedilatildeo luz solar por aproximadamente
05 minutos de exposiccedilatildeo
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W)
PS puro 11 001 0011
PSOB 47 39 006 0234
PMAM puro 09 002 0018
PMAMOB 35 27 004 0108
48
3512 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Como pode ser visto nas tabelas 311 e 312 os valores de VOC e ISC para as
amostras contendo PS puro e PMAM puro mostraram desempenhos inferiores que aquelas
com adiccedilatildeo do OB Nas caracterizaccedilotildees sob luz solar os desempenhos das amostras foram
superiores quando comparados com os valores obtidos sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada de Ag
Apesar da amostra com camada ativa da mistura de PMAMOB 35 ter mostrado valores
mais baixos quando comparados agrave amostras contendo camada ativa com a mistura de
PSOB 47 ela ainda tem valores superiores agravequeles mostrados quando a camada ativa
era composta por misturas de PSOB 47 +P3HT
352 ndash Experimentos Fase 2
3521 ndash Confecccedilatildeo das amostras do 2ordm grupo
Para o 2ordm grupo de amostras foram confeccionadas quinze unidades sendo que
foram reproduzidas mais de uma amostra para cada tipo de camada ativa Isto foi feito para
observar a reprodutibilidade das amostras e a repetibilidade das medidas As amostras
foram nomeadas de A5 a A19 Todas as amostras seguiram os mesmos criteacuterios de
confecccedilatildeo jaacute mencionados anteriormente Para este grupo foi usada uma rotaccedilatildeo maior no
spin coater
Para fazer o filme de PEDOTPSS foi usada uma rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante
trinta segundos Para a deposiccedilatildeo da camada ativa foi usada uma rotaccedilatildeo de 6000 rpm
durante sessenta segundos Neste caso as amostras foram secas em temperatura ambiente
Este conjunto de amostras deve possuir filmes mais finos que os filmes das amostras
anteriores devido ao aumento da rotaccedilatildeo do spin coater durante a deposiccedilatildeo
Para medir a aacuterea ativa com mais precisatildeo para este grupo de amostras os contatos
superiores de Ag foram desenhados em apenas um ponto A confecccedilatildeo dos dispositivos
seguiu a configuraccedilatildeo das camadas e a geometria do eletrodo de Ag conforme o esquema
mostrado na figura 316 O contato de prata foi pintado em forma de retacircngulo que
representa a aacuterea ativa e ficou em torno de 010cm2
49
Figura 3 16 ndash Estruturas das camadas e do contato de Ag dos dispositivos fotovoltaicos
orgacircnicos usado para o 2 ordm grupo de amostras
3522 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar
Este grupo de amostras foi submetido somente agrave caracterizaccedilatildeo de luz solar direta
As medidas foram realizadas em dias diferentes a fim de observar a repetibilidade das
medidas dos dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos confeccionados
Os dados da tabela 313 mostram medidas de VOC e ISC realizadas entre dez e onze
horas da manhatilde sob sol intenso e usando lentes convergentes Para estas amostras o
tempo de exposiccedilatildeo foi de aproximadamente dez minutos Com tempo de exposiccedilatildeo
maior e usando lentes convergentes as amostras A5 A6 A7 e A8 se aqueceram muito e
se danificaram Contudo valores de VOC obtidos foram bem superiores
Foram realizadas medidas em dois dias usando as amostras A9 A10 A11 A13
A14 A15 A16 A17 A18 e A19 para observar a repetibilidades das medidas As tabelas
14 e 15 mostram medidas de VOC e ISC realizadas nos dias 12052009 e 18052009
respectivamente entre dez e onze horas da manhatilde sob sol forte e usando lentes
convergentes para concentrar os raios solares na camada ativa da amostra
Tabela 3 13 ndash Medidas realizadas para as amostras A5 A6 A7 sob iluminaccedilatildeo solar
direta durante 10 minutos
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W) Amostra
PS puro 18 004 0072 A5
PS OB 47 49 008 0392 A6
PMAM puro 11 001 0011 A7
PMAMOB 35 48 005 024 A8
50
Tabela 3 14 ndash Medidas realizadas no dia 12052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W) Amostra
PS OB 47 11 003 0033 A9
PS puro 08 0 0 A10
PS puro 1 001 001 A11
PS OB 47 19 003 0057 A13
PS OB 47 11 003 0033 A14
PS OB 47 12 002 0024 A15
PMAM puro 09 001 0009 A16
PMAM puro 07 001 0007 A17
PMAMOB 35 11 001 0011 A18
PMAMOB 35 14 005 007 A19
Tabela 3 15 ndash Medidas realizadas no dia 18052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W) Amostra
PS OB 47 12 004 0048 A9
PS puro 06 01 006 A10
PS puro 08 001 008 A11
PS OB 47 21 004 0084 A13
PS OB 47 15 003 0045 A14
PS OB 47 10 002 002 A15
PMAM puro 07 001 00007 A16
PMAM puro 08 001 00008 A17
PMAMOB 35 12 003 0036 A18
PMAMOB 35 13 005 0065 A19
3523 ndash Curva caracteriacutestica corrente versus tensatildeo (IndashV)
Foram realizadas medidas das curvas IndashV usando o sistema de caracterizaccedilatildeo de
semicondutores Os procedimentos adotados foram descritos anteriormente Para estas
amostras foram usadas quatro tipos de camada ativa PS puro PSOB 47 PMAM puro e
51
PMAMOB 35 As medidas das curvas IndashV foram realizadas no escuro e sob iluminaccedilatildeo
natural do laboratoacuterio LDCI
Natildeo foram observadas grandes influecircncias sobre o efeito da iluminaccedilatildeo nas
amostras pois as curvas IndashV obtidas no escuro e no claro apresentaram valores parecidos
para VOC e ISC
Para a camada ativa confeccionada com o poliacutemero PS puro (figura 317) a curva
IndashV realizada no escuro e no ambiente iluminado mostra uma superposiccedilatildeo das curvas
O dispositivo com camada ativa feita de PSOB 47 mostrada na (figura 318)
natildeo se observa diferenccedila significativa nas curvas obtidas no escuro e com iluminaccedilatildeo do
laboratoacuterio O mesmo pode ser observado na (figura 319) onde a camada ativa eacute feita de
PMAM puro Contudo observou-se uma leve diferenccedila nas curvas mostradas na (figura
320) para a amostra confeccionada com camada ativa da mistura de PMAMOB 35
Onde houve um pequeno deslocamento para a corrente
Figura 3 17 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PS puro No escuro e sob
iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
52
Figura 3 18 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PSOB 47 No escuro e
sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
Figura 3 19 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAM puro No escuro
e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
53
Figura 3 20 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAMOB 35 No
escuro e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
3524 ndash Medida de espessura
As espessuras dos filmes foram medidas usando um Perfilocircmetro Dektak 150
VEECO Os filmes de PEDOTPSS depositados pela teacutecnica de spin coating usando
rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante quarenta segundos apresentaram espessuras na ordem de 180
nanocircmetros
Os procedimentos para medir as espessuras consistiram em medir vales e
superfiacutecie Para realizar as medidas dos filmes um risco foi feito usando a ponta de um
estilete conforme mostra a figura 321 O risco foi percorrido com a ponta do perfilocircmetro
com distacircncia de 500 m no sentido transversal Para obter a espessura do filme mede-se
entatildeo a diferenccedila de altura entre um ponto de referecircncia R fundo do vale e M superfiacutecie do
filme conforme mostrado na figura 322 Os procedimentos foram realizados em trecircs
diferentes regiotildees da amostra onde foi obtido um valor meacutedio da espessura do filme
54
Figura 3 21 ndash Risco feito no filme da amostra onde a ponta do perfilocircmetro executou a
varredura
Figura 3 22 ndash Medindo a diferenccedila da altura entre os cursores (R - reference) e (M -
measurement) para determinar a espessura do filme
Todos os quatro tipos de filmes usados para formar as camadas ativas dos
dispositivos que foram depositados por spin coating tiveram suas espessuras medidas Para
cada amostra foram feitos trecircs riscos em pontos alternados a fim de se verificar a
uniformidade na espessura Os riscos seguiram o exemplo ilustrado na figura 321 Os
resultados das trecircs medidas e o seu valor meacutedio para cada filme satildeo mostrados nas tabelas
316 e 317
A tabela 316 mostra os resultados das medidas de espessuras de filmes depositados
com rotaccedilatildeo de 5000 rpm durante 60 segundos A tabela 317 mostra os valores das
afericcedilotildees das espessuras para os filmes depositados com rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante 60
segundos Pode-se observar que os filmes feitos com rotaccedilotildees maiores apresentaram
valores de espessuras menores Tambeacutem eacute observado que a adiccedilatildeo do OB nas matrizes
polimeacutericas isolantes tende a camadas mais espessas mesmo para um mesmo valor de
rotaccedilatildeo quando comparada com os filmes sem o OB
55
Tabela 3 16 ndash Medida dos pontos e a media medida dos filmes das camadas ativas feitos
com rotaccedilatildeo de 5000 rpm Valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M
Camada ativa 1deg Ponto (nm) 2deg Ponto (nm) 3deg Ponto (nm) Meacutedia (nm)
PS puro 194 202 189 195
PS OB 47 283 305 296 2946
PMAM puro 127 90 105 1073
PMAM OB 35 235 269 259 2543
Tabela 3 17 ndash Medida dos pontos e a media dos filmes das camadas ativas feitos com
rotaccedilatildeo de 6000 rpm O valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M
Camada ativa 1deg ponto (nm) 2deg ponto (nm) 3deg ponto (nm) Meacutedia (nm)
PS puro 126 130 128 128
PS OB 47 221 218 208 2156
PMMA puro 76 113 97 953
PMMA OB 35 196 163 180 1796
3524 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Pode-se observar nestas medidas que as amostras contendo misturas de PSOB
47 em sua camada ativa mostraram resultados melhores que as outras amostras
analisadas Tambeacutem foi comprovado que as amostras podem ser reproduzidas sendo que
suas medidas foram repedidas As amostras que foram feitas em duplicatas ou triplicadas
possuem valores de VOC e ISC muito parecidos confirmando assim a reprodutibilidade na
sua fabricaccedilatildeo Atraveacutes das tabelas 314 e 315 pode ser observado que os valores obtidos
satildeo repetidos em dias diferentes mesmo assim natildeo ocorreram diminuiccedilotildees nos valores
medidos de VOC e ISC
Para as curvas IndashV coletadas no laboratoacuterio no escuro e sob iluminaccedilatildeo ambiente
para os dispositivos com camadas ativas com misturas das matrizes polimeacutericas de PSOB
47 e PMAM OB 35 (figuras 318 319 319 e 320) natildeo foram detectadas variaccedilotildees
relevantes entre os diferentes tipos de camadas ativas sob diferentes condiccedilotildees de
iluminaccedilatildeo O intrigante nestas medidas eacute que o mesmo efeito que aparece no claro
aparece tambeacutem no escuro As curvas tendem a um comportamento com resistecircncia de
56
diferencial negativa proacuteximo a tensotildees mais baixas Talvez isso aconteccedila devido agrave
caracteriacutestica intriacutenseca dos materiais utilizados nas confecccedilotildees das amostras
353 ndash Experimentos Etapa 3
3531 ndash Confecccedilatildeo das amostras com parte do FTO removido
Nesta etapa os dispositivos tambeacutem foram preparados sobre substrato de vidro o
mesmo tipo usado anteriormente Poreacutem aqui antes de fazer a deposiccedilatildeo dos filmes parte
do FTO foi removida do substrato de vidro A corrosatildeo do FTO foi feita utilizando uma
tinta homogecircnea preparada com poacute de zinco (Zn)
Para conservar parte do FTO no substrato foi utilizada fita adesiva sendo tambeacutem
possiacutevel utilizar tinta ou esmalte [46] Com parte do FTO protegido o substrato foi
mergulhado em soluccedilatildeo diluiacuteda de aacutecido cloriacutedrico (HCI)
Apoacutes a etapa de corrosatildeo as lacircminas passaram por um processo de limpeza Os
substratos foram limpos para retirar gorduras e resiacuteduos quiacutemicos
A corrosatildeo se fez necessaacuteria para evitar curto circuito entre os eletrodos de contato
do dispositivo Mudou-se a geometria dos substratos porque em algumas medidas de
curvas IndashV que foram obtidas em algumas amostras obteve-se curvas do tipo ocirchmico Isto
pode ter ocorrido porque o eletrodo de FTO estava ocupando toda a superfiacutecie do
substrato de vidro e pode ter ocorrido que na hora das medidas a agulha do equipamento
de medidas pode ter perfurado os filmes das camadas do dispositivo medindo apenas o
filme de FTO que apresenta curva puramente ocirchmica Assim com parte do FTO retirado
garante que a corrente flua apenas pelas camadas dos filmes do dispositivo A geometria
da lacircmina de vidro apoacutes a corrosatildeo pode ser visualizada na figura 323
Figura 3 23 ndash Geometria da lacircmina de vidro apoacutes corrosatildeo do FTO
57
Com o substrato limpo e seco e com a nova geometria desenvolvida segue para a
etapa da deposiccedilatildeo do poliacutemero condutor PEDOTPSS que serviu de um dos eletrodos A
deposiccedilatildeo foi realizada sobre toda a lacircmina de vidro conforme mostra o esquema da figura
324 O filme foi feito usando a teacutecnica de spin coating com rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante
cinquumlenta e cinco segundos o filme foi seco em estufa a 50 degC por 15 minutos
Os materiais utilizados como camada ativa foram PS puro PSOB 47 PMAM
puro e PMAMOB 35 Os diferentes tipos de camadas ativas foram depositados sobre a
estrutura vidroFTOPEDOTPSS usando a teacutecnica de spin coating com rotaccedilatildeo de 7000
rpm durante quarenta segundos Os filmes das camadas ativas foram secos em temperatura
ambiente
O outro eletrodo foi pintado sobre a camada ativa com tinta condutora de Ag A
estrutura vidroFTOPEDOT PSScamada ativaAg do dispositivo final pode ser vista na
figura 324 A regiatildeo ativa tem aacuterea de aproximadamente 009 cm2
Figura 3 24 ndash Geometria das camadas do dispositivo
3532 ndash Caracterizaccedilatildeo das curvas (IndashV )
As amostras foram caracterizadas atraveacutes das curvas IndashV Na figura 325 satildeo
mostradas comparaccedilotildees entre resultados obtidos para camadas ativas com o PS puro e
PSOB 47 Na figura 326 satildeo mostradas comparaccedilotildees entre resultados obtidos para
camadas ativas com o PMAMOB 35 Foi observado que para as camadas ativas sem o
OB o comportamento da curva Indash V eacute puramente ocirchmico ou seja linear Pode-se ressaltar
58
um comportamento resistivo para o filme utilizado nessa camada ativa enquanto que para
o filme da camada ativa com OB as curvas natildeo satildeo lineares
Outro detalhe a ser notado foi que para os filmes de PS puro e PSOB 47 as
correntes obtidas satildeo maiores que para os filmes confeccionados com PMAM puro e
PMAMOB 35 isto concorda com os resultados obtidos atraveacutes da iluminaccedilatildeo onde os
valores de VOC e ISC tambeacutem se apresentaram maiores
O dispositivo feito com o PS puro apresenta uma resistecircncia maior que o
dispositivo feito com PMAM puro isto talvez aconteccedila devido agraves diferenccedilas nas
espessuras das camadas ou nas propriedades intriacutensecas do material
Como pode ainda ser observadas nas figuras 325 e 326 quando se usou camada
ativa contendo o OB em sua mistura mudanccedilas ocorreram nos comportamentos das curvas
IndashV O comportamento da curva natildeo eacute mais linear e apresenta simetria para as duas
polarizaccedilotildees aplicadas (-V+V) Nos casos das curvas observadas para as camadas ativas
contento OB observou-se curvas semelhantes agrave curva de um diodo do tipo metal isolante
metal (MIM) [47]
Figura 3 25 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PS puro
e PS OB 47
59
Figura 3 26 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PMAM
puro e PMAMOB 35
Para quase todas as amostras que confeccionamos nas condiccedilotildees descritas acima
teve-se respostas nas medidas eleacutetricas para as caracterizaccedilotildees das curvas IndashV realizadas
no laboratoacuterio LDCI Foi observado que os dispositivos contendo OB apresentaram um
efeito fotovoltaico em temperatura ambiente As medidas foram realizadas no escuro e
com iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio Nas figuras 327 e 328 satildeo mostradas as curvas IndashV para
os dispositivos confeccionados com camadas ativas de PSOB 47 e PMAMOB 35
respectivamente
Em quase todas as amostras que foram realizadas as medidas das curvas IndashV o
efeito fotovoltaico foi observado Pode-se observar nesses resultados um aumento da
fotocorrente quando as amostras foram iluminadas
60
Figura 3 27 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PSOB
47 no claro e escuro
Figura 3 28 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de
PMAMOB 35 no claro e escuro
61
3533 - Anaacutelise e discussatildeo
Paras esses dispositivos natildeo foram apresentados os caacutelculos da eficiecircncia ( nem o
valor de IPCE porque para determinar tais paracircmetros dos dispositivos fotovoltaicos seraacute
necessaacuterio conhecer a I0 e mencionados no capiacutetulo II Poreacutem para as medidas
realizadas nesta pesquisa natildeo foram considerados o coeficiente de massa de ar o acircngulo
de inclinaccedilatildeo da luz incidente na amostra nem o comprimento de onda Paracircmetros que soacute
seratildeo determinados usando-se um sistema utilizado para caracterizaccedilatildeo de dispositivo
fotovoltaico No momento natildeo havendo disponibilidade de tal equipamento no laboratoacuterio
Observou-se que a inserccedilatildeo de OB em matrizes polimeacutericas isolantes tais como a
de PMAM e PS promoveram a absorccedilatildeo de foacutetons e portanto a formaccedilatildeo de eacutexciton Os
VOC foram de 008 V para o PMAMOB 35 e 03 V para PSOB 47 No caso do valor
de VOC obtidos para o PSOB 47 o nuacutemero eacute aproximadamente o mesmo valor da
diferenccedila da funccedilatildeo trabalho entre o PEDOTPSS (49 eV ) e a Ag (46 eV) No entanto
para o PMAMOB 35 este nuacutemero eacute inferior agrave diferenccedila da funccedilatildeo trabalho entre
PEDOTPSS e a Ag Aqui vale a pena ressaltar que as funccedilotildees trabalho do PEDOTPSS
podem variar entre 48 e 49 eV e a funccedilatildeo trabalho da prata podem variar de 452 eV e
474 eV dependendo da interface entre os materiais da camada ativa Assim pegou-se o
valor de 474 eV para a funccedilatildeo trabalho da prata e de 48 eV para o PEDOTPSS obteve-se
um valor de 006 eV o qual estaacute bastante proacuteximo do valor de 008 eV que eacute a tensatildeo de
circuito aberto obtida para a amostra de PMAMOB 35 Os valores de VOC satildeo limitados
pelo potencial de contato ou pelas diferenccedilas entre a funccedilatildeo trabalho dos eletrodos Sendo
assim neste sistema natildeo eacute possiacutevel conseguir tensotildees de VOC maiores Entretanto se for
utilizado materiais onde as funccedilatildeo trabalho dos eletrodos sejam muito diferentes poderaacute
obter VOC ainda maiores Os resultados obtidos nesse trabalho satildeo menores que os
relatados em trabalhos publicados [48-52] Contudo trabalhou-se com novos materiais
abundantes e baratos Aleacutem de se ter usado oacuteleo vegetal que eacute um material natural e que se
acredita no seu potencial para em breve obter melhores resultados
354 Caracterizaccedilatildeo dos Materiais por Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM)
Um dos paracircmetros importantes nos filmes polimeacutericos eacute a topologia pois a partir
dela se se pode inferir a uniformidade das camadas A questatildeo da uniformidade da
superfiacutecie dos materiais em Eletrocircnica Orgacircnica eacute importante porque permite conhecer o
62
desempenho eletrocircnico dos filmes Fatores como injeccedilatildeo e o transporte de cargas podem
ser facilitados ou bloqueados dependendo da espessura da camada polimeacuterica e da sua
regularidade fiacutesica ou quiacutemica [53] Neste sentido eacute importante investigar a topografia dos
materiais para que se possam entender fenocircmenos de transporte eletrocircnico que podem
ocorrer ou natildeo sob influecircncia da morfologia
As imagens por microscopia de forccedila atocircmica (AFM) revelaram diferenccedilas entre
filmes com as matrizes polimeacutericas puras e filmes com as matrizes modificadas com OB
O PS puro mostrou uma superfiacutecie suave com alguns relevos dispersos na aacuterea de
varredura (Figura 329) A presenccedila de oacuteleo de buriti nesta matriz polimeacuterica modificou
significativamente a superfiacutecie do material Houve formaccedilatildeo de pequenos e numerosos
gloacutebulos que ocorrem em um periacuteodo de espaccedilo muito pequeno resultando em uma
superfiacutecie aparentemente rugosa (Figura 330) Para o material PSOB 47 eacute possiacutevel
observar uma maior ocorrecircncia de picos regiotildees mais claras confirmando a possibilidade
da rugosidade do material
Figura 3 29 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS puro obtida por AFM no modo
contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
63
Figura 3 30 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS OB 47 por AFM modo contato
Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
A superfiacutecie do PMAM ao contraacuterio da superfiacutecie do PS apresentou possiacutevel
protuberacircncia ou gloacutebulos esfeacutericos em toda aacuterea de varredura (Figura 331) Haacute aacutereas onde
existe uma grande incidecircncia de vales identificados na figura por regiotildees mais escuras
Essas podem ser localizadas nas extremidades da amostra enquanto que no centro da
superfiacutecie haacute grandes nuacutemeros de picos indicando a possibilidade de ser um material com
bastante rugosidade
64
Figura 3 31 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PMAM puro obtida por microscopia
de forccedila atocircmica no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
Figura 3 32 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PAMAM OB 35 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
65
A presenccedila de OB na concentraccedilatildeo de 35 na matriz de PMAM resultou em
pequenas mudanccedilas na topografia do material (Figura 332) Natildeo houve grandes mudanccedilas
na morfologia da superfiacutecie do filme que possa ser determinada visualmente Entretanto a
geometria dos gloacutebulos foi alterada de uma forma arredondada (Figura 331) para uma
forma pontiaguda (Figura 332)
Outro material estudado foi o P3HT com OB puro e o P3HT + PSOB 47 A
superfiacutecie do filme de P3HTOB puro (Figura 334) tambeacutem mostrou um material com
possiacuteveis rugosidade em sua superfiacutecie entretanto a diferenccedila entre esta superfiacutecie e a
topografia do material P3HT+ PSOB 47 (figura 335) estaacute no tamanho das estruturas
que compotildeem a superfiacutecie de ambos os materiais
Figura 3 33 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HTOB puro obtida por AFM no
modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
66
Figura 3 34 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HT+PS OB 47 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
A Figura 333 revela estruturas menores que consequumlentemente ocupam um
espaccedilo menor dentro da aacuterea de varredura e por isso se apresentam em grande nuacutemero
resultando a possibilidade de rugosidade mais alta
A Figura 334 mostra estruturas do material P3HT+PS OB 47 que apresentam
geometrias similares agrave do material P3HTOB puro contudo com dimensotildees maiores
Desta forma estas estruturas ocupam um espaccedilo maior dentro da aacuterea de varredura e se
apresentam em menor quantidade proporcionando possiacuteveis rugosidades em tamanhos
menores que o P3HT OB puro
67
Capiacutetulo IV
Conclusotildees e Recomendaccedilotildees
68
4 ndash CONCLUSOtildeES E RECOMENDACcedilOtildeES
Atraveacutes destes estudos preliminares em linhas gerais os dispositivos projetados
construiacutedos e as medidas obtidas neste trabalho permitem direcionar para a construccedilatildeo e
caracterizaccedilatildeo de dispositivos fotovoltaicos baseados no uso do OB como dopante Os
dados obtidos satildeo bastante promissores e sinalizam para o alcance do sucesso na
construccedilatildeo desses dispositivos a partir de matrizes modificadas com OB
Os resultados apresentados no capiacutetulo III no toacutepico referente aos dados
experimentais e resultados I foram dos dispositivos desenvolvidos baseados no modelo
dos dispositivos fotovoltaicos desenvolvidos por Graumltzel com o propoacutesito de observar o
OB como eletroacutelito da camada ativa Medidas de VOC e ISC para as amostras
confeccionadas foram mensuradas embora os resultados obtidos fossem baixos quando
comparados com a literatura Contudo os materiais empregados satildeo novos e mostraram
promissores
No contexto dos dados experimentais e resultados I apresentou-se o
desenvolvimento de dispositivos usando o substrato de PET desenvolvendo a
configuraccedilatildeo de dispositivo fotovoltaico orgacircnico monocamada direcionados na busca de
substratos flexiacuteveis de menor custo no propoacutesito de substituir o substrato de vidro
recoberto com FTO Para estes dispositivos consegui-se obter valores de VOC e ISC sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpada usando um multiacutemetro para as referidas medidas Entretanto esse
tipo de substrato apresentou diversas inviabilidades conforme relatado nesta pesquisa
Novamente trabalhou-se com substrato de vidro recoberto com FTO com
configuraccedilatildeo de dispositivo fotovoltaico orgacircnico monocamada Acredita-se que as
espessuras dos filmes das camadas ativas possam ter influenciado nos baixos resultados
obtidos Ateacute essa etapa dos experimentos as camadas ativas eram construiacutedas
manualmente proporcionando assim camadas ativas espessas
Os resultados apresentados no toacutepico referente aos dados experimentais e resultados
II abordaram a configuraccedilatildeo monocamada em substrato de vidro recoberto com FTO onde
se fez o uso de camadas ativas com poliacutemero semicondutor P3HT misturado com OB Para
efeito de comparaccedilatildeo construiu-se camada ativa usando o PS um poliacutemero isolante
misturado com 47 de OB A partir destes experimentos os filmes dos dispositivos foram
confeccionados com spin coater o que proporcionou a construccedilatildeo de filmes mais finos
As caracterizaccedilotildees foram realizadas usando lacircmpadas e luz solar direta para
medidas de VOC e ISC com o multiacutemetro tambeacutem foram realizadas caracterizaccedilotildees com
69
curvas I-V sob a luz ambiente do laboratoacuterio As curvas levantadas mostraram efeitos
semelhantes ao efeito fotovoltaico para os materiais das camadas ativas pesquisadas Pelos
resultados obtidos nessa etapa do trabalho observou-se que as amostras confeccionadas
com o poliacutemero isolante misturado com o OB apresentaram melhores desempenhos
Embora jaacute existam resultados na literatura usando o semicondutor P3HT para fazer
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos com desempenho relativamente alto nas pesquisas
desenvolvidas nesse trabalho o uso do P3HT natildeo sinalizou vantagens em relaccedilatildeo ao uso
do poliacutemero isolante PS
Nesse trabalho as pesquisas foram focadas apenas em materiais de baixo custo
que proporcionaram resultados animadores usando o poliacutemero PS misturado com OB
Os resultados apresentados nos toacutepicos que abrangem os dados experimentais e
resultados III abordaram o uso dos poliacutemeros isolantes PS e PMAM modificados com OB
na configuraccedilatildeo de dispositivo fotovoltaico em monocamada usando substrato de vidro
recoberto com FTO Foram realizadas medidas eleacutetricas diretas dos dispositivos sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpadas e iluminaccedilatildeo solar fazendo-se uso de multiacutemetro para as medidas
Tendo respostas interessantes com estes experimentos pois as medidas foram realizadas
com multiacutemetros comuns com cabos que apresentam impedacircncias que agregaram perdas
substanciais das tensotildees e correntes geradas pelos dispositivos Mesmo assim obtiveram-
se as medidas de VOC e ISC
Os resultados mais empolgantes foram os caracterizados com curvas I-V
desenvolvidos com substratos tendo parte do FTO removidas no qual se permitiu
visualizar as curvas de tensatildeo e corrente apenas dos filmes sem a interferecircncia do filme
condutor de FTO Em vaacuterias amostras pocircde-se observar um efeito fotovoltaico entretanto
com valores bem abaixo aos relatados pela literatura vigente sobre o assunto
Nesse trabalho apresentou-se um material novo e promissor na aacuterea de pesquisa
dos dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos como tambeacutem o uso de oacuteleos vegetais como
dopante de poliacutemeros para o desenvolvimento de dispositivo de baixo custo com
tecnologia de faacutecil domiacutenio e acessiacutevel
Os resultados apresentados sugerem os seguintes trabalhos futuros
1 Desenvolvimento de dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos agrave base de poliacutemeros
isolantes com camadas ativas mais finas na ordem de nanocircmetros a fim de facilitar
a dissociaccedilatildeo dos eacutexcitons nas interfaces dos materiais O uso de novas teacutecnicas de
deposiccedilatildeo para conseguir filmes nesta ordem de grandeza
70
2 Desenvolvimento de novas estruturas usando os PSOB 47 e PMAMOB 35
em novas arquiteturas como os dispositivos em bicamadas e heterojunccedilatildeo para
melhorar os resultados jaacute obtidos
3 Siacutentese de novas misturas com poliacutemeros usando outros oacuteleos vegetais abundantes
na natureza que apresentaram absorccedilatildeo na faixa do espectro visiacutevel
4 Construccedilatildeo de novos eletrodos de contatos usando teacutecnicas de evaporaccedilatildeo com o
intuito de diminuir as resistecircncias dos contatos e melhorando a coleta das correntes
geradas
5 Caracterizar as amostras usando o simulador solar Caracterizar os filmes usando
perfilocircmetro e AFM buscando filmes com menos rugosidades Correlacionar
medidas das curvas I ndashV com as medidas de AFM
71
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75
APEcircNDICES
77
APEcircNDICE 1
Produccedilotildees Bibliograacuteficas
Artigo Publicado
Silva E R Ceschin A M J A Duratildees A possible organic solar cell based on Buriti
oil In 24th Symposium on Microelectronics Technology and Devices SBMicro 2009
Natal - RN The Electrochemical Society (ECS) the society for solid-state and
electrochemical science and Technology EUA Pennigton 2009 v 23 P 553-556
(2009)
Artigo Aceito
Silva E R Romariz A R S Ceschin A M Study of organic MIM junctions for use
in photovoltaic devices In 25th Symposium on Microelectronics Technology and
Devices SBMicro 2010 Satildeo Paulo - SP The Electrochemical Society (ECS) the society
for solid-state and electrochemical science and Technology EUA Pennigton artigo
aceito (2010)
Resumo Publicado
Silva E R Ceschin A M Photovoltaic effect observed in junctions based on Buriti
oil In 11 th International Conference on Advanced Materials (ICAM2009) 2009 Rio
de Janeiro 11 th International Conference on Advanced Materials 2009
78
A possible Organic Solar Cell Based on Buriti Oil
E R da Silva a J A Duratildees
b and A M Ceschin
a
a Departamento de Engenharia Eleacutetrica - Laboratoacuterio de Dispositivos e Circuito
Integrado Universidade de Brasiacutelia CP 4386 CEP 70904-970 Brasiacutelia DF - Brasil b Instituto de Quiacutemica ndash Laboratoacuterio de Pesquisa em Poliacutemeros Universidade de
Brasiacutelia
CEP 70904-970 Brasiacutelia DF ndash Brasil
This work proposes a new approach - the possible production of
organic solar cells based on Buriti oil We propose the
formation of an active layer three types of mixture always
exploring the use of Buriti oil The active layers were deposited
by spin coating the mixture of Buriti oil polystyrene (PS) Buriti
oil poly (3- hexylthiophene) (P3HT) and blend Buriti oil PS
plus P3HT For the three devices investigated here we use a
glass substrate coated with fluoride-doped tin oxide (FTO) An
electrode of poly (34-ethylenedioxythiophene) poly (4-
styrenesulfonate) (PEDOT PSS) was deposited by spin coating
The other electrode was painted on top with silver conductive
ink (Ag) We show two different illuminations for the
characterization of the devices For the acquisition of measures
resistance () open circuit voltage (VOC) and the short circuit
current (ISC) a common digital multimeter was used
Introduction
Organic solar cells are being investigated for their potential use in the cheap and
clean conversion of abundant solar energy In addition polymer solar cells have
attracted considerable attention because of their potential use in low-cost lightweight
solution processable and flexible large-area panels (1) In the best performing solid state
organic solar cells reported to date (23) a conjugated polymer is blended with an
electron accepting material to form the bulk-heterojunction structure for efficient
exciton dissociation (34) Academic attention has focused on blends of poly (3-
hexylthiophene) (P3HT) and [66]-phenyl C61-butyc acid methyl ester (PCBM) since
these two materials show the highest power conversion efficiency in their bulk-
heterojunction which is around 5 The combination of unique semiconducting
electronic property and mechanical aspects similar to conventional plastics is an
attractive feature in spite of the lower efficiencies prevailing in these systems Each
polymer has unique properties and responds differently to different stimulus However
its characteristics can be improved by blending two polymers or by adding some
compounds called additives producing interesting results As an example we can take a
polystyrene (PS) matrix mixed with Buriti oil this modified material shows a very
broad absorption between 150 to 400 nm with a maximum at 320 nm (67) Figure 1
shows the spectrum of absorption for four types of concentration of Buriti oil in PS
matrix
79
Figure 1 Spectra of absorption of UV radiation of PS films and PS- Buriti oil (7)
This feature makes it a promising candidate for photovoltaic studies Based on
this result we decided to investigate Buriti oil P3HT Buriti oilPS and Buriti
oilPSP3HT mixtures in solar cell fabrication Thus the possible fabrication of the
Buriti oil solar cell and its results are reported and discussed here
Sample Preparation
The devices consist basically of an active layer made of Buriti oilPS or Buriti
oilP3HT films or Buriti oilPSP3HT material placed in-between the bottom
electrode of poly(34-ethylenedioxythiophene)poly(4-styrenesulfonate) (PEDOTPSS)
and the top silver (Ag) electrode Devices were assembled on glass substrates covered
with fluoridedoped tin oxide (FTO) with planar resistance in order of 30 _ cm without
further treatment The actives layer and the bottom electrode were deposited by spin
coating (6000 and 5000 rpm respectively) while the silver electrode was painted
PEDOT PSS was used in order to smooth the FTO surface and to decrease the hole
barrier A first kind of active layer was prepared through deposition (6000 rpm spin
coating) of a solution prepared by dissolving appropriate amounts of PS and Buriti oil
4681 wt (extracted with supercritical CO2) at room temperature in analytical grade
reagent chloroform The second kind of active layer was prepared through deposition of
Buriti oil and P3HT mix dissolved in analytical grade reagent toluene The last active
layer was prepared by mixing Buriti oilPS with P3HT dissolved in an analytical grade
reagent chloroform
After each spin coating deposition the films were dried in a stove at 100 0C for
about 15 minutes Devices of active area A~ 20 cm2 were obtained Figure 2 shows a
schematic view of the finished device
80
Figure 2 Structure of the Buriti oil solar cell
Characterization
The measurements were obtained using a common digital multimeter model
ET-2042C Minipa The samples were subjected to direct irradiation of an Hg spectral
lamp (80 W) for five minutes For such measures we did not consider neither
interference of the illumination nor the samplersquos angle of inclination The series
resistance of the device was also collected as this is one that has a direct relation with
the value of this measure as shown in Table 1 the lower the resistance the greater the
current collected All the results are shown in Table 1
Table 1 VOC and ISC for the different solar cell illuminated with an Hg spectral
lamp (80W)
VOC (mV) ISC (mA) R (cm2)
Buriti oil PS 21 009 740
Buriti oil P3HT 18 002 369
Buriti oil PS+P3HT 17 001 717
To observe a real situation the same sample group was exposed to direct
sunlight in hours of intense sun between 1100 am and 0100 pm taking into account
that all samples had an exposure time of approximately five minutes In this step a
convergent lens was used to concentrate the solar light on the device (8 and 9) In this
experiment angle of incidence and the solar irradiation were not measured The results
are shown in Table 2
Table 2 VOC and ISC for the different solar cell illuminated by direct solar light
VOC (mV) ISC (mA) R (cm2)
Buriti oil PS 62 009 740
Buriti oil P3HT 33 003 369
Buriti oil PS+P3HT 25 002 717
Results and analysis
Based on the values of VOC and ISC obtained for the samples it can be clearly
observed that sunlight exposure provided better results when compared to the artificial
81
illumination The main reason for such a situation could be related to the use of Hg
lamp that is not appropriated In spite of this the devices based-on Buriti oil presented
good performances in both cases This effect may be due to the lower resistance value
of the first samples When the illumination is promoted by the sun the VOC increases
but the ISC remains the same maybe as a consequence of the resistance value or
because the samples becomes hotter For the samples made with Buriti oil P3HT and
Buriti oil PS P3HT materials and illuminated by the spectral lamp similar results for
VOC and ISC were observed Under sunlight illumination the values of VOC and ISC
are greater than that obtained for the spectral lamp lighting
Conclusions
In this paper we show that Buriti oilPS and Buriti oil P3HT materials can be
used as an active layer for solar cells The behavior of the samples based-on Buriti
oilPS showed better results for the two types of illumination It is important to
emphasize tha these results are just a part of the devices characterization which still
requests the fulfillment factor (FF) as well as cell efficiency determination Such
calculations are on process but all the obtained data are satisfactory and promising
because our main aim is to develop solar cells using more accessible organic materials
such as the Buriti oil PS blend
Acknowledgments
The authors gratefully acknowledge CNPq and NAMITECMilenio Institute for
financial support
References
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6 JA Duratildees AL Drummond TAPF Pimentel MM Murta SGC Moreira FS
Bicalho and MJ Arauacutejo Sales Eur PolymJ 42 (2006) 3324
7 JA Duratildees Compoacutesitos Fotoprotetores-Siacutentese e Caracterizaccedilatildeo de Poliestireno
e Poli(metacrilato de metila) Dopados com Oacuteleo de Buriti (Mauritia Flexuosa)
Dissertaccedilatildeo de mestrado do Instituto de Quiacutemica da Universidade de Brasiacutelia (2004)
8 httpwwwstumbleuponcomtoolbartopic=Alternative20Energyampurl=http2
53A252F252Fcausecastorg252Fnews_items252F7304
9 httpwwwgoodcleantechcom200805ibm_uses_magnifying_lens_to_bophp
82
Study of organic MIM junctions for use in photovoltaic devices
E R Silva A R S Romariz and A M Ceschin
Departamento De Engenharia Eleacutetrica Laboratoacuterio de Dispositivos e Circuito
Integrado (LDCI) Universidade de Brasiacutelia Campus Darcy Ribeiro Brasiacutelia CP
4386 CEP 70904-970 Brasiacutelia ndash DF Brasil
We report here photovoltaic effects on Buriti oil (Mauritia
flexuosa) mixed in an insulating polymers matrix The samples
studied here consist of an active layer based on polystyrene (PS)
and poly (methilmethacrilate) (PMMA) mixed with Buriti Oil
(BO) The structure of the device was glassFTO Poly (3 4-
ethylenedioxythiophene) (PEDOT) poly (styrenesulfonate)
(PSS) active layer Ag These mixtures are promising materials
in the fabrication of organic photovoltaic devices The advantage
of these mixtures is their low cost of production and ease in
fabrication Electrical measurements were obtained in both a lit
room and in the dark We can observe photovoltaic effects in all
samples mixed with OB This effect is very interesting because
we are working with an insulating polymer instead of the
semiconductor polymer In this work we have been developing a
junction of the metalndash insulatorndashmetal (MIM) diode that acts like
a photovoltaic device
Introduction
In the past years various new materials and mixtures for fabricating
photovoltaic devices have been proposed for higher conversion efficiencies and lower
cost processes (1 2) Organic solar cells are being investigated for their potential use in
the clean conversion of solar energy through large-area solar panels (3 4 and 5)
Academic attention has focused on blends of poly (3-hexylthiophene) (P3HT) and [6
6]-phenyl C61-butyc acid methyl ester (PCBM) since these two materials show the
highest power conversion efficiency in their bulkheterojunction which is around 5
(6)
Each polymer has unique properties and responds differently to different stimuli
However its characteristics can be improved by blending two polymers or by adding
some compounds called additives thus producing interesting results As an example we
can take the BO mixed in a PS matrix and one mixed in a PMMA matrix This modified
material shows a very broad absorption between 250 to 400 nm with a maximum at 320
nm (7) Based on this result we decided to investigate the OB mixtures in the fabrication
of photovoltaic devices One possible way to enhance the quantum efficiency of a
photovoltaic device is to add dyes that have high absorption efficiency to the host
materials (8) The addition of BO in the PS and PMMA matrices increases this
efficiency The OB is added with the polymers to improve the efficiency on the active
layers of the insulating materials In this paper we will present photovoltaic parameters
on devices based on insulating polymers mixed with BO deposited on a substrate
83
covered with fluorine doped tin oxide (FTO) The devices were fabricated by the spin
coating technique the open circuit voltage (VOC) and short-circuit current density (JSC)
of the BOPS device are 03V and 039 nAcm2 respectively which is 0212V higher
than BOPMMA devices The fill factor (FF) that defines power extraction efficiency of
BOPS devices is 026 against 020 in the BOPMMA devices
Experimental
Our devices were based on previous studies about insulating polymers mixed
with BO (7) The material for the active layer BOPS and BOPMMA of the MIM
junction was chosen because this materials posses two regionrsquos absorption the first
range in 250 at 400 nm that has a peak at 320 nm and the second in the range of 500 at
700 nm The fact these materials absolve in visible region allow to realization of study
about applications in photovoltaic devices (9) We were still able to get good results
from the investigation of BO for make photovoltaic devices
The samples were assembled on glass substrates covered with FTO The
resistance of the plate is asymp 41-60 Ω Prior to depositing the layers part of the FTO
substrate was removed the FTO was corroded using a homogenous ink prepared with
powdered zinc (Zn) Additionally it is possible to use tape or enamel in order to save
part of the FTO After these procedures the substrate is dipped in a diluted solution of
hydrochloric acid (HCI) After the corrosion stage the substrate goes through a cleaning
process that was also performed before corrosion The substrates are cleaned to remove
grease and residual chemicals Corrosion is necessary to avoid short circuits between
the devicersquos electrode contacts (10) The devices were fabricated in a typical
sandwiched structure with the active layers sandwiched between two electrodes the
bottom electrodes consist of conducting polymer film deposition of (PEDOT PSS)
purchased from Bayer This forms the anode that was deposited on the FTO We use it
in order to increase the positive carrier collection of the active layer The film was made
using the spin coating technique with 6000 rotations per minute (rpm) for 55 seconds
Next it was dried in an oven at a temperature of 50 deg C for 15 minutes The cathode was
made with a conductive ink of silver (Ag) acquired from Silver Ink having 99 purity
with painting done by hand because more precise techniques were not available The
materials used in the active layer were pure PS PS mixed with 47 BO pure PMMA
and PMMA mixed with 35 BO Four types of active layers were used All the
mixtures were made with an appropriate quantity of the analytical reagent chloroform at
room temperature Before the deposition the solutions were stirred with magnetic
agitate for 30 minutes in order to ensure greater uniformity for the mix A schematic
view finished device (glass FTO PEDOT PSS active layer Ag) is shown in figure
1 The film thicknesses of the active layers were measure using a Dektak 150
profilometer These values are about 1μm We could not obtain a thinner device because
of the high viscosity of the material In our final device the active area is approximately
009 cm2
Figure 1 Schematic of the finished Device
84
Results and Discussion
The devices with different active layers were prepared following the procedure
described above at room temperature The currentndashvoltage (I-V) characteristics were
measured using a Keithley 2400 programmable software semiconductor measuring
system In all samples without oil devices using only insulating polymer like PS and
PMMA ohmic behavior was observed for bias voltage between -2 and 2 V The device
with pure PS has greater resistance than the one with pure PMMA Perhaps this happens
due to differences in layer thickness or intrinsic material properties But when BO is
added to the mixture we get a different behavior for I-V curves in the two cases We
observed that the sample of PS BO had larger current than PMMABO Figure 2
shows the curves for the PS mixture with and without BO 47 In Figure 3 we have
curves for the PMMA mixture with and without BO 35 In these two cases we
observed curves that look like MIM diode characteristic curves
Figure 2 The I-V Curves characteristics of ohmic behavior and MIM diode for
the PMMA
Figure 3 The I-V Curves characteristics of ohmic behavior and MIM diode for the PS
85
We also noticed a photovoltaic effect in the junctions based in BO at room
temperature Measurements were taken both in the dark and with the room fluorescent
light on In all observations we saw slight photovoltaic effects in all devices made using
insulating polymers with BO mixtures in the active layer In Figure 4 this effect is
shown for PSBO and in Figure 5 for PMMABO
Figure 4 Curve characteristics PS dark and light
Figure 5 Curve characteristics PMMA dark and light
86
For such measures we did not consider either air mass coefficient or the
samplersquos inclination angle for these characterizations because we donrsquot have
characterization equipments Thus we are unable to calculate the conversion efficiency
() The voltage bias was varied from -1 to 1 V but here it is shown with a smaller
interval to better visualize this slight effect In Table 1 the values are shown for the
samples insulating polymer mixed with BO for Voc Jsc and fill factor FF In summary
these parameters are important for characterizing our devices The FF is the ratio that
determines the maximum operating current and voltage of the photovoltaic device and
was calculated as FF = VpIpVocIsc (11) All the values are extracted from the curves
Table 1 Summary of the photovoltaic devices performance with and without light
Active Layer VOC
(mV)
JSC
(nAcm2)
FF
PSBO 47 300 039 026
PMMABO 35 86 216 020
We have seen that the insertion of BO at the matrices of insulating polymers
such as PMMA and PS promote the absorption of photons and therefore the formation
of excitons However we do not have a maximum absorption because of the peak of
absorption of the active layers is in range of 200 to 400 nm while the illumination used
was in the visible region The excitons generated were dissociates and the charges
created were collected in their respective electrodes to form the short-circuit Current
(ISC) This current is small due to the film thickness of the active layer Thus carriersrsquo
recombination could be occurring before they reach their respective electrodes
The measured VOC was 008 V to PMMABO and 03 V to PSBO For the
PSBO this number is roughly the same as the difference in work function between
PEDOT PSS and Ag However for the PMMABO this number is lower than the
difference in work function between PEDOTPSS and Ag All this contributed for the
values low ISC VOC and FF The results obtained here are very below that reported in
recent papers (12 13)
Conclusion
We have been working with polymer insulating with additions of material cheap
an abundant of in nature We presented preliminary results for the MIM junction diode
We used BO mixed with insulating polymer to form the active layers This way we get a
value for ISC VOC and FF but we can observe photovoltaic effect in the majority of the
samples with the BO The active layers have a region of absorption outside of the solar
spectrum and the thickness was thick Because of the collection the carrier was hindered
before to reach the collectorrsquos electrode The devices shown here is very easy to make
and can be made in a large area
Acknowledgments
87
The authors gratefully for the financial support received from National Counsel
of Technological and Scientific Development (CNPq) National Institute of Science and
Technology of Micro and Nanoelectronics Systems (NAMITEC) This paper was
partially supported from a scholarship granted by Coordenaccedilatildeo de Aperfeiccediloamento de
Pessoal de Niacutevel Superior (CAPES) for the first author that also wishes to thank for this
References
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88
viii
ABSTRACT STUDY FOR DEVELOPMENT OF ORGANIC PHOTOVOLTAIC DEVICES
Author Elizete Rocha da Silva
Supervisor Artemis Marti Ceschin
Programa de Poacutes-graduaccedilatildeo em Engenharia Eleacutetrica
Brasiacutelia June 2010
This work is dedicated to the preparation and characterization of the photovoltaic
devices based on polymer matrices modified with oil buriti (OB) This development
consists in the deposition layer of conducting polymer PEDOT PSS on glass substrate
with zinc oxide doped with fluorine (FTO) which was deposited after the active layer
Throughout this study several active layers were tested At the beginning of the
film samples were prepared by casting When the results were been obtained new ideas
were emerging and new techniques were incorporated
Seeking to make the films thinner to obtain better results the films had to be
prepared by spin coating technique The types of active layers were pure PS PS OB 47
PS B 8 PS B + 47 P3HT P3HT + OB pure and PMAM PMAM OB 35
For the characterizations of the devices used to measure voltage and direct current
multimeters under common lighting of lamps and solar light Some devices the parameters
were obtained from the characterizations of I-V curves The film had its thickness
measured with profilometer their surfaces were also observed with atomic force
microscopy (AFM)
The electrical answers obtained were interesting and promising to these results that
suggests these materials can be used in the development of organic photovoltaic devices at
low cost accessible and easy to manufacture
ix
SUMAacuteRIO
1 ndash INTRODUCcedilAtildeO 2
11 ndash OBJETIVO GERAL 4
12 ndash OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS E ORGANIZACcedilAtildeO DO ESTUDO 4
2 ndash CONCEITOS BAacuteSICOS 6
21 ndash POLIacuteMEROS CONDUTORES 6
23 ndash CARACTERIZACcedilAtildeO DO DISPOSITIVO FOTOVOLTAICO 10
231ndash Eficiecircncia quacircntica externa (IPCE) 10
232 ndash Tensatildeo de circuito aberto (VOC) e Corrente de curto circuito (ISC) 11
233 ndash Curva caracteriacutestica IndashV 12
234 ndash Fator de preenchimento (FF) e Conversatildeo de Potencia () 13
24 ndash POLIacuteMEROS UTILIZADOS 14
241 ndash Polistireno (PS) 14
242 ndash Poli metacrilato de metila (PMAM) 15
244 ndash Poli (3-hexiltiofeno) (P3HT) 18
3 ndash PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS 23
31 ndash MATERIAIS 23
32 ndash EQUIPAMENTOS UTILIZADOS 23
321 ndash Multiacutemetros 23
322 ndash Spin coater 23
323 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores (Curva IndashV) 25
324 ndash Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM) 26
33 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS I 27
331 ndash Experimentos Etapa 1 27
3311 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo dos eletrodos 27
3312 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo da camada ativa 27
x
3313 ndash Formaccedilatildeo do dispositivo 28
3314 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W 28
3315 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 29
332 ndash Experimentos Etapa 2 29
3321 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras 29
3323 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 30
3331 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras 31
3332 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W 32
334 ndash Experimentos Etapa 4 33
3341 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras 34
3342 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W 34
3343 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 35
341 ndash Misturas usando P3HT 35
342 ndash Experimentos Etapa 1 36
3421 ndash Preparaccedilatildeo dos filmes por spin coater 36
3422 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W 37
3423 ndash Caracterizaccedilatildeo com luz solar direta 38
3423 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 39
343 ndash Experimentos Etapa 2 39
3431 ndash Preparando novas amostras 39
3431 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W 41
3433 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar direta 41
3434 ndash Curva caracteriacutestica de corrente versus tensatildeo aplicada (IndashV) 42
3435 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 45
35 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS III 46
351 ndash Experimentos Etapa 1 46
xi
3511 ndash Confecccedilatildeo das amostras usando PS e PMAM 1ordm grupo 46
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo usando lacircmpada de Hg 80 W 47
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar 47
3522 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar 49
3523 ndash Curva caracteriacutestica corrente versus tensatildeo (IndashV) 50
3524 ndash Medida de espessura 53
353 ndash Experimentos Etapa 3 56
3531 ndash Confecccedilatildeo das amostras com parte do FTO removido 56
3532 ndash Caracterizaccedilatildeo das curvas (IndashV ) 57
3533 - Anaacutelise e discussatildeo 61
354 Caracterizaccedilatildeo dos Materiais por Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM) 61
4 ndash CONCLUSOtildeES E RECOMENDACcedilOtildeES 68
REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 71
APEcircNDICE 1 77
Produccedilotildees Bibliograacuteficas 77
xii
LISTA DE TABELAS
Tabela 3 1 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos 29
Tabela 3 2 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos 30
Tabela 3 3 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos 32
Tabela 3 4 ndash Valores medidos de VOC e ISC com iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W para variaccedilatildeo de iluminaccedilatildeo para a amostra P4 32
Tabela 3 5 ndash Valores de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo de lacircmpada incandescente de 100 W
durante 5 minutos 35
Tabela 3 6 ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito com um ponto de
prata Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos 38
Tabela 3 7ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito de prata em forma de
trilhas com concentraccedilatildeo em um ponto Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos 38
Tabela 3 8 ndash Resultados obtidos das medidas de VOC e ISC usando luz solar direta durante
5 minutos 38
Tabela 3 9 ndash Medidas de VOC e ISC para amostras iluminadas pela lacircmpada Hg 80 W
aproximadamente cinco minutos 41
Tabela 3 10 ndash Valores de VOC e ISC para amostras iluminada sob luz solar direta expostas
durante cinco minutos cada 42
Tabela 3 11 ndash Resultados das medidas de ISC e VOC das amostras do 1ordm grupo sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpada durante 05 minutos de exposiccedilatildeo 47
Tabela 3 12 ndash Resultados para ISC e VOC sob iluminaccedilatildeo luz solar por aproximadamente
05 minutos de exposiccedilatildeo 47
Tabela 3 13 ndash Medidas realizadas para as amostras A5 A6 A7 sob iluminaccedilatildeo solar
direta durante 10 minutos 49
Tabela 3 14 ndash Medidas realizadas no dia 12052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos 50
Tabela 3 15 ndash Medidas realizadas no dia 18052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos 50
Tabela 3 16 ndash Medida dos pontos e a media medida dos filmes das camadas ativas feitos
com rotaccedilatildeo de 5000 rpm Valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M 55
Tabela 3 17 ndash Medida dos pontos e a media dos filmes das camadas ativas feitos com
rotaccedilatildeo de 6000 rpm O valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M 55
xiii
LISTA DE FIGURAS
Figura 2 1 ndash Estrutura quiacutemica do poliacetileno mostrando as ligaccedilotildees alternadas em
simples e duplas 6
Figura 2 2 ndash Formaccedilatildeo da estrutura do condutor poliacetileno (a) Formaccedilatildeo de bandas
distintas pela superposiccedilatildeo de N orbitais (b) aproximaccedilatildeo da banda riacutegida para um nuacutemero
grande de orbitais 7
Figura 2 3 ndash Estrutura de uma ceacutelula solar orgacircnica A camada ativa pode compreender
uma ou mais camadas semicondutoras uma mistura de materiais ou a combinaccedilatildeo destas
duas estruturas 8
Figura 2 4 ndash Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um dispositivo fotovoltaico feito com uma
camada de poliacutemero entre dois eletrodos 8
Figura 2 5 ndash Processos envolvidos na geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica em um dispositivo
fotovoltaico orgacircnico 9
Figura 2 6 ndash Diagrama de niacuteveis de energia de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico Sob
iluminaccedilatildeo o eleacutetron (e-) eacute jogado para o niacutevel de maior energia LUMO deixando uma
lacuna (h+) no niacutevel de menor energia HOMO (Criaccedilatildeo do eacutexciton) que seratildeo coletados
pelos eletrodos 1 funccedilatildeo trabalho do 1ordm eletrodo (transparente) 2 funccedilatildeo trabalho do
2ordm eletrodo χ eletroafinidade IP potencial de ionizaccedilatildeo e Eg energia do gap 10
Figura 2 7 ndash Diagrama esquemaacutetico do dispositivo fotovoltaico 2 poliacutemero1 no escuro
com o alinhamento dos niacuteveis de Fermi a) e sob iluminaccedilatildeo b) potencial de built-in ( Vbi)
intriacutenseco em temperatura ambiente esta proacuteximo ao valor de tensatildeo 12
Figura 2 8 ndash Curva caracteriacutestica IndashV de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico no escuro e
sob iluminaccedilatildeo Tambeacutem eacute mostrado o ponto de corrente de curto circuito e tensatildeo de
circuito aberto O retacircngulo pintado indica o fator de preenchimento (FF) 13
Figura 2 9 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PS (C8H8)n 15
Figura 2 10 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PMMA (C5O2H8)n 16
Figura 2 11 ndash Representaccedilatildeo da cadeia principal do PEDOT [25] 17
Figura 2 12 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica da interaccedilatildeo entre o PEDOT e PSS [25]
17
Figura 2 13 ndash Estrutura quiacutemica do P3HT (C10H18S)n [13] 18
Figura 2 14 ndash Foto da palmeira do Buriti (Mauritia Flexuosa) conhecida como Buritizeiro
[21] 19
Figura 2 15 ndash Ilustraccedilatildeo dos frutos maduros do Buriti (a) aspecto da casca (b) polpa de
cor amarelada [21] 19
Figura 2 16 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PS puro e PSOB [40] 20
xiv
Figura 2 17 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PMAM puro e PMAM
OB [40] 21
Figura 3 1 ndash (a)bomba de vaacutecuo (b) compressor de ar comprimido (c) vaacutelvula de controle
e (d) spin coater 24
Figura 3 2 ndash Equipamento de spin coater instalado no laboratoacuterio LDCI vista lateral e
frontal 25
Figura 3 3 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores Keithley 2400 laboratoacuterio
LDCI 25
Figura 3 4 ndash Vista frontal do AFM marca VEECO Innova 26
Figura 3 5 ndash Amostras confeccionadas com duas lacircminas de substrato de vidro recoberto
com FTO baseada no modelo de Graumltzel 28
Figura 3 6 ndash (a) Esquema da amostra confeccionada no substrato flexiacutevel de plaacutestico
(PET) (b) foto do substrato finalizado 31
Figura 3 7 ndash Amostra feita com substrato de PET apoacutes ser submetidos agrave fonte de lacircmpada
incandescente de 100 W por 20 minutos 33
Figura 3 8 ndash (a) Esquema da amostra para substrato de vidro recoberto com FTO (b) foto
da amostra finalizada 34
Figura 3 9 ndash (a) Geometria do eletrodo de Ag confeccionado em forma de ponto e (b)
geometria do eletrodo de Ag feito em forma de trilhas 37
Figura 3 10 ndash (a) Foto da amostra (b) Estruturas das camadas dos dispositivos das novas
amostras 40
Figura 3 11 ndash Ilustraccedilatildeo do experimento realizado com uma amostra tendo o contato
desenhado com a geometria em forma de trilhas camada ativa de PS OB 47 42
Figura 3 12 ndash Ilustraccedilatildeo da polarizaccedilatildeo direta para amostras com P3HT e gota de
PEDOTPSS para medidas das curvas (IndashV) 43
Figura 3 13 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47 Corrente e
tensatildeo observadas 003 uA e 09 Volts respectivamente 44
Figura 3 14 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de OB puro + P3HT Corrente
e tensatildeo observadas 0013 uA e 002 Volts respectivamente 44
Figura 3 15 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47+P3HT
Corrente e tensatildeo observadas 0012 uA e 11 volts respectivamente 45
Figura 3 16 ndash Estruturas das camadas e do contato de Ag dos dispositivos fotovoltaicos
orgacircnicos usado para o 2 ordm grupo de amostras 49
Figura 3 17 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PS puro No escuro e sob
iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 51
xv
Figura 3 18 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PSOB 47 No escuro e
sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 52
Figura 3 19 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAM puro No escuro
e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 52
Figura 3 20 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAMOB 35 No
escuro e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 53
Figura 3 21 ndash Risco feito no filme da amostra onde a ponta do perfilocircmetro executou a
varredura 54
Figura 3 22 ndash Medindo a diferenccedila da altura entre os cursores (R - reference) e (M -
measurement) para determinar a espessura do filme 54
Figura 3 23 ndash Geometria da lacircmina de vidro apoacutes corrosatildeo do FTO 56
Figura 3 24 ndash Geometria das camadas do dispositivo 57
Figura 3 25 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PS puro
e PS OB 47 58
Figura 3 26 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PMAM
puro e PMAMOB 35 59
Figura 3 27 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PSOB
47 no claro e escuro 60
Figura 3 28 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de
PMAMOB 35 no claro e escuro 60
Figura 3 29 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS puro obtida por AFM no modo
contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 62
Figura 3 30 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS OB 47 por AFM modo
contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 63
Figura 3 31 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PMAM puro obtida por microscopia
de forccedila atocircmica no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 64
Figura 3 32 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PAMAM OB 35 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 64
Figura 3 33 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HTOB puro obtida por AFM no
modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 65
Figura 3 34 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HT+PS OB 47 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 66
xvi
LISTA DE SIacuteMBOLOS NOMENCLATURA E ABREVIACcedilOtildeES
Ag ndash Prata
BC ndash Banda de conduccedilatildeo
BV ndash Banda de valecircncia
CHCL3 ndash Clorofoacutermio
C7H8 ndash Tolueno
Eg ndash Energia de gap (Energia de banda proibida)
FTO ndash Oacutexido de estanho dopado com fluacuteor termo em inglecircs Tin Oxide doped with
Fluorine
FF ndash Fator de preenchimento termo em inglecircs fill factor
GPIB ndash General Purpose Interface Bus
HOMO ndash Orbital molecular mais alto ocupado termo em inglecircs highest occupied
molecular orbital
ITO ndash Oacutexido de iacutendio estanho termo em inglecircs Indium Tin Oxide
IPCE ndash Eficiecircncia de conversatildeo de foacutetons incidentes em eleacutetrons Eficiecircncia quacircntica
externa termo em inglecircs Incident Photon Converted in Electron Efficiency
I0 ndash Intensidade de luz incidente em W m2
ISC ndash Corrente de curto circuito termo em inglecircs current short circuit
IndashV ndash Corrente versus tensatildeo aplicada
JSC ndash Densidade de fotocorrente de curto circuito termo em inglecircs photocurrent density
short circuit
LUMO ndash Orbital molecular mais baixo desocupado termo em inglecircs lowest unoccupied
molecular orbital
OB ndash Oacuteleo de Buriti
OLED ndash Diodo emissor de luz orgacircnico termo em inglecircs Organic light emitting devices
OPV ndash Ceacutelulas orgacircnicas fotovoltaicas termo em inglecircs Organic Photovoltaic
PET ndash Poli (Tereftalato de Etila)
xvii
PEDOT ndash Poli (34-etileno dioxitiofeno)
PS ndash Poliestireno
PSSndash Poli (Estireno-Sulfonato)
PMAM ndash Poli Metacrilato de Metila
P3HT ndash Poli (3-hexil tiofeno)
rpm ndash Rotaccedilatildeo por minuto
TO - Oacutexido de estanho termo em inglecircs Tin Oacutexide
Tm ndash Temperatura de fusatildeo cristalina
Tg ndash Temperatura de transiccedilatildeo viacutetrea
UV ndash Ultravioleta
VIS ndash Visiacutevel
VOC ndash Tensatildeo circuito aberto termo em inglecircs Open-circuit voltage
V bi ndash Potencial de built-in
ndash eficiecircncia de conversatildeo de potecircncia
λ ndash comprimento de onda
π ndash orbital ligante
πndash orbital antiligante
ndash Funccedilatildeo trabalho do material
Capiacutetulo I
Introduccedilatildeo
2
1 ndash INTRODUCcedilAtildeO
Atualmente um assunto muito debatido na esfera mundial eacute o problema da emissatildeo
de gases que provocam o efeito estufa Essa questatildeo relaciona-se por exemplo com o
desvio do curso de um rio para formar barragem para construccedilatildeo de hidreleacutetrica ou o uso
de carvatildeo ou diesel para o funcionamento de geradores de energia eleacutetrica todas essas
accedilotildees tecircm forte contribuiccedilatildeo para mudanccedilas no ambiente natural
Uma maneira eficaz de amenizar o impacto de tais accedilotildees sobre o meio ambiente
consiste no aproveitamento da energia solar que eacute uma fonte de energia renovaacutevel tanto
como fonte de calor quanto de luz O sol eacute responsaacutevel direta ou indiretamente pela
maioria das fontes de energia utilizadas atualmente a energia do sol eacute responsaacutevel pela
evaporaccedilatildeo a radiaccedilatildeo solar induz as circulaccedilotildees atmosfeacutericas causando ventos necessaacuterios
para a obtenccedilatildeo de energia eoacutelica [1] A energia luminosa pode ser transformada em
energia eleacutetrica por meio das ceacutelulas solares Na atualidade eacute uma das alternativas
energeacuteticas mais promissoras para enfrentar os desafios dos proacuteximos anos
Por ser uma energia captada diretamente a partir da incidecircncia dos raios solares a
energia produzida por ceacutelulas fotovoltaicas eacute uma tecnologia que natildeo emite gases
poluentes na atmosfera e natildeo produz ruiacutedos nem vibraccedilotildees durante o processo de
conversatildeo
Embora seja uma tecnologia relativamente antiga a produccedilatildeo de energia por ceacutelulas
fotovoltaicas natildeo teve ainda grande expansatildeo comercial devido ao elevado preccedilo de
implantaccedilatildeo do sistema Com a existecircncia de grupo gerador movido a diesel mais barato
haacute um maior uso desse tipo de sistemas em lugares que natildeo satildeo atendidos pela rede de
energia puacuteblica [23]
Tendo em vista esse cenaacuterio soacutecio econocircmico e tambeacutem ambiental existe a
necessidade de se buscar novas tecnologias para a produccedilatildeo de ceacutelulas fotovoltaicas a
custos mais acessiacuteveis viabilizando assim sua execuccedilatildeo tendo em vista que a energia solar
eacute importante na preservaccedilatildeo do meio ambiente por apresentar vantagens sobre as outras
formas de obtenccedilatildeo de energia [4] Para cada metro quadrado de coletor solar instalado
evita-se a inundaccedilatildeo de cinquumlenta e seis metros quadrados de terras feacuterteis para a
construccedilatildeo de novas usinas hidreleacutetricas
A energia solar fotovoltaica eacute a energia da conversatildeo direta da luz em eletricidade
(Efeito Fotovoltaico) que consiste no aparecimento de uma diferenccedila de potencial nos
3
extremos de uma estrutura de material semicondutor produzido pela absorccedilatildeo da luz A
ceacutelula fotovoltaica eacute a unidade fundamental no processo de conversatildeo [5]
As ceacutelulas solares orgacircnicas necessitam de muito menos energia para serem
fabricadas que as de siliacutecio convencional ie o consumo de energia gasto para fabricaccedilatildeo
de uma ceacutelula solar orgacircnica eacute muito pequeno de forma que a energia por ela gerada seraacute
muito maior do que a gasta para a sua fabricaccedilatildeo A ceacutelula solar de siliacutecio possui um
processo de fabricaccedilatildeo com preccedilos elevados inviabilizando sua fabricaccedilatildeo em larga escala
devido aos gastos elevados de energia em sua produccedilatildeo O impacto final no balanccedilo de
energia natildeo eacute positivo ou seja se gasta muito mais energia para produzir a ceacutelula que a
energia que ela eacute capaz de gerar em curto prazo
A partir de uma reflexatildeo sobre este cenaacuterio observou-se que semicondutores
orgacircnicos baseados em pequenas moleacuteculas conjugadas e poliacutemeros oferecem a
oportunidade de produzir dispositivos com larga aacuterea e baixo custo sobre substratos
plaacutesticos flexiacuteveis [67] Nesse campo as misturas de poliacutemeros (blendas polimeacutericas) ou a
aditivaccedilatildeo de poliacutemeros produzem resultados interessantes Um exemplo eacute o poliestireno
(PS) e o poli-metacrilato de metila (PMAM) misturado com oacuteleo de buriti (Mauritia
flexuosa) o material modificado tem alta absorccedilatildeo entre 250 nm a 700 nm com o maacuteximo
em 320 nm [8] Isto o torna um candidato promissor para os estudos fotovoltaicos A partir
da descoberta dos poliacutemeros condutores e suas propriedades as investigaccedilotildees sobre a
possibilidade de empregaacute-los como mateacuteria prima na construccedilatildeo de dispositivos
fotovoltaicos foram intensificadas
Com base nessas observaccedilotildees optou-se por investigar misturas de PS e PMAM
com oacuteleo de buriti a fim de construir e caracterizar dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos
Tais dispositivos podem ser construiacutedos sobre substratos plaacutesticos e em temperatura
ambiente desta forma sendo flexiacuteveis e com baixo custo [9] Entre os diversos materiais
potencialmente interessantes para esse fim encontra-se tambeacutem o Poli (3-hexiltiofeno)
(P3HT) Com base em vaacuterias referecircncias [1011] sobre o uso do P3HT misturado com
nanopartiacuteculas e com C60 (Fulereno) resolveu-se testar a mistura P3HT com oacuteleo de Buriti
Este trabalho consiste no estudo para o desenvolvimento e caracterizaccedilatildeo de
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos baseados no oacuteleo de buriti que apresenta propriedades
oacutepticas de absorccedilatildeo misturado com poliacutemeros isolantes (PS e PMAM) e com o poliacutemero
semicondutor P3HT
4
11 ndash OBJETIVO GERAL
O objetivo do presente trabalho eacute o desenvolvimento e a caracterizaccedilatildeo de
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos a partir de poliacutemero semicondutor ou de poliacutemeros
isolantes modificados pelo oacuteleo de buriti
12 ndash OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS E ORGANIZACcedilAtildeO DO ESTUDO
1 Fazer deposiccedilatildeo de filmes finos de blendas polimeacutericas a partir de
mistura de poliacutemeros isolantes PS e PMAM e do poliacutemero
semicondutor P3HT com oacuteleo de buriti
2 Montagem dos dispositivos em substratos de vidro e de plaacutestico
3 Caracterizaccedilatildeo eleacutetrica dos dispositivos desenvolvidos atraveacutes de
medidas diretas sob iluminaccedilatildeo de lacircmpadas e luz solar direta
Medidas das curvas IndashV no escuro e com iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio
4 Caracterizaccedilatildeo morfoloacutegica dos filmes depositados por spin coater
Medir as espessuras dos filmes e aacuterea ativa
Ao longo desta pesquisa seraacute mostrada a confecccedilatildeo dos dispositivos que
apresentaram algum comportamento fotovoltaico ou aqueles que tiveram resultados
interessantes Vaacuterias tentativas foram feitas a fim de buscar aquelas que apresentassem
resultados e comportamento satisfatoacuterio para um dispositivo fotovoltaico orgacircnico
Este trabalho foi dividido em quatro capiacutetulos No capiacutetulo dois seraacute feita uma
revisatildeo de alguns conceitos importantes sobre dispositivos orgacircnicos materiais utilizados
e equipamentos de caracterizaccedilatildeo No capiacutetulo trecircs seratildeo descritos os procedimentos
experimentais e resultados os quais seratildeo subdivididos em dados experimentais I II e III e
em alguns casos subdivididos em etapas Seratildeo abordadas as teacutecnicas utilizadas nas
construccedilotildees e caracterizaccedilotildees dos dispositivos No capiacutetulo quatro seratildeo apresentadas as
conclusotildees e recomendaccedilotildees para trabalhos futuros
5
Capiacutetulo II
Conceitos Baacutesicos
6
2 ndash CONCEITOS BAacuteSICOS
21 ndash POLIacuteMEROS CONDUTORES
O termo poliacutemero eacute usado para designar macromoleacuteculas formadas pela repeticcedilatildeo
de unidades chamadas de monocircmeros Alguns poliacutemeros ocorrem naturalmente outros satildeo
sintetizados Os poliacutemeros sinteacuteticos tiveram seu grande desenvolvimento no iniacutecio do
seacuteculo 20 poreacutem a grande maioria dos poliacutemeros desenvolvidos nessa eacutepoca era isolante
Na deacutecada de 50 surgiram os primeiros poliacutemeros condutores extriacutensecos que eram
poliacutemeros isolantes incorporados com materiais portadores de cargas eleacutetricas
Nos anos 70 a equipe de Hideki Shirakawa et al [12] do instituto de Tecnologia de
Toacutequio produziu um filme de poliacetileno ([CH]n) de coloraccedilatildeo prateada e que conduzia
corrente depois Shirakawa produziu um outro filme condutor de poliacetileno de
coloraccedilatildeo dourada e com maior condutividade apoacutes dopagem com iodo Apoacutes as primeiras
descobertas vaacuterios outros poliacutemeros condutores foram desenvolvidos A descoberta das
propriedades eleacutetricas do poliacetileno laureou Heeger McDiarmid e Shirakwa com o
precircmio Nobel de quiacutemica em 2000 [12]
Os poliacutemeros condutores tambeacutem satildeo chamados de metais sinteacuteticos por possuiacuterem
propriedades eleacutetricas oacutepticas e magneacuteticas semelhantes aos metais e semicondutores
Os semicondutores orgacircnicos satildeo poliacutemeros cuja estrutura principal eacute composta por
carbono Satildeo semicondutores porque possuem ligaccedilotildees simples e duplas alternadas A
figura 21 mostra a estrutura quiacutemica do condutor orgacircnico poliacetileno cuja estrutura eacute a
mais simples
A sobreposiccedilatildeo de dois niacuteveis eletrocircnicos (orbitais) cria separaccedilotildees nos niacuteveis de
energia formando um orbital ligante (π) e um antiligante (π) que podem ser chamados de
banda de valecircncia e banda de conduccedilatildeo respectivamente Os orbitais podem ser
classificados de duas formas orbital molecular mais baixo desocupado (LUMO) e orbital
molecular mais alto ocupado (HOMO)
Figura 2 1 ndash Estrutura quiacutemica do poliacetileno mostrando as ligaccedilotildees alternadas em
simples e duplas
7
Semelhante aos semicondutores inorgacircnicos os semicondutores orgacircnicos possuem
dois eleacutetrons em cada niacutevel de energia com spin oposto formando ao longo da cadeia os
orbitais π e π com banda similar aos inorgacircnicos [13] Na figura 22 o orbital π
corresponde agrave banda de valecircncia (BV) e o orbital π a banda de conduccedilatildeo (BC)
Em temperatura de 0K todos os estados eletrocircnicos da banda BV estatildeo ocupados
enquanto que os da BC estatildeo desocupados O espaccedilo entre a BC (LUMO) e BV (HOMO) eacute
chamado de Energia de banda proibida (Eg)
Figura 2 2 ndash Formaccedilatildeo da estrutura do condutor poliacetileno (a) Formaccedilatildeo de bandas
distintas pela superposiccedilatildeo de N orbitais (b) aproximaccedilatildeo da banda riacutegida para um nuacutemero
grande de orbitais
22 ndash DISPOSITIVOS FOTOVOLTAICOS ORGAcircNICOS
Os dispositivos fotovoltaicos transformam energia luminosa em energia eleacutetrica
Satildeo divididos em duas classes de acordo com a aplicaccedilatildeo tecnoloacutegica Detectores de luz
como os fotodetectores e fotocondutores e ceacutelulas solares que convertem luz em energia
eleacutetrica [14 15] A conversatildeo da luz solar em energia eleacutetrica nas ceacutelulas solares depende
da geraccedilatildeo de cargas positivas e negativas e da captura das mesmas pelos eletrodos antes
das recombinaccedilotildees dos pares eleacutetrons ndash lacunas
O dispositivo fotovoltaico orgacircnico eacute composto de uma camada ativa
ensanduichada entre dois eletrodos com diferentes funccedilotildees trabalho Para melhor captaccedilatildeo
da luz um dos eletrodos tem que ser transparente Os materiais mais usados como eletrodo
8
transparente satildeo o oacutexido de estanho (TO) o oacutexido de estanho iacutendio (ITO) e oacutexido de
estanho dopado com fluacuteor (FTO) [14] O outro eletrodo pode ser feito de alumiacutenio caacutelcio
ouro prata cobre etc A figura 23 mostra o esquema de um dispositivo fotovoltaico
orgacircnico (ceacutelula solar orgacircnica)
Figura 2 3 ndash Estrutura de uma ceacutelula solar orgacircnica A camada ativa pode compreender
uma ou mais camadas semicondutoras uma mistura de materiais ou a combinaccedilatildeo destas
duas estruturas
Quando a camada ativa eacute iluminada por alguma fonte de luz atraveacutes do eletrodo
transparente a energia luminosa eacute transferida aos eleacutetrons que estatildeo no niacutevel HOMO Os
eleacutetrons absorvem a energia do foacuteton e satildeo promovidos para o niacutevel LUMO criando assim
uma lacuna no niacutevel HOMO O eacutexciton eacute definido como o par eleacutetron-lacuna ligado pela
atraccedilatildeo Coulombiana e eacute chamado de ―eacutexciton Wannier ―[16]
A figura 24 mostra a seccedilatildeo transversal de um dispositivo fabricado da maneira
mais simples contendo uma camada de poliacutemero entre dois eletrodos A aacuterea ativa eacute a
parte da sobreposiccedilatildeo do filme da camada ativa com o filme do eletrodo de contato de
prata Um dos eletrodos deve ser transparente agrave entrada de luz neste caso o FTO
Figura 2 4 ndash Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um dispositivo fotovoltaico feito com uma
camada de poliacutemero entre dois eletrodos
9
O processo de geraccedilatildeo de fotocorrente em dispositivos orgacircnicos fotovoltaicos
segue os seguintes passos mostrados na figura 25
Figura 2 5 ndash Processos envolvidos na geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica em um dispositivo
fotovoltaico orgacircnico
Apesar dos poliacutemeros conjugados apresentarem alto coeficiente de absorccedilatildeo em
torno de 105 cm
-1 somente parte da luz eacute absorvida e seraacute convertida em pares eleacutetrons-
lacunas Esses pares eleacutetrons - lacunas contribuiratildeo para a fotocorrente a qual ainda
depende da espessura da camada ativa polimeacuterica
O comprimento de difusatildeo de um eacutexciton em poliacutemeros conjugados eacute cerca de 10
nm devido a isso a espessura da camada ativa possui influecircncia direta sobre o
funcionamento do dispositivo Dispositivo com camada ativa muito espessa apresenta
resistecircncia agrave movimentaccedilatildeo dos portadores de cargas impedindo que as cargas positivas e
negativas sejam coletadas em seus respectivos eletrodos
Para ter um dispositivo com bom desempenho deve se construir camada ativa na
ordem de dezenas de nanocircmetros Os eacutexcitons devem ser criados nas proximidades das
interfaces do metalcamada ativa (regiatildeo ativa mostrado na figura 24) onde possa existir
maior efeito de alto campo eleacutetrico favorecendo assim a dissociaccedilatildeo dos eacutexcitons [17]
Para haver uma diferenccedila de potencial eacute necessaacuterio que os portadores sejam
coletados pelos respectivos eletrodos antes de se recombinarem A dissociaccedilatildeo do eacutexciton
ocorre em regiatildeo de alto campo eleacutetrico geralmente na interface metal-poliacutemero A figura
26 mostra um diagrama de energia para o dispositivo fotovoltaico orgacircnico sob
iluminaccedilatildeo
10
Figura 2 6 ndash Diagrama de niacuteveis de energia de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico Sob
iluminaccedilatildeo o eleacutetron (e-) eacute jogado para o niacutevel de maior energia LUMO deixando uma
lacuna (h+) no niacutevel de menor energia HOMO (Criaccedilatildeo do eacutexciton) que seratildeo coletados
pelos eletrodos 1 funccedilatildeo trabalho do 1ordm eletrodo (transparente) 2 funccedilatildeo trabalho do
2ordm eletrodo χ eletroafinidade IP potencial de ionizaccedilatildeo e Eg energia do gap
23 ndash CARACTERIZACcedilAtildeO DO DISPOSITIVO FOTOVOLTAICO
Para fazer comparaccedilotildees e caracterizar os dispositivos alguns paracircmetros satildeo
importantes para determinar a eficiecircncia entre os diferentes tipos de camada ativa dos
dispositivos Por meio do espectro dinacircmico ou resposta espectral teremos a eficiecircncia
quacircntica externa (IPCE) Para obterem-se os valores de tensatildeo circuito abeto (VOC)
corrente de curto circuito (ISC) fator de preenchimento (FF) e eficiecircncia de conversatildeo de
potecircncia () foram usados os valores retirados das curvas caracteriacutesticas I ndashV no escuro e
sob iluminaccedilatildeo [18]
231ndash Eficiecircncia quacircntica externa (IPCE)
Para se obter a resposta espectral ou espectro dinacircmico a amostra eacute submetida a
um feixe de luz monocromaacutetica de vaacuterios comprimentos de onda sem a aplicaccedilatildeo de
11
tensatildeo A eficiecircncia quacircntica externa eacute a razatildeo entre a densidade de fotocorrente de curto
circuito (JSC) medida e a intensidade de luz monocromaacutetica que incide sobre a amostra
conforme mostra a equaccedilatildeo 21
IPCE()=
(21)
Onde
JSC eacute a densidade de fotocorrente de curto circuito dada em microAcm2
λ eacute o comprimento de onda em nm
I0 eacute a intensidade de luz incidente em W m2
1024 eacute o fator de conversatildeo de energia em comprimento de onda [18]
Portanto o IPCE eacute um valor de medida de eficiecircncia para os dispositivos
fotovoltaicos
232 ndash Tensatildeo de circuito aberto (VOC) e Corrente de curto circuito (ISC)
Quando os materiais orgacircnicos das camadas ativas satildeo colocados em contato com o
eletrodo inorgacircnico existe um balanceamento de cargas entre os materiais de diferentes
funccedilotildees trabalhos ateacute que o equiliacutebrio seja atingido Nesta situaccedilatildeo haacute um nivelamento dos
niacuteveis de energia de Fermi dos materiais e um campo eleacutetrico intriacutenseco eacute criado na
interface do dispositivo
Em um dispositivo sob iluminaccedilatildeo depois da dissociaccedilatildeo dos eacutexcitons as cargas
satildeo transportadas para os eletrodos pelo campo eleacutetrico intriacutenseco que iraacute aumentar a
energia do eletrodo de menor funccedilatildeo trabalho (1) e diminuir a energia de Fermi do
eletrodo de maior funccedilatildeo trabalho (2) quase atingindo a condiccedilatildeo de banda plana
criando uma diferenccedila de potencial definida como tensatildeo de circuito aberto VOC
A figura 27 mostra o diagrama esquemaacutetico de um dispositivo fotovoltaico A
tensatildeo de circuito aberto VOC pode ser obtida da curva caracteriacutestica IndashV de um dispositivo
sob iluminaccedilatildeo quando a corrente eacute zero
12
Figura 2 7 ndash Diagrama esquemaacutetico do dispositivo fotovoltaico 2 poliacutemero1 no escuro
com o alinhamento dos niacuteveis de Fermi a) e sob iluminaccedilatildeo b) potencial de built-in ( Vbi)
intriacutenseco em temperatura ambiente esta proacuteximo ao valor de tensatildeo
Em temperaturas baixas a iluminaccedilatildeo poderaacute trazer a condiccedilatildeo de banda plana e a
tensatildeo de circuito aberto VOC seraacute igual ao potencial de built in (Vbi) Este potencial eacute
definido como a diferenccedila de funccedilatildeo trabalho entre os eletrodos em temperatura ambiente
pois a condiccedilatildeo de banda plana natildeo eacute totalmente atingida e uma pequena correccedilatildeo deve ser
adicionada ao VOC para obter o Vbi [14]
O valor da corrente eleacutetrica maacutexima que atravessa o dispositivo quando iluminado
sem nenhuma tensatildeo aplicada eacute chamado de corrente de curto circuito (ISC)
Para definir a densidade de fotocorrente (JSC) utiliza-se o valor de ISC dividido pela
aacuterea ativa do dispositivo
233 ndash Curva caracteriacutestica IndashV
Atraveacutes da curva IndashV temos a resposta eleacutetrica do dispositivo fotovoltaico A figura
28 mostra a curva caracteriacutestica IndashV no escuro e sob iluminaccedilatildeo de um dispositivo ideal
fotovoltaico No escuro a curva de resposta eacute semelhante agrave de um diodo retificador quando
a corrente soacute aparece para a tensatildeo direta Sob iluminaccedilatildeo a curva de ISC desce para o
terceiro e quarto quadrante Na polarizaccedilatildeo direta o eletrodo de maior funccedilatildeo trabalho eacute
polarizado positivamente e o de menor funccedilatildeo trabalho eacute polarizado negativamente
[1819]
13
Figura 2 8 ndash Curva caracteriacutestica IndashV de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico no escuro e
sob iluminaccedilatildeo Tambeacutem eacute mostrado o ponto de corrente de curto circuito e tensatildeo de
circuito aberto O retacircngulo pintado indica o fator de preenchimento (FF)
234 ndash Fator de preenchimento (FF) e Conversatildeo de Potencia ()
A quantidade maacutexima de energia eleacutetrica extraiacuteda do dispositivo fotovoltaico eacute
determinada pelo fator de preenchimento (FF) ou seja eacute a razatildeo entre a potecircncia maacutexima
fornecida pelo dispositivo fotovoltaico e a potecircncia nominal do mesmo Na figura 8 o fator
de preenchimento eacute representado pela razatildeo entre as aacutereas do retacircngulo cinza (representa a
potecircncia maacutexima que o dispositivo fornece) pela aacuterea do retacircngulo azul (representa a
potecircncia nominal) Assim a equaccedilatildeo 22 mostra a relaccedilatildeo matemaacutetica para a obtenccedilatildeo do
FF
(22)
Onde Vm e Im satildeo as intersecccedilotildees da curva IndashV com a potecircncia maacutexima do
retacircngulo
14
Para aplicaccedilatildeo de um dispositivo fotovoltaico como ceacutelulas solares um dos focos
de interesse eacute a potecircncia eleacutetrica extraiacuteda que eacute determinada pela eficiecircncia de conversatildeo
de potecircncia () Para encontrar este valor divide-se o valor da potecircncia maacutexima gerada
pela ceacutelula (P) pela potecircncia da luz incidente (Pin) A expressatildeo para o caacutelculo de eacute
mostrada na equaccedilatildeo 23
=
(23)
Onde I0 eacute a intensidade de luz incidente sobre a ceacutelula solar Usando a equaccedilatildeo 22
para calculara o FF temos a equaccedilatildeo 24
(24)
24 ndash POLIacuteMEROS UTILIZADOS
Os poliacutemeros sinteacuteticos satildeo produtos quiacutemicos obtidos sinteticamente que
apresentam cadeias longas e dentre eles podemos encontrar materiais importantes para o
uso em engenharia
As propriedades dos poliacutemeros dependem muito do tipo de monocircmero que o
originaram Outros fatores que influenciam suas propriedades satildeo o tipo de reaccedilatildeo
empregada para sua obtenccedilatildeo e a teacutecnica de preparaccedilatildeo Podemos citar trecircs tipos de reaccedilotildees
a partir das quais se podem produzir um poliacutemero a poliadiccedilatildeo policondensaccedilatildeo e a
modificaccedilatildeo quiacutemica de outro poliacutemero [20]
241 ndash Polistireno (PS)
O PS eacute uma resina termoplaacutestica foi descoberto em 1831 Apesar de ter sido
proposto para uso logo apoacutes sua descoberta demorou a ser colocado no comeacutercio Isto
ocorreu porque a polimerizaccedilatildeo do monocircmero natildeo era controlada e ocorria muito
rapidamente dificultando o carregamento e a estocagem dos monocircmeros A representaccedilatildeo
da estrutura quiacutemica do PS pode ser vista na figura 29 [21]
15
Figura 2 9 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PS (C8H8)n
O PS eacute um dos plaacutesticos mais utilizados no Brasil cuja aplicaccedilatildeo pode se estender a
diversos tipos de utensiacutelios para uso domeacutesticos Em uso na fabricaccedilatildeo de objetos tais
como brinquedos escovas embalagens riacutegidas para cosmeacuteticos no isolamento ao frio na
embalagem de equipamentos em pranchas flutuantes em paineacuteis para a induacutestria
automobiliacutestica e produtos para a induacutestria de eletro-eletrocircnico etc
Suas caracteriacutesticas marcantes satildeo rigidez semelhante ao vidro alta resistecircncia
quiacutemica baixa resistecircncia a solventes orgacircnicos baixa resistecircncia a intempeacuteries boa
condiccedilatildeo de isolamento teacutermico e eleacutetrico relevante sensibilidade agrave luz incolor e
transparente [21] Frente ao calor eacute classificado como termoplaacutestico de uso geral Trata-se
de um poliacutemero de baixo custo e de faacutecil aquisiccedilatildeo No Brasil os principais fabricantes satildeo
a BASF do Brasil que produz o PS com o nome comercial de Plystirol e a Monsanto do
Brasil que o fabrica com o nome comercial de Lustrex Possui temperatura de fusatildeo
cristalina (Tm) 235 degC e temperatura de transiccedilatildeo viacutetrea (Tg) de 100 degC [20]
242 ndash Poli metacrilato de metila (PMAM)
Eacute um poliacutemero amorfo linear sua siacutentese eacute por adiccedilatildeo e requer um centro ativo
como iniciador Possui caracteriacutesticas oacutepticas e mecacircnicas resistentes aos aacutecidos orgacircnicos
[21 22] A representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica pode ser vista na figura 210
16
Figura 2 10 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PMMA (C5O2H8)n
Tambeacutem conhecido como plaacutestico acriacutelico esse termoplaacutestico eacute um poliacutemero
sinteacutetico de origem petroquiacutemica assim como o PS cujas principais caracteriacutesticas satildeo
transparecircncia boa resistecircncia quiacutemica resistente a impactos e a intempeacuteries
Eacute um poliacutemero considerado de baixo custo e de faacutecil aquisiccedilatildeo No Brasil
destacam-se como fabricantes a CP Bahia e a Rohm amp Haas que produzem
respectivamente o Acrigel e o Acryloid
O PMAM eacute usado em placas para sinalizaccedilatildeo de traacutefego em estradas nas induacutestrias
automobiliacutesticas de aviaccedilatildeo e na construccedilatildeo civil Eacute vastamente empregado na fabricaccedilatildeo
de fibras oacutepticas e em eletro-eletrocircnicos aleacutem disso o PMAM tem sido utilizado na
ortopedia desde sua siacutentese Pesquisa na aacuterea da eletrocircnica orgacircnica estaacute sendo
desenvolvida [2223] e tambeacutem na aacuterea da medicina como na esteacutetica e em outras
aplicaccedilotildees na aacuterea da sauacutede [2425]
Possui temperatura de fusatildeo cristalina (Tm) 160 degC e temperatura de transiccedilatildeo viacutetrea
(Tg) de 105 degC[20]
243 ndash Poli(34-Etileno Dioxitiofeno)Poli(Estireno-Sulfonato) (PEDOTPSS)
As pesquisas sobre poliacutemeros condutores tecircm atraiacutedo cientistas e grandes empresas
Ao longo desta deacutecada grandes descobertas foram realizadas em relaccedilatildeo aos poliacutemeros
condutores [26]
Cientistas da Bayer AG [27 28] contribuiacuteram para o desenvolvimento do Poli (34-
etileno dioxitiofeno) (PEDOT) que apresenta propriedades e caracteriacutesticas interessantes
mesmo em seu estado dopado A cadeia principal estaacute representada na figura 211
17
Figura 2 11 ndash Representaccedilatildeo da cadeia principal do PEDOT [28]
O PEDOT possui alta condutividade contudo natildeo eacute soluacutevel em aacutegua Para tornaacute-lo
soluacutevel foi adicionado o poli (estireno sulfonado) (PSS) assim as altas taxas de
condutividade foram perdidas no processo de dopagem Apesar disto a combinaccedilatildeo do
PEDOTPSS ilustrado na figura 212 resultou em um poliacutemero com caracteriacutesticas e
condiccedilotildees favoraacuteveis tornando simples a deposiccedilatildeo dos filmes
O PEDOTPSS eacute apresentado em soluccedilatildeo azul escuro e possui condutividade
maacutexima de 10 S cm (depende da espessura e do processo de confecccedilatildeo do filme) Mostra
alta taxa de absorccedilatildeo luminosa entre 900 nm e 2000 nm [28]
Figura 2 12 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica da interaccedilatildeo entre o PEDOT e PSS [28]
O PEDOTPSS eacute um exemplo de poliacutemero condutor comercial que atraiu usuaacuterios e
pesquisadores em vaacuterios paiacuteses Atualmente existem vaacuterios estudos de dispositivos
orgacircnicos para aplicaccedilotildees em ceacutelulas solares que utilizam o PEDOTPSS [30-32] Seu uso
18
em pesquisas se estende a outros dispositivos orgacircnicos como OLEDs sensores
transistores etc [32 33]
244 ndash Poli (3-hexiltiofeno) (P3HT)
O P3HT eacute um poliacutemero sinteacutetico semicondutor tipo p fabricado e comercializado
pela Aldrichreg possui alto peso molecular Sua estrutura com grades reacutegio-regulares
favorece os estudos para aplicaccedilotildees em ceacutelulas fotovoltaicas orgacircnicas (OPV) Possui
propriedades fotoluminescentes na faixa de comprimento de onda 450 nm e 575 nm [34]
Tambeacutem pode ser combinado com outro tipo de poliacutemeros para aplicaccedilotildees em ceacutelulas
solares [35-37] O transporte de cargas majoritaacuterio eacute de lacunas
A Soluccedilatildeo do P3HT pode ser solubilizada em clorofoacutermio (CHCL3) Aleacutem deste
solvente o P3HT pode ser diluiacutedo em tolueno (C7H8) tri-cloro-benzeno cloro-benzeno e
xyleno soluacutevel A estrutura quiacutemica pode ser vista na figura 213
Figura 2 13 ndash Estrutura quiacutemica do P3HT (C10H18S)n
245 ndash Oacuteleo de Buriti (Mauritia Flexuosa L) ndash OB
A palmeira do buriti (Mauritia flexuosa L) aparece em regiotildees de vaacuterzea e brejo e eacute
comumente encontrada na regiatildeo da Amazocircnia A figura 214 ilustra a foto da palmeira do
buritizeiro Tanto as palmeiras como os frutos satildeo muito utilizados pelas pessoas que
moram nas regiotildees ribeirinhas por exemplo para fazer coberturas de casas com as folhas
ou para extrair a polpa dos frutos para o uso na alimentaccedilatildeo
19
Figura 2 14 ndash Foto da palmeira do Buriti (Mauritia Flexuosa) conhecida como Buritizeiro
[21]
A palmeira do buritizeiro costuma ter altura de ateacute cinquumlenta metros A meacutedia de
frutos colhidos em todos os cachos varia de quinhentos a oitocentos frutos O fruto do
buriti apresenta forma arredondada e eliacuteptica mede aproximadamente de quatro a seis
centiacutemetros de diacircmetro com peso variando entre vinte e cinco a quarenta gramas A
figura 215 ilustra o fruto do buritizeiro tambeacutem pode ser observada a cor amarelada da
polpa
Figura 2 15 ndash Ilustraccedilatildeo dos frutos maduros do Buriti (a) aspecto da casca (b) polpa de
cor amarelada [21]
Estudos desenvolvidos por Moreira et al [38- 40] mostram propriedades oacutepticas de
absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica na faixa do ultravioleta e do visiacutevel solar (UV-VIS)
20
Duratildees et al [39] estudando as soluccedilotildees do OB diluiacuteda em clorofoacutermio observaram
grau de absorccedilatildeo de radiaccedilatildeo UV-VIS na faixa de 245 248 e 276 nm Tambeacutem foram
avaliadas a incorporaccedilatildeo do OB em matrizes de PMAM e PS que apresentaram niacuteveis de
absorccedilatildeo em comprimentos de onda maiores do que 276 nm
A figura 216 mostra os espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo ultravioleta (UV) dos
filmes de PS e PS com OB nas proporccedilotildees estudadas Observa-se nesses espectros que o
filme de PS sem o OB apresenta absorccedilatildeo insignificante nessa regiatildeo do espectro
eletromagneacutetico Esse material mostra uma pequena banda de absorccedilatildeo entre 250 nm Nos
espectros do material polimeacuterico misturado com OB percebe-se um aumento da absorccedilatildeo
da radiaccedilatildeo como consequumlecircncia do aumento do teor de OB nas amostras Esta absorccedilatildeo eacute
indicada por uma banda larga e intensa entre 275 nm e 375 nm que se desloca para
comprimentos de onda maiores agrave medida que a concentraccedilatildeo do oacuteleo aumenta nos
materiais compostos [40]
Figura 2 16 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PS puro e PSOB [40]
A figura 217 mostra os espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes de
PMAM puro e PMAM OB nas proporccedilotildees estudadas O estudo de espectroscopia por
absorccedilatildeo na regiatildeo do UV mostrou que o OB proporcionou uma elevaccedilatildeo de ateacute 400 na
absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo pelo PMAM misturado com OB Este aumento ocorreu regularmente
21
com o teor do dopante exceto para o material com maior percentual do oacuteleo onde
provavelmente a sua maior quantidade tenha dificultado a incorporaccedilatildeo no PMAM
Como consequumlecircncia da incorporaccedilatildeo do OB na matriz de PMAM foi observada
uma banda larga de absorccedilatildeo entre 260 nm e 380 nm que sofreu deslocamento para
comprimentos de onda maiores acompanhando o aumento no teor de oacuteleo das amostras
Nota-se portanto que o comportamento das amostras de PMAM OB eacute semelhante ao dos
materiais PS OB com exceccedilatildeo da inversatildeo de absorccedilatildeo dos filmes feitos com percentuais
do OB de 3455 e 4681 nos filmes de PMAM
Figura 2 17 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PMAM puro e PMAM
OB [40]
22
Capiacutetulo III
Procedimentos Experimentais e
Resultados
23
3 ndash PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS
31 ndash MATERIAIS
Escolheu-se trabalhar com substrato de vidro por que eacute transparente fornece
sustentaccedilatildeo mecacircnica natildeo se degrada com o calor permite a entrada de luz no dispositivo
e possui uma camada condutora com resistecircncia relativamente baixa As resistecircncias das
lacircminas foram medidas com multiacutemetro digital comum e apresentaram um valor em torno
de 41-70 Ω A resistecircncia desses substratos muda de acordo com o processo de
deposiccedilatildeo dos filmes de FTO [41 42] Tambeacutem foram usados substratos flexiacuteveis de
plaacutestico (PET) no tamanho de 2 cm x 3 cm
Os poliacutemeros condutores usados foram o PEDOTPSS e o P3HT Usou-se o PEDOT
PSS para fazer um dos eletrodos O P3HT foi usado misturado com o oacuteleo de buriti para
fazer um tipo de camada ativa Trabalhou-se com misturas de poliacutemeros isolantes PS e
PMAM com OB preparadas no Laboratoacuterio de Poliacutemeros do Instituto de Quiacutemica da UnB
Usou-se misturas com concentraccedilotildees de 8 e 47 de OB na matriz de PS e misturas com
35 de OB na matriz de PMAM conforme descrito por JR Duratildees em [40]
Para fazer o eletrodo superior usou-se a tinta condutora de prata marca INK
SILVER (tinta 100 prata) com pureza da prata 99 e tamanho da partiacutecula de prata 05
a 70 m dissolvidas em solvente e um verniz de alta aderecircncia (NOS002) Em algumas
amostras usou-se tambeacutem o grafite de um laacutepis HB
32 ndash EQUIPAMENTOS UTILIZADOS
321 ndash Multiacutemetros
Para fazer as medidas eleacutetricas diretas de ISC empregou-se o uso do multiacutemetro
analoacutegico ET-3021 porque possuiacutea escala de ateacute micro ampeacutere Para as medidas diretas de
resistecircncia seacuterie e de VOC usou-se o multiacutemetro digital modelo ET-2042C
322 ndash Spin coater
Os filmes finos foram preparados utilizando um conjunto de equipamento que
compotildee o spin coater (Laureal modelo WS- 400B-6NPPLITE) do Laboratoacuterio de
Dispositivo e Circuitos Integrados da UnB (LDCI) mostrado na figura 31
24
Figura 3 1 ndash (a)bomba de vaacutecuo (b) compressor de ar comprimido (c) vaacutelvula de
controle e (d) spin coater
O equipamento de spin coater consiste em um conjunto composto de bomba de
vaacutecuo compressor de ar comprimido regulador de pressatildeo e o spin coater que possui
compartimento feito de teflon Acoplado ao spin coater haacute um display de cristal liquido
(LCD) para visualizaccedilatildeo dos programas realizados
Tem-se ateacute 20 programas de processamentos (A ateacute T) contendo ateacute 51 etapas cada
um que podem ser armazenados definitivamente na memoacuteria caso haja possibilidade de
modificar o programa posteriormente Cada etapa do programa inclui tempo total de
duraccedilatildeo da deposiccedilatildeo velocidade de rotaccedilatildeo do substrato em rpm e
aceleraccedilatildeodesaceleraccedilatildeo Satildeo possiacuteveis rotaccedilotildees de ateacute 11000 rpm
Na figura 32 haacute uma foto mostrando a lateral e parte da frente do compartimento
onde o substrato eacute colocado no momento da centrifugaccedilatildeo Ao lado do spin coater pode ser
visualizado o display de LCD programaacutevel acoplado
25
Figura 3 2 ndash Equipamento de spin coater instalado no laboratoacuterio LDCI vista lateral e
frontal
323 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores (Curva IndashV)
As curvas IndashV das amostras foram obtidas com um sistema de caracterizaccedilatildeo de
semicondutores Keithley modelo 2400 mostrado na figura 33 o qual permite aplicar
tensotildees entre 1 μV e 1100 V e medir a corrente entre 10 pA e 105 A
Figura 3 3 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores Keithley 2400 laboratoacuterio
LDCI
26
Todo o processo de medidas eacute controlado atraveacutes de um microcomputador que eacute
conectado aos equipamentos atraveacutes de uma interface paralela (General Purpose Interface
Bus (GPIB) que controla os equipamentos coleta e armazena os dados O programa usado
para este fim eacute o software LABVIEW 61
324 ndash Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM)
A caracterizaccedilatildeo morfoloacutegica dos filmes das camadas ativas foi obtida em um
equipamento de medidas de microscopia de forccedila atocircmica AFM marca VEECO DInnova
(figura 34) com ponteira de nitrato de siliacutecio (forma em V) com constante de mola de
058 Nm Todas as imagens foram obtidas em modo contato (512 x 512 pixel) e taxa de
varredura de 1 Hz
Figura 3 4 ndash Vista frontal do AFM marca VEECO Innova
27
Os filmes caracterizados por AFM consistiram em camadas ativas feitas com
soluccedilotildees de PS puro PSOB 47 PMAM puro PMAMOB 35 P3HTOB puro e
P3HT PS OB 47 depositadas sobre substrato de vidro recoberto com FTO por spin
coating e com rotaccedilatildeo de 7000 rpm por 40 segundos
33 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS I
331 ndash Experimentos Etapa 1
Nesta etapa utilizou-se a metodologia adaptada a partir da descriccedilatildeo da montagem da
ceacutelula solar de Graumltzel [43] Essa ceacutelula eacute tambeacutem conhecida como ceacutelula solar de corante
Nessa ceacutelula a geraccedilatildeo de energia eacute produzida por um efeito eletroquiacutemico [44] Para cada
amostra foram usadas duas lacircminas de vidro tamanho 1 cm x 25 cm recoberto com FTO
Os substratos foram utilizados conforme retirados das embalagens ou seja natildeo passaram
por nenhum tipo de limpeza
3311 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo dos eletrodos
Para um dos eletrodos usou-se o grafite que foi obtido a partir de um laacutepis para
desenho HB No lado do substrato contendo o FTO pintou-se a lacircmina com o laacutepis Para o
outro eletrodo foi usado uma soluccedilatildeo PEDOT PSS As amostras foram confeccionadas
manualmente e as deposiccedilotildees foram feitas com pincel comum A soluccedilatildeo de PEDOT PSS
ficou agitando durante 2 horas antes da deposiccedilatildeo sobre o substrato a fim de obter-se uma
soluccedilatildeo mais homogecircnea Devido o filme de PEDOTPSS ser espesso o processo de
secagem a temperatura ambiente foi demorado Assim apoacutes a pintura se fez necessaacuterio a
secagem das amostras na estufa durante 8 horas a 80 ordmC e para concluir o processo
ficaram em temperatura ambiente por mais 24 horas
3312 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo da camada ativa
Antes de fazer a deposiccedilatildeo do filme da camada ativa de PSOB 8 a mistura foi
agitada durante 30 minutos com intuito de obter-se uma dissoluccedilatildeo completa da soluccedilatildeo
28
Sobre o eletrodo de PEDOTPSS foi depositada por casting uma quantidade da soluccedilatildeo de
PSOB 8
3313 ndash Formaccedilatildeo do dispositivo
Para formar o dispositivo as duas lacircminas de vidro foram juntadas uma com
grafite e a outra com PEDOTPSS e a camada ativa de PSOB 8 As duas foram juntadas
antes que a camada ativa estivesse seca de modo a ajudar na colagem das mesmas Para
garantir a uniatildeo fiacutesica das lacircminas foi usado um clipe conforme mostrado na figura 35 A
aacuterea ativa eacute da ordem de 1 cm2
Figura 3 5 ndash Amostras confeccionadas com duas lacircminas de substrato de vidro
recoberto com FTO baseada no modelo de Graumltzel
3314 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
A fonte de iluminaccedilatildeo utilizada na caracterizaccedilatildeo dos dados experimentais e
resultados I consistiu em uma lacircmpada incandescente comum de 100 W ligada em seacuterie
com um varivolt de 240 volts
Foram feitas quatro amostras (CS1 CS2 CS3 e CS4) da forma como descrito
acima As medidas eleacutetricas foram tomadas usando-se dois multiacutemetros um digital e outro
analoacutegico As amostras foram iluminadas com a lacircmpada incandescente de 100 W e foram
observados valores de ISC e VOC nos multiacutemetros a partir de uma tensatildeo de 240 volts na
lacircmpada Todas as amostras ficaram expostas durante aproximadamente 5 minutos Os
valores de ISC e VOC obtidos satildeo mostrados na tabela 31
29
Tabela 3 1 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W) Tensatildeo da
lacircmpada
CS1 mdash mdash mdash 240
CS2 03 09 027 240
CS3 06 05 030 240
CS4 02 01 020 240
3315 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Pode-se observar o aparecimento de VOC e tambeacutem de ISC em trecircs das amostras
confeccionadas com tensatildeo de alimentaccedilatildeo na fonte de iluminaccedilatildeo de 240 volts Os
valores de VOC e ISC satildeo um pouco diferentes entre as trecircs amostras apesar de elas terem
sido confeccionadas seguindo os mesmos procedimentos Isto pode ter sido devido agrave
dificuldade em se controlar a espessura das camadas ativas Os resultados obtidos para VOC
e ISC satildeo menores do que os reportados na literatura [4344] Contudo os materiais usados
satildeo diferentes dos relatados na literatura Neste dispositivo o OB estaacute se comportando
como um corante e promovendo o processo eletroquiacutemico de transformaccedilatildeo de energia
luminosa em energia eleacutetrica Assim uma mudanccedila na concentraccedilatildeo de oacuteleo poderaacute
modificar os resultados obtidos ateacute aqui
332 ndash Experimentos Etapa 2
3321 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras
Na segunda etapa foram confeccionadas quatro amostras (CS5 CS6 CS7 e CS8)
utilizando a mesma metodologia do experimento da Etapa 1 mudando apenas a
concentraccedilatildeo do OB de 8 para 47 No lugar do clipe para unir as duas lacircminas usou-se
fita adesiva
3322 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
As medidas das amostras foram realizadas usando os mesmos equipamentos jaacute
citados e descritos anteriormente Duas destas amostras natildeo tiveram medidas de ISC nem
30
VOC Para as demais soacute foram observadas medidas de VOC e ISC apoacutes a tensatildeo da lacircmpada
atingir 200 volts Todas as amostras ficaram expostas durante 5 minutos Os valores de ISC
e VOC obtidos satildeo mostrados na tabela 32
Tabela 3 2 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W) Tensatildeo da
lacircmpada
CS5 ndash ndash ndash 240
CS6 18 09 162 240
CS7 ndash ndash 240
CS8 09 03 027 240
3323 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Os valores de VOC e ISC obtidos nesta etapa satildeo maiores que os obtidos na Etapa1
Isto pode estar relacionado ao efeito corante do OB Nesta etapa mudou-se a concentraccedilatildeo
de 8 de OB para 47 de OB esse paracircmetro foi o uacutenico a ser mudado entre as duas
etapas Estas amostras bem como as da Etapa 1 natildeo puderam ter seus valores de VOC e ISC
medidos novamente porque as amostras descolavam os eletrodos danificando os
dispositivos Assim estas estruturas natildeo foram repetidas
333 ndash Experimentos Etapa 3
Nesta etapa mudou-se o tipo de substrato e a configuraccedilatildeo das amostras A
configuraccedilatildeo de construccedilatildeo baseada na estrutura dos dispositivos desenvolvidos por
Graumltzel natildeo foi mais usada O substrato de vidro foi substituiacutedo por um substrato de
plaacutestico de Poli (Tereftalato de Etila) (PET) a fim de desenvolver amostras flexiacuteveis e de
menor custo As camadas ativas tiveram a concentraccedilatildeo do OB de 47 O substrato de
PET foi limpo com clorofoacutermio acetona e aacutegua deionizada Apoacutes o processo de limpeza os
substratos foram secos a temperatura ambiente por 2 horas Para substituir a camada
condutora de FTO e construir um dos eletrodos utilizou-se leit-C e leit-C diluente
adquirido da FLUKA esses dois elementos produzem a pasta de carbono O PEDOTPSS
31
foi utilizado para formar um filme sobre o eletrodo de carbono E por uacuteltimo foi usada a
Ag para fazer o eletrodo superior
3331 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras
Com o substrato recortado no tamanho de 2 cm x 3 cm inicia-se o processo de
limpeza As folhas de PET foram imersas em clorofoacutermio durante 30 minutos em soluccedilatildeo
de acetona por mais 30 minutos e por ultimo foram enxaguadas com aacutegua deionizada O
processo de secagem foi realizado em temperatura ambiente dentro da estufa
A pasta de carbono foi preparada para ser o eletrodo inferior Essa foi espalhada
manualmente com ajuda de uma espaacutetula sobre toda a folha do PET Com o substrato
preparado e tendo a superfiacutecie recoberta com um filme de carbono jaacute seco a soluccedilatildeo de
PEDOT PSS foi pintada sobre o filme de carbono com um pincel de cerdas macias
comum Antes da deposiccedilatildeo a soluccedilatildeo de PEDOT PSS foi agitada durante 2 horas
Apoacutes a pintura do filme de PEDOTPSS as amostras foram colocadas na estufa agrave
temperatura de 50 degC durante 8 horas e permaneceram por mais 24 horas em temperatura
ambiente dentro da estufa A camada ativa foi depositada usando uma pipeta contendo 001
uL de PSOB 47 Para formar o contato inferior uma pequena parte do filme de
PEDOTPSS foi deixado visiacutevel
Apoacutes a deposiccedilatildeo da camada ativa as amostras ficaram em temperatura ambiente
por 24 horas para concluir o processo de secagem O eletrodo superior foi pintado com
tinta de Ag sobre uma pequena aacuterea da camada ativa A secagem do eletrodo superior foi
em temperatura ambiente A aacuterea ativa destas amostras eacute da ordem de 05 cm2 A figura 36
a) mostra o esquema final da amostra e a figura 36 b) uma foto do dispositivo finalizado
Figura 3 6 ndash (a) Esquema da amostra confeccionada no substrato flexiacutevel de plaacutestico
(PET) (b) foto do substrato finalizado
32
3332 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
Nesta etapa foram confeccionadas cinco amostras chamadas de P1 P2 P3 P4 e
P5 As medidas eleacutetricas foram realizadas usando os equipamentos jaacute descritos nas etapas
anteriores Os valores de VOC e ISC foram medidos apoacutes a tensatildeo da lacircmpada atingir 200
volts Todas as amostras ficaram expostas sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada durante cinco
minutos As amostras tiveram as resistecircncias medidas Pois os substratos utilizados aqui
eram isolantes e o filme condutor foi construiacutedo manualmente As resistecircncias das
amostras satildeo mostradas na tabela 33 juntamente com os valores de ISC VOC e potecircncia
calculada
Todas as amostras apresentaram valores de VOC e ISC para tensatildeo de iluminaccedilatildeo da
lacircmpada acima de 220 volts exceto a amostra P4 A amostra P4 mostrou valores
mensuraacuteveis de VOC e ISC a partir de iluminaccedilatildeo da lacircmpada com tensatildeo de 110 volts Os
valores desta variaccedilatildeo satildeo mostrados na tabela 34
Tabela 3 3 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (W) Tensatildeo da
Lacircmpada
Resistecircncia
Ohms
P1 ndash ndash ndash 240 540
P2 09 01 09 240 890
P3 15 07 105 240 550
P4 09 06 054 240 1500
2000 P5 24 09 216 240
Tabela 3 4 ndash Valores medidos de VOC e ISC com iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W para variaccedilatildeo de iluminaccedilatildeo para a amostra P4
Variaccedilatildeo das tensotildees VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W)
110 04 01 04
160 06 02 012
220 07 03 021
240 09 06 054
33
3333 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Na tabela 33 natildeo foi observada nenhuma ligaccedilatildeo direta dos valores de ISC e VOC
com as resistecircncias medidas das amostras Em relaccedilatildeo agraves amostras feitas nas Etapas 1 e 2
pode-se notar valores de ISC e VOC maiores
Foi observado que em todas as amostras confeccionadas no substrato de PET apoacutes
alguns minutos de aquecimento pela fonte de luz (lacircmpada de 100 w) as amostras se
deformavam Agrave medida que os testes eram repetidos as amostras se retorciam e em
algumas amostras os filmes ressecaram e se soltaram dos substratos Apesar destes
comportamentos ao se repetir os testes os valores de VOC e ISC permaneciam inalterados
para as amostras que os filmes natildeo estavam completamente rompidos A figura 37
apresenta a foto de uma amostra apoacutes ser submetida agrave fonte iluminaccedilatildeo de lacircmpada
incandescente de 100 W por 20 minutos Devido aacute sua deformaccedilatildeo e degradaccedilatildeo com o
calor este tipo de substrato foi descartada
Figura 3 7 ndash Amostra feita com substrato de PET apoacutes ser submetidos agrave fonte de lacircmpada
incandescente de 100 W por 20 minutos
334 ndash Experimentos Etapa 4
Devido ao retorcimento e agrave deterioraccedilatildeo das amostras confeccionadas com
substrato de PET nesta etapa voltou-se a utilizar o substrato de vidro recoberto com FTO
A prata foi usada para construir o eletrodo superior das amostras Para a camada ativa
continuou-se com uso do PSOB 47 Seguindo o mesmo esquema utilizado anteriormente
34
para confecccedilatildeo das amostras de PET mudou-se apenas o substrato O esquema do
dispositivo pode ser visto na figura 38
3341 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras
As resistecircncias dos substratos de vidro de 1 cm x 25 cm estatildeo entre 89 a 115 Ω
Os substratos foram limpos com clorofoacutermio acetona e aacutegua deionizada
Apoacutes o processo de limpeza todos os substratos foram secos a temperatura
ambiente por 2 horas
O eletrodo de PEDOTPSS foi pintado sobre o filme de FTO do substrato Em
seguida as amostras foram colocadas na estufa a 80 degC durante 24 horas
Apoacutes a secagem da camada de PEDOTPSS foi realizada a deposiccedilatildeo da camada
ativa com o auxilio de uma pipeta contendo 001 ml de soluccedilatildeo de PSOB 47 O
processo de secagem foi em temperatura ambiente por 24 horas
Por uacuteltimo foi feito o contato superior de tinta de Ag sobre a camada ativa de PS
OB 47 utilizando um pincel fino de cerdas comuns A aacuterea ativa foi estimada e ficou em
torno de 025 cm2 A figura 38 a) mostra o esquema que foi usado para confeccionar as
amostras e a figura 38 b) ilustra a amostra finalizada
Figura 3 8 ndash (a) Esquema da amostra para substrato de vidro recoberto com FTO (b) foto
da amostra finalizada
3342 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
Nesta etapa foram confeccionadas 10 amostras que foram nomeadas de v1 v2 v3
v4 v5 v6 v7 v8 v9 e v10 A tabela 35 mostra os valores daquelas que apresentaram
melhores desempenhos de VOC e ISC As medidas eleacutetricas foram realizadas usando os
equipamentos jaacute descritos nas etapas anteriores As medidas obtidas satildeo inferiores agravequelas
jaacute conseguidas nos itens anteriores Valores de VOC e ISC significativos ocorreram apoacutes a
tensatildeo da lacircmpada atingir 220 volts Todas as amostras ficaram expostas sob a luz da
lacircmpada durante 10 minutos As amostras foram iluminadas atraveacutes do vidroFTO
35
Tabela 3 5 ndash Valores de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo de lacircmpada incandescente de 100 W
durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W) Tensatildeo lacircmpada
v3 06 02 012 240
v5 05 01 050 240
v7 11 09 099 240
3343 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Apesar das amostras terem sido feitas seguindo os mesmos procedimentos os
valores de VOC e ISC obtidos satildeo diferentes Isto pode ter ocorrido devido agraves diferenccedilas nas
espessuras das camadas ativas que natildeo puderam ser controladas e tambeacutem no tamanho das
aacutereas ativas que podem ser levemente diferentes Aqui natildeo se pode falar em comparaccedilatildeo
com as outras amostras feitas anteriormente porque a aacuterea da camada ativa foi bastante
reduzida e as estruturas satildeo diferenciadas Desta forma os valores obtidos mesmo
menores ainda satildeo vaacutelidos
34 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS II
341 ndash Misturas usando P3HT
Nesta etapa foi proposto um estudo sobre diferentes misturas para a construccedilatildeo das
camadas ativas sempre incorporando o uso do OB Tipos de camadas ativas utilizadas
PSOB 47 P3HT+OB puro e PSOB 47 + P3HT
Para os trecircs tipos de dispositivos aqui investigados foi usado substrato de vidro
recoberto com FTO sobre o qual foi depositado por spin coating um filme de
PEDOTPSS que serviu como eletrodo inferior As camadas ativas foram depositadas
sobre o eletrodo de PEDOTPSS usando a teacutecnica de spin coating O eletrodo superior foi
pintado com tinta condutiva de Ag A figura 38 mostra o esquema do dispositivo que foi
utilizado para a confecccedilatildeo destas amostras
Para as medidas diretas de VOC e ISC foram usados dois tipos de iluminaccedilatildeo
artificial com lacircmpada de mercuacuterio Spektrallamp 80 W e iluminaccedilatildeo natural solar
36
342 ndash Experimentos Etapa 1
Nas etapas anteriores os filmes das amostras foram produzidos manualmente por
casting mas os resultados obtidos nas medidas iniciais natildeo foram satisfatoacuterios A fim de
buscar melhores resultados e tendo jaacute disponiacutevel no laboratoacuterio o equipamento de spin
coater para produzir filmes mais finos e homogecircneos a metodologia de confecccedilatildeo dos
filmes foi mudada Os filmes finos foram preparados em rotaccedilotildees variadas a fim de se
obter um filme adequado
3421 ndash Preparaccedilatildeo dos filmes por spin coater
Para preparar o primeiro grupo de amostras usaram-se substratos de vidro
recobertos com FTO Todos os substratos foram lavados em aacutegua deionizada e colocados
em estufa a 80degC para secar Para fazer o filme de PEDOTPSS inicialmente foi usada
rotaccedilatildeo de 500 rpm durante 25 segundos para espalhar a soluccedilatildeo uniformemente em todo
o substrato em seguida usou-se uma rotaccedilatildeo de 3000 rpm durante 40 segundos para
finalizar a confecccedilatildeo do filme
O filme de PEDOTPSS obtido dessa forma ficou bastante fino de modo que a
amostra saia do spin coater quase seca A fim de eliminar-se qualquer vestiacutegio do
solvente que no caso do PEDOT PSS usou-se agrave aacutegua as amostras foram colocadas na
estufa em temperatura de 50 degC por 1 hora Antes de depositar a camada ativa uma parte
do filme de PEDOTPSS foi protegido com fita onde foi construiacutedo o eletrodo inferior
Foram preparados trecircs tipos de soluccedilotildees para formar a camada ativa A primeira foi
uma soluccedilatildeo jaacute preparada de PS OB 47 no LABPOL do instituto de Quiacutemica UnB [41]
A segunda uma mistura de PS OB 47 mais o P3HT na proporccedilatildeo de 11 e a terceira foi
uma soluccedilatildeo de 1 ml de P3HT com 001 ml de OB puro As trecircs soluccedilotildees foram agitadas
durante 2 horas antes de serem depositadas por spin coating Os filmes da camada ativa
foram feitos com rotaccedilatildeo de 4000 rpm durante 40 segundos
Como o clorofoacutermio eacute um solvente que tem evaporaccedilatildeo raacutepida a deposiccedilatildeo da
camada ativa foi feita com o substrato jaacute girando no spin coater A deposiccedilatildeo foi realizada
com ajuda de uma pipeta As secagens das camadas ativas foram em temperatura ambiente
dentro da estufa para proteger as amostras de impurezas tais como poeira e contaminaccedilotildees
em geral
37
Por fim foi pintado no topo das amostras o eletrodo de Ag Foram construiacutedas duas
geometrias para se observar a influecircncia na quantidade de cargas coletadas e tambeacutem a
influecircncia do tamanho da aacuterea ativa As geometrias satildeo mostradas nas figuras 39 (a) e 39
(b)
Figura 3 9 ndash (a) Geometria do eletrodo de Ag confeccionado em forma de ponto e (b)
geometria do eletrodo de Ag feito em forma de trilhas
3422 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W
A fonte de iluminaccedilatildeo utilizada na caracterizaccedilatildeo dos dados experimentais e
resultados II consistiu em uma lacircmpada Hg spektrallamp de 80 W ligada a uma fonte de
alimentaccedilatildeo DROSSEL FUumlR SPEKTRALLAMP POWER SUPPLY FOR SPECTRAL
LAMPS
As medidas eleacutetricas das amostras foram realizadas usando os mesmos
equipamentos jaacute citados nos dados experimentais e resultados I
Cada amostra ficou exposta agrave radiaccedilatildeo direta da lacircmpada de Hg aproximadamente
por 5 minutos Para estas medidas natildeo foram considerados interferecircncia acircngulo de
inclinaccedilatildeo da amostra ou da lacircmpada Os valores de VOC e ISC obtidos para os dois tipos de
contatos para as geometrias desenhadas em forma de ponto e em trilha satildeo mostrados nas
tabelas 36 e 37 respectivamente
38
Tabela 3 6 ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito com um ponto de
prata Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PSOB 47 02 001 2
OB puroP3HT 06 002 12
PSOB 47P3HT 06 002 12
Tabela 3 7ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito de prata em forma de
trilhas com concentraccedilatildeo em um ponto Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PSOB 47 12 006 72
OB puroP3HT 11 005 55
PSOB 47P3HT 11 005 55
3423 ndash Caracterizaccedilatildeo com luz solar direta
As amostras com geometria de contato em forma de trilhas foram escolhidas para
serem caracterizadas pela luz solar direta Pois este grupo de amostra apresentou melhores
desempenhos quando submetidas agrave luz da lacircmpada espectral de Hg em relaccedilatildeo agraves amostras
confeccionadas com eletrodos em forma de ponto As medidas foram realizadas em dia de
sol intenso nos horaacuterios entre onze horas e doze horas Para realizar estas medidas foi
utilizada uma lente convergente [45] Isso foi feito para concentrar os raios solares sobre as
amostras Todas as amostras deste grupo ficaram expostas por aproximadamente 5 minutos
cada Os resultados satildeo mostrados na tabela 38
Tabela 3 8 ndash Resultados obtidos das medidas de VOC e ISC usando luz solar direta durante
5 minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PSOB 47 22 002 44
OB puroP3HT 18 002 36
PSOB 47P3HT 17 001 17
39
3423 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Para as amostras com contato de prata com a geometria desenhada em forma de
trilhas foram observados valores de VOC e ISC maiores do que aqueles com contato de
prata desenhado em forma de ponto Isto indica que realmente a geometria das trilhas
favorece a coleta das cargas geradas Neste caso tambeacutem existe uma aacuterea ativa maior o
que contribuiu para uma maior absorccedilatildeo da luz e consequumlentemente um aumento na
quantidade de cargas
As amostras com a camada ativa de PSOB 47 mostraram VOC e ISC superiores agraves
outras que continham a mistura do P3HT em sua camada ativa
Quando as amostras foram submetidas agrave luz solar direta houve um aumento
significativo de VOC contudo tivemos valores de ISC reduzidos em relaccedilatildeo aos valores
obtidos com a iluminaccedilatildeo da lacircmpada Hg Isto pode ser devido ao calor gerado pelo sol
que promoveu um espalhamento das cargas Pode-se notar que a potecircncia fornecida
tambeacutem diminuiu quando a luz solar foi usada como fonte de luz para caracterizaccedilatildeo das
amostras
343 ndash Experimentos Etapa 2
Para fazer uma investigaccedilatildeo em funccedilatildeo da espessura da camada ativa foram
confeccionadas novas amostras Continuou-se o uso dos trecircs tipos de soluccedilotildees para as
camadas ativas PSOB 47 OB puro+P3HT e PSOB 47 +P3HT Com a teacutecnica de
spin coating quanto maior a velocidade de rotaccedilatildeo menores satildeo as espessuras dos filmes
Para se obter filmes com espessuras adequadas os seguintes paracircmetros devem ser
observados viscosidade da soluccedilatildeo velocidade de rotaccedilatildeo e tempo de rotaccedilatildeo
3431 ndash Preparando novas amostras
Nesta etapa utilizou-se apenas rotaccedilatildeo de 3000 rpm para confeccionar o filme de
PEDOTPSS A deposiccedilatildeo foi feita com o auxiacutelio de uma conta gotas sendo que para cada
filme foram usadas duas pequenas gotas (001ml) Essa quantidade de soluccedilatildeo foi
suficiente para conseguir um espalhamento satisfatoacuterio e obter um filme fino e uniforme
Depois da deposiccedilatildeo os substratos satildeo colocados na estufa a 100 degC durante 15 minutos
para concluir o processo de secagem
40
Os trecircs tipos de camadas ativas foram preparadas seguindo o procedimento citado
na etapa 1 dos dados experimentais e resultados II Para esse grupo de amostra foi usado
um programa para o espalhamento do filme da camada ativa com uma rotaccedilatildeo fixa de 6000
rpm durante 25 segundos
Para depositar a mistura da camada ativa usou-se uma pipeta com 01 ml de
soluccedilatildeo Primeiramente depositou-se a mistura e em seguida colocou-se o spin coater
para girar atraveacutes do programa de rotaccedilatildeo previamente programado Esse procedimento
garante a uniformidade do filme As amostras foram levadas para a estufa a 100 degC por 20
minutos
O eletrodo superior foi pintado agrave matildeo O esquema usado para a confecccedilatildeo dos
dispositivos e a foto de uma amostra satildeo mostrados na figura 310 As amostras foram
confeccionadas seguindo o esquema mostrado na figura 310 (b) Todas as amostras deste
grupo tiveram um desenho semelhante ao da foto da figura 310 (a) Pois existem
variaccedilotildees nas espessuras dos contatos de Ag pois foram feitos a matildeo livre e sem muito
controle Isso pode ser um problema pois este eleacutetrodo pode aumentar a resistecircncia da
amostra fazendo diminuir as correntes coletadas das cargas geradas pelo dispositivo
Figura 3 10 ndash (a) Foto da amostra (b) Estruturas das camadas dos dispositivos das
novas amostras
41
3431 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W
Usou-se para este grupo de amostras os mesmos procedimentos de caracterizaccedilotildees
para as medidas de o VOC e ISC descrito na etapa 1 dos dados experimentais e resultados II
Para cada medida as amostras ficaram expostas sob o feixe de luz da lacircmpada de Hg que
foi focalizada diretamente na aacuterea ativa por aproximadamente cinco minutos
A aacuterea ativa foi estimada em torno de 05 cmsup2 Foram confeccionadas nove
amostras e os valores de VOC e ISC das amostras que apresentaram melhores desempenhos
satildeo apresentadas na tabela 39
Tabela 3 9 ndash Medidas de VOC e ISC para amostras iluminadas pela lacircmpada Hg 80 W
aproximadamente cinco minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) P (nW)
PS OB 47 21 009 189
OBP3HT 18 002 36
PSOB 47P3HT 17 001 17
3433 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar direta
O mesmo grupo de amostras foi exposto sob luz solar direta em horaacuterio de sol
intenso entre onze horas e doze horas Todas as amostras tiveram um tempo de exposiccedilatildeo
de aproximadamente cinco minutos Os valores de VOC e ISC medidos podem ser vistos na
tabela 310 Nestes experimentos a lente convergente tambeacutem foi utilizada Poreacutem natildeo
foram observados acircngulos de incidecircncia e nem mudanccedila da irradiaccedilatildeo solar As medidas de
VOC e ISC foram realizadas em dia de sol forte e sempre no mesmo horaacuterio A figura 311
mostra como as medidas foram realizadas Para concentrar os raios solares usou-se uma
lente de aumento As medidas foram aferidas com uso de multiacutemetro digital descrito
anteriormente com cabos e garras de jacareacute comuns
42
Figura 3 11 ndash Ilustraccedilatildeo do experimento realizado com uma amostra tendo o contato
desenhado com a geometria em forma de trilhas camada ativa de PS OB 47
Para manter um padratildeo para todas as medidas a distacircncia entre a lente e a amostra
foram padronizadas a fim de que a intensidade de luz solar concentrada sobre cada
dispositivo fosse aproximadamente agrave mesma
Tabela 3 10 ndash Valores de VOC e ISC para amostras iluminada sob luz solar direta expostas
durante cinco minutos cada
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PS OB 47 62 009 558
OBP3HT 33 003 99
PSOB 47P3HT 25 002 50
3434 ndash Curva caracteriacutestica de corrente versus tensatildeo aplicada (IndashV)
A partir desta etapa as caracterizaccedilotildees eleacutetricas dos dispositivos tambeacutem foram
realizadas atraveacutes das medidas das curvas IndashV As medidas foram realizadas no escuro e
sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio Para estes experimentos foram usados os trecircs tipos de
camadas ativas jaacute mencionadas para confeccionar os dispositivos
Os experimentos das medidas foram realizados em sala com temperatura e pressatildeo
atmosferica ambiente e iluminaccedilatildeo de lacircmpadas comuns Tambeacutem foram realizados testes
43
usando a lacircmpada de Hg iluminando diretamente a parte superior da amostra Contudo
natildeo foram observadas mudanccedilas significativas nas medidas para este grupo de amostras
Figura 3 12 ndash Ilustraccedilatildeo da polarizaccedilatildeo direta para amostras com P3HT e gota de
PEDOTPSS para medidas das curvas (IndashV)
Para evitar que a agulha perfurasse o filme fino de PEDOTPSS e atingisse o filme
de FTO uma gota mais espessa de PEDOTPSS foi colocada sobre o filme no ponto onde
a agulha fazia o contato conforme mostra a figura 312
As amostras foram submetidas a uma tensatildeo que variou de um valor maacuteximo a um
valor miacutenimo com passo conhecido e constante de 002 Com os dados coletados nesse
experimento os graacuteficos de corrente versus tensatildeo aplicada foram gerados Este graacutefico eacute
conhecido como curva caracteriacutestica do dispositivo Os resultados obtidos satildeo mostrados
nas figuras 313 314 e 315 foram obtidas sob iluminaccedilatildeo comum do laboratorio LDCI
A figura 313 mostra a curva caracteriacutestica do dispositivo com a camada ativa de
PSOB 47 A iluminaccedilatildeo foi realizada com a lacircmpada do equipamento Keither 2400 e
iluminaccedilatildeo ambiente do laboratoacuterio LDCI (ambas satildeo luz branca) Para polarizaccedilatildeo direta
de -2 a 2 V foram observados valores de VOC de 09 volts enquanto que a corrente de 003
A foi negativa
A figura 314 mostra a curva IndashV para amostra com camada ativa usando
P3HT+OB puro Para essa amostra os valores de VOC = 002 V e ISC 0013 A foram
obtidos
A figura 315 mostra a curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PSOB
47 +P3HT Os valores de VOC = 11 V e ISC 00124 A foram observados neste graacutefico
44
Figura 3 13 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47 Corrente e
tensatildeo observadas 003 uA e 09 Volts respectivamente
Figura 3 14 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de OB puro + P3HT Corrente
e tensatildeo observadas 0013 uA e 002 Volts respectivamente
45
Figura 3 15 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47+P3HT
Corrente e tensatildeo observadas 0012 uA e 11 volts respectivamente
3435 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Aqui jaacute eacute possiacutevel notar um progresso nas medidas em relaccedilatildeo agraves amostras das
etapas anteriores que possuiacuteam camada ativa mais espessa Os valores de VOC e ISC obtidos
com o multiacutemetro digital foram maiores para os dois tipos de iluminaccedilotildees lacircmpada Hg e
luz solar Estes resultados podem ser observados nas tabelas 39 e 310 Os resultados
mostram que o comportamento das amostras com camada ativa de PSOB 47
apresentaram melhores resultados Nota-se que a potecircncia fornecida pelas amostras
iluminadas pela luz solar natural eacute significantemente maior que quando iluminadas pela
lacircmpada de Hg
Nas amostras confeccionadas com blenda de OB puro+P3HT e PSOB 47
+P3HT foram observados resultados semelhantes tanto para VOC quanto para ISC
As trecircs amostras apresentaram comportamento distinto sendo que a amostra com
camada ativa feita com o PSOB 47 o resultado eacute mais parecido com o efeito
fotovoltaico e por isso eacute mais relevante
46
Para as proacutexinas amostras natildeo seraacute mais empregado o uso do P3HT Pois como foi
mostrado nos resultados seu uso natildeo favoreceu melhoras nas medidas Apesar dos
resultados apresentados e conseguidos ateacute aqui serem pequenos ainda assim podem ser
considerados satisfatoacuterios e promissores Pois se trabalhou com materiais novos e estaacute
empregando poliacutemeros isolantes de baixo custo usando oacuteleo vegetal como dopante
Reforccedilando a motivaccedilatildeo para o uso destes materiais no desenvolvimento em dispositivos
fotovoltaicos orgacircnicos
35 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS III
351 ndash Experimentos Etapa 1
Nesta etapa as pesquisas foram centralizadas em misturas de poliacutemeros isolantes
dopados com OB Aleacutem da mistura do PS com OB estudado anteriormente tambeacutem foi
incorporado agrave pesquisa a mistura do PMAM com OB Estudos recentes de Duratildees et al [8]
sobre a absorccedilatildeo de luz destes materiais na faixa de ultravioleta e luz visiacutevel mostraram
que quando o OB eacute adicionado agraves matrizes de PS e de PMAM um aumento significante
na absorccedilatildeo da luz eacute observado
As amostras dos dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos consistiram em camada ativa
contendo PS puro PS com 47 OB PMAM puro e PMAM com 35 de OB
As amostras foram ensanduichadas entre dois eletrodos PEDOT PSS e Ag A
caracterizaccedilatildeo eleacutetrica para as medidas de VOC e ISC foi realizada com a iluminaccedilatildeo da
lacircmpada de Hg 80 W e luz solar As curvas IndashV foram mensuradas usando um sistema de
caracterizaccedilatildeo de semicondutores Keithey 2400
3511 ndash Confecccedilatildeo das amostras usando PS e PMAM 1ordm grupo
Os dispositivos foram preparados sobre um substrato de vidro recoberto com
camada de FTO a resistecircncia da lacircmina eacute de aproximadamente 41-60 Ω
Os filmes de PEDOT PSS foram confeccionados com rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante
25 segundos e secos em estufa a 80 degC por 15 minutos Apoacutes os filmes das camadas ativas
das amostras serem feitos usando rotaccedilatildeo de 5000 rpm por 40 segundos foram secos em
estufa a 100 Cdeg por 15 minutos
47
Por fim foi usada a tinta de Ag para fazer o eletrodo superior Esse eletrodo foi
pintado com pincel comum de cerdas finas O contato superior foi pintado em forma de
linhas sobre o filme da camada ativa conforme mostrado na Figura 310
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo usando lacircmpada de Hg 80 W
As mesmas formas descritas anteriormente de caracterizaccedilatildeo foram utilizadas aqui
para fazer as medidas de VOC e ISC Os resultados obtidos com iluminaccedilatildeo da lacircmpada de
Hg durante cinco minutos de exposiccedilatildeo para o 1ordm grupo de amostra satildeo mostrados na
tabela 311
Tabela 3 11 ndash Resultados das medidas de ISC e VOC das amostras do 1ordm grupo sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpada durante 05 minutos de exposiccedilatildeo
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W)
PS puro 02 000 00
PSOB 47 08 003 0024
PMAM puro 02 000 00
PMAMOB 35 06 002 0012
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar
Foram usados os mesmos procedimentos e instrumentos descritos anteriormente
para obter as medidas de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo de luz solar direta usando-se lentes
convergentes durante cinco minutos de exposiccedilatildeo A tabela 312 mostra os valores
obtidos
Tabela 3 12 ndash Resultados para ISC e VOC sob iluminaccedilatildeo luz solar por aproximadamente
05 minutos de exposiccedilatildeo
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W)
PS puro 11 001 0011
PSOB 47 39 006 0234
PMAM puro 09 002 0018
PMAMOB 35 27 004 0108
48
3512 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Como pode ser visto nas tabelas 311 e 312 os valores de VOC e ISC para as
amostras contendo PS puro e PMAM puro mostraram desempenhos inferiores que aquelas
com adiccedilatildeo do OB Nas caracterizaccedilotildees sob luz solar os desempenhos das amostras foram
superiores quando comparados com os valores obtidos sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada de Ag
Apesar da amostra com camada ativa da mistura de PMAMOB 35 ter mostrado valores
mais baixos quando comparados agrave amostras contendo camada ativa com a mistura de
PSOB 47 ela ainda tem valores superiores agravequeles mostrados quando a camada ativa
era composta por misturas de PSOB 47 +P3HT
352 ndash Experimentos Fase 2
3521 ndash Confecccedilatildeo das amostras do 2ordm grupo
Para o 2ordm grupo de amostras foram confeccionadas quinze unidades sendo que
foram reproduzidas mais de uma amostra para cada tipo de camada ativa Isto foi feito para
observar a reprodutibilidade das amostras e a repetibilidade das medidas As amostras
foram nomeadas de A5 a A19 Todas as amostras seguiram os mesmos criteacuterios de
confecccedilatildeo jaacute mencionados anteriormente Para este grupo foi usada uma rotaccedilatildeo maior no
spin coater
Para fazer o filme de PEDOTPSS foi usada uma rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante
trinta segundos Para a deposiccedilatildeo da camada ativa foi usada uma rotaccedilatildeo de 6000 rpm
durante sessenta segundos Neste caso as amostras foram secas em temperatura ambiente
Este conjunto de amostras deve possuir filmes mais finos que os filmes das amostras
anteriores devido ao aumento da rotaccedilatildeo do spin coater durante a deposiccedilatildeo
Para medir a aacuterea ativa com mais precisatildeo para este grupo de amostras os contatos
superiores de Ag foram desenhados em apenas um ponto A confecccedilatildeo dos dispositivos
seguiu a configuraccedilatildeo das camadas e a geometria do eletrodo de Ag conforme o esquema
mostrado na figura 316 O contato de prata foi pintado em forma de retacircngulo que
representa a aacuterea ativa e ficou em torno de 010cm2
49
Figura 3 16 ndash Estruturas das camadas e do contato de Ag dos dispositivos fotovoltaicos
orgacircnicos usado para o 2 ordm grupo de amostras
3522 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar
Este grupo de amostras foi submetido somente agrave caracterizaccedilatildeo de luz solar direta
As medidas foram realizadas em dias diferentes a fim de observar a repetibilidade das
medidas dos dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos confeccionados
Os dados da tabela 313 mostram medidas de VOC e ISC realizadas entre dez e onze
horas da manhatilde sob sol intenso e usando lentes convergentes Para estas amostras o
tempo de exposiccedilatildeo foi de aproximadamente dez minutos Com tempo de exposiccedilatildeo
maior e usando lentes convergentes as amostras A5 A6 A7 e A8 se aqueceram muito e
se danificaram Contudo valores de VOC obtidos foram bem superiores
Foram realizadas medidas em dois dias usando as amostras A9 A10 A11 A13
A14 A15 A16 A17 A18 e A19 para observar a repetibilidades das medidas As tabelas
14 e 15 mostram medidas de VOC e ISC realizadas nos dias 12052009 e 18052009
respectivamente entre dez e onze horas da manhatilde sob sol forte e usando lentes
convergentes para concentrar os raios solares na camada ativa da amostra
Tabela 3 13 ndash Medidas realizadas para as amostras A5 A6 A7 sob iluminaccedilatildeo solar
direta durante 10 minutos
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W) Amostra
PS puro 18 004 0072 A5
PS OB 47 49 008 0392 A6
PMAM puro 11 001 0011 A7
PMAMOB 35 48 005 024 A8
50
Tabela 3 14 ndash Medidas realizadas no dia 12052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W) Amostra
PS OB 47 11 003 0033 A9
PS puro 08 0 0 A10
PS puro 1 001 001 A11
PS OB 47 19 003 0057 A13
PS OB 47 11 003 0033 A14
PS OB 47 12 002 0024 A15
PMAM puro 09 001 0009 A16
PMAM puro 07 001 0007 A17
PMAMOB 35 11 001 0011 A18
PMAMOB 35 14 005 007 A19
Tabela 3 15 ndash Medidas realizadas no dia 18052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W) Amostra
PS OB 47 12 004 0048 A9
PS puro 06 01 006 A10
PS puro 08 001 008 A11
PS OB 47 21 004 0084 A13
PS OB 47 15 003 0045 A14
PS OB 47 10 002 002 A15
PMAM puro 07 001 00007 A16
PMAM puro 08 001 00008 A17
PMAMOB 35 12 003 0036 A18
PMAMOB 35 13 005 0065 A19
3523 ndash Curva caracteriacutestica corrente versus tensatildeo (IndashV)
Foram realizadas medidas das curvas IndashV usando o sistema de caracterizaccedilatildeo de
semicondutores Os procedimentos adotados foram descritos anteriormente Para estas
amostras foram usadas quatro tipos de camada ativa PS puro PSOB 47 PMAM puro e
51
PMAMOB 35 As medidas das curvas IndashV foram realizadas no escuro e sob iluminaccedilatildeo
natural do laboratoacuterio LDCI
Natildeo foram observadas grandes influecircncias sobre o efeito da iluminaccedilatildeo nas
amostras pois as curvas IndashV obtidas no escuro e no claro apresentaram valores parecidos
para VOC e ISC
Para a camada ativa confeccionada com o poliacutemero PS puro (figura 317) a curva
IndashV realizada no escuro e no ambiente iluminado mostra uma superposiccedilatildeo das curvas
O dispositivo com camada ativa feita de PSOB 47 mostrada na (figura 318)
natildeo se observa diferenccedila significativa nas curvas obtidas no escuro e com iluminaccedilatildeo do
laboratoacuterio O mesmo pode ser observado na (figura 319) onde a camada ativa eacute feita de
PMAM puro Contudo observou-se uma leve diferenccedila nas curvas mostradas na (figura
320) para a amostra confeccionada com camada ativa da mistura de PMAMOB 35
Onde houve um pequeno deslocamento para a corrente
Figura 3 17 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PS puro No escuro e sob
iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
52
Figura 3 18 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PSOB 47 No escuro e
sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
Figura 3 19 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAM puro No escuro
e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
53
Figura 3 20 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAMOB 35 No
escuro e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
3524 ndash Medida de espessura
As espessuras dos filmes foram medidas usando um Perfilocircmetro Dektak 150
VEECO Os filmes de PEDOTPSS depositados pela teacutecnica de spin coating usando
rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante quarenta segundos apresentaram espessuras na ordem de 180
nanocircmetros
Os procedimentos para medir as espessuras consistiram em medir vales e
superfiacutecie Para realizar as medidas dos filmes um risco foi feito usando a ponta de um
estilete conforme mostra a figura 321 O risco foi percorrido com a ponta do perfilocircmetro
com distacircncia de 500 m no sentido transversal Para obter a espessura do filme mede-se
entatildeo a diferenccedila de altura entre um ponto de referecircncia R fundo do vale e M superfiacutecie do
filme conforme mostrado na figura 322 Os procedimentos foram realizados em trecircs
diferentes regiotildees da amostra onde foi obtido um valor meacutedio da espessura do filme
54
Figura 3 21 ndash Risco feito no filme da amostra onde a ponta do perfilocircmetro executou a
varredura
Figura 3 22 ndash Medindo a diferenccedila da altura entre os cursores (R - reference) e (M -
measurement) para determinar a espessura do filme
Todos os quatro tipos de filmes usados para formar as camadas ativas dos
dispositivos que foram depositados por spin coating tiveram suas espessuras medidas Para
cada amostra foram feitos trecircs riscos em pontos alternados a fim de se verificar a
uniformidade na espessura Os riscos seguiram o exemplo ilustrado na figura 321 Os
resultados das trecircs medidas e o seu valor meacutedio para cada filme satildeo mostrados nas tabelas
316 e 317
A tabela 316 mostra os resultados das medidas de espessuras de filmes depositados
com rotaccedilatildeo de 5000 rpm durante 60 segundos A tabela 317 mostra os valores das
afericcedilotildees das espessuras para os filmes depositados com rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante 60
segundos Pode-se observar que os filmes feitos com rotaccedilotildees maiores apresentaram
valores de espessuras menores Tambeacutem eacute observado que a adiccedilatildeo do OB nas matrizes
polimeacutericas isolantes tende a camadas mais espessas mesmo para um mesmo valor de
rotaccedilatildeo quando comparada com os filmes sem o OB
55
Tabela 3 16 ndash Medida dos pontos e a media medida dos filmes das camadas ativas feitos
com rotaccedilatildeo de 5000 rpm Valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M
Camada ativa 1deg Ponto (nm) 2deg Ponto (nm) 3deg Ponto (nm) Meacutedia (nm)
PS puro 194 202 189 195
PS OB 47 283 305 296 2946
PMAM puro 127 90 105 1073
PMAM OB 35 235 269 259 2543
Tabela 3 17 ndash Medida dos pontos e a media dos filmes das camadas ativas feitos com
rotaccedilatildeo de 6000 rpm O valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M
Camada ativa 1deg ponto (nm) 2deg ponto (nm) 3deg ponto (nm) Meacutedia (nm)
PS puro 126 130 128 128
PS OB 47 221 218 208 2156
PMMA puro 76 113 97 953
PMMA OB 35 196 163 180 1796
3524 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Pode-se observar nestas medidas que as amostras contendo misturas de PSOB
47 em sua camada ativa mostraram resultados melhores que as outras amostras
analisadas Tambeacutem foi comprovado que as amostras podem ser reproduzidas sendo que
suas medidas foram repedidas As amostras que foram feitas em duplicatas ou triplicadas
possuem valores de VOC e ISC muito parecidos confirmando assim a reprodutibilidade na
sua fabricaccedilatildeo Atraveacutes das tabelas 314 e 315 pode ser observado que os valores obtidos
satildeo repetidos em dias diferentes mesmo assim natildeo ocorreram diminuiccedilotildees nos valores
medidos de VOC e ISC
Para as curvas IndashV coletadas no laboratoacuterio no escuro e sob iluminaccedilatildeo ambiente
para os dispositivos com camadas ativas com misturas das matrizes polimeacutericas de PSOB
47 e PMAM OB 35 (figuras 318 319 319 e 320) natildeo foram detectadas variaccedilotildees
relevantes entre os diferentes tipos de camadas ativas sob diferentes condiccedilotildees de
iluminaccedilatildeo O intrigante nestas medidas eacute que o mesmo efeito que aparece no claro
aparece tambeacutem no escuro As curvas tendem a um comportamento com resistecircncia de
56
diferencial negativa proacuteximo a tensotildees mais baixas Talvez isso aconteccedila devido agrave
caracteriacutestica intriacutenseca dos materiais utilizados nas confecccedilotildees das amostras
353 ndash Experimentos Etapa 3
3531 ndash Confecccedilatildeo das amostras com parte do FTO removido
Nesta etapa os dispositivos tambeacutem foram preparados sobre substrato de vidro o
mesmo tipo usado anteriormente Poreacutem aqui antes de fazer a deposiccedilatildeo dos filmes parte
do FTO foi removida do substrato de vidro A corrosatildeo do FTO foi feita utilizando uma
tinta homogecircnea preparada com poacute de zinco (Zn)
Para conservar parte do FTO no substrato foi utilizada fita adesiva sendo tambeacutem
possiacutevel utilizar tinta ou esmalte [46] Com parte do FTO protegido o substrato foi
mergulhado em soluccedilatildeo diluiacuteda de aacutecido cloriacutedrico (HCI)
Apoacutes a etapa de corrosatildeo as lacircminas passaram por um processo de limpeza Os
substratos foram limpos para retirar gorduras e resiacuteduos quiacutemicos
A corrosatildeo se fez necessaacuteria para evitar curto circuito entre os eletrodos de contato
do dispositivo Mudou-se a geometria dos substratos porque em algumas medidas de
curvas IndashV que foram obtidas em algumas amostras obteve-se curvas do tipo ocirchmico Isto
pode ter ocorrido porque o eletrodo de FTO estava ocupando toda a superfiacutecie do
substrato de vidro e pode ter ocorrido que na hora das medidas a agulha do equipamento
de medidas pode ter perfurado os filmes das camadas do dispositivo medindo apenas o
filme de FTO que apresenta curva puramente ocirchmica Assim com parte do FTO retirado
garante que a corrente flua apenas pelas camadas dos filmes do dispositivo A geometria
da lacircmina de vidro apoacutes a corrosatildeo pode ser visualizada na figura 323
Figura 3 23 ndash Geometria da lacircmina de vidro apoacutes corrosatildeo do FTO
57
Com o substrato limpo e seco e com a nova geometria desenvolvida segue para a
etapa da deposiccedilatildeo do poliacutemero condutor PEDOTPSS que serviu de um dos eletrodos A
deposiccedilatildeo foi realizada sobre toda a lacircmina de vidro conforme mostra o esquema da figura
324 O filme foi feito usando a teacutecnica de spin coating com rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante
cinquumlenta e cinco segundos o filme foi seco em estufa a 50 degC por 15 minutos
Os materiais utilizados como camada ativa foram PS puro PSOB 47 PMAM
puro e PMAMOB 35 Os diferentes tipos de camadas ativas foram depositados sobre a
estrutura vidroFTOPEDOTPSS usando a teacutecnica de spin coating com rotaccedilatildeo de 7000
rpm durante quarenta segundos Os filmes das camadas ativas foram secos em temperatura
ambiente
O outro eletrodo foi pintado sobre a camada ativa com tinta condutora de Ag A
estrutura vidroFTOPEDOT PSScamada ativaAg do dispositivo final pode ser vista na
figura 324 A regiatildeo ativa tem aacuterea de aproximadamente 009 cm2
Figura 3 24 ndash Geometria das camadas do dispositivo
3532 ndash Caracterizaccedilatildeo das curvas (IndashV )
As amostras foram caracterizadas atraveacutes das curvas IndashV Na figura 325 satildeo
mostradas comparaccedilotildees entre resultados obtidos para camadas ativas com o PS puro e
PSOB 47 Na figura 326 satildeo mostradas comparaccedilotildees entre resultados obtidos para
camadas ativas com o PMAMOB 35 Foi observado que para as camadas ativas sem o
OB o comportamento da curva Indash V eacute puramente ocirchmico ou seja linear Pode-se ressaltar
58
um comportamento resistivo para o filme utilizado nessa camada ativa enquanto que para
o filme da camada ativa com OB as curvas natildeo satildeo lineares
Outro detalhe a ser notado foi que para os filmes de PS puro e PSOB 47 as
correntes obtidas satildeo maiores que para os filmes confeccionados com PMAM puro e
PMAMOB 35 isto concorda com os resultados obtidos atraveacutes da iluminaccedilatildeo onde os
valores de VOC e ISC tambeacutem se apresentaram maiores
O dispositivo feito com o PS puro apresenta uma resistecircncia maior que o
dispositivo feito com PMAM puro isto talvez aconteccedila devido agraves diferenccedilas nas
espessuras das camadas ou nas propriedades intriacutensecas do material
Como pode ainda ser observadas nas figuras 325 e 326 quando se usou camada
ativa contendo o OB em sua mistura mudanccedilas ocorreram nos comportamentos das curvas
IndashV O comportamento da curva natildeo eacute mais linear e apresenta simetria para as duas
polarizaccedilotildees aplicadas (-V+V) Nos casos das curvas observadas para as camadas ativas
contento OB observou-se curvas semelhantes agrave curva de um diodo do tipo metal isolante
metal (MIM) [47]
Figura 3 25 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PS puro
e PS OB 47
59
Figura 3 26 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PMAM
puro e PMAMOB 35
Para quase todas as amostras que confeccionamos nas condiccedilotildees descritas acima
teve-se respostas nas medidas eleacutetricas para as caracterizaccedilotildees das curvas IndashV realizadas
no laboratoacuterio LDCI Foi observado que os dispositivos contendo OB apresentaram um
efeito fotovoltaico em temperatura ambiente As medidas foram realizadas no escuro e
com iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio Nas figuras 327 e 328 satildeo mostradas as curvas IndashV para
os dispositivos confeccionados com camadas ativas de PSOB 47 e PMAMOB 35
respectivamente
Em quase todas as amostras que foram realizadas as medidas das curvas IndashV o
efeito fotovoltaico foi observado Pode-se observar nesses resultados um aumento da
fotocorrente quando as amostras foram iluminadas
60
Figura 3 27 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PSOB
47 no claro e escuro
Figura 3 28 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de
PMAMOB 35 no claro e escuro
61
3533 - Anaacutelise e discussatildeo
Paras esses dispositivos natildeo foram apresentados os caacutelculos da eficiecircncia ( nem o
valor de IPCE porque para determinar tais paracircmetros dos dispositivos fotovoltaicos seraacute
necessaacuterio conhecer a I0 e mencionados no capiacutetulo II Poreacutem para as medidas
realizadas nesta pesquisa natildeo foram considerados o coeficiente de massa de ar o acircngulo
de inclinaccedilatildeo da luz incidente na amostra nem o comprimento de onda Paracircmetros que soacute
seratildeo determinados usando-se um sistema utilizado para caracterizaccedilatildeo de dispositivo
fotovoltaico No momento natildeo havendo disponibilidade de tal equipamento no laboratoacuterio
Observou-se que a inserccedilatildeo de OB em matrizes polimeacutericas isolantes tais como a
de PMAM e PS promoveram a absorccedilatildeo de foacutetons e portanto a formaccedilatildeo de eacutexciton Os
VOC foram de 008 V para o PMAMOB 35 e 03 V para PSOB 47 No caso do valor
de VOC obtidos para o PSOB 47 o nuacutemero eacute aproximadamente o mesmo valor da
diferenccedila da funccedilatildeo trabalho entre o PEDOTPSS (49 eV ) e a Ag (46 eV) No entanto
para o PMAMOB 35 este nuacutemero eacute inferior agrave diferenccedila da funccedilatildeo trabalho entre
PEDOTPSS e a Ag Aqui vale a pena ressaltar que as funccedilotildees trabalho do PEDOTPSS
podem variar entre 48 e 49 eV e a funccedilatildeo trabalho da prata podem variar de 452 eV e
474 eV dependendo da interface entre os materiais da camada ativa Assim pegou-se o
valor de 474 eV para a funccedilatildeo trabalho da prata e de 48 eV para o PEDOTPSS obteve-se
um valor de 006 eV o qual estaacute bastante proacuteximo do valor de 008 eV que eacute a tensatildeo de
circuito aberto obtida para a amostra de PMAMOB 35 Os valores de VOC satildeo limitados
pelo potencial de contato ou pelas diferenccedilas entre a funccedilatildeo trabalho dos eletrodos Sendo
assim neste sistema natildeo eacute possiacutevel conseguir tensotildees de VOC maiores Entretanto se for
utilizado materiais onde as funccedilatildeo trabalho dos eletrodos sejam muito diferentes poderaacute
obter VOC ainda maiores Os resultados obtidos nesse trabalho satildeo menores que os
relatados em trabalhos publicados [48-52] Contudo trabalhou-se com novos materiais
abundantes e baratos Aleacutem de se ter usado oacuteleo vegetal que eacute um material natural e que se
acredita no seu potencial para em breve obter melhores resultados
354 Caracterizaccedilatildeo dos Materiais por Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM)
Um dos paracircmetros importantes nos filmes polimeacutericos eacute a topologia pois a partir
dela se se pode inferir a uniformidade das camadas A questatildeo da uniformidade da
superfiacutecie dos materiais em Eletrocircnica Orgacircnica eacute importante porque permite conhecer o
62
desempenho eletrocircnico dos filmes Fatores como injeccedilatildeo e o transporte de cargas podem
ser facilitados ou bloqueados dependendo da espessura da camada polimeacuterica e da sua
regularidade fiacutesica ou quiacutemica [53] Neste sentido eacute importante investigar a topografia dos
materiais para que se possam entender fenocircmenos de transporte eletrocircnico que podem
ocorrer ou natildeo sob influecircncia da morfologia
As imagens por microscopia de forccedila atocircmica (AFM) revelaram diferenccedilas entre
filmes com as matrizes polimeacutericas puras e filmes com as matrizes modificadas com OB
O PS puro mostrou uma superfiacutecie suave com alguns relevos dispersos na aacuterea de
varredura (Figura 329) A presenccedila de oacuteleo de buriti nesta matriz polimeacuterica modificou
significativamente a superfiacutecie do material Houve formaccedilatildeo de pequenos e numerosos
gloacutebulos que ocorrem em um periacuteodo de espaccedilo muito pequeno resultando em uma
superfiacutecie aparentemente rugosa (Figura 330) Para o material PSOB 47 eacute possiacutevel
observar uma maior ocorrecircncia de picos regiotildees mais claras confirmando a possibilidade
da rugosidade do material
Figura 3 29 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS puro obtida por AFM no modo
contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
63
Figura 3 30 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS OB 47 por AFM modo contato
Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
A superfiacutecie do PMAM ao contraacuterio da superfiacutecie do PS apresentou possiacutevel
protuberacircncia ou gloacutebulos esfeacutericos em toda aacuterea de varredura (Figura 331) Haacute aacutereas onde
existe uma grande incidecircncia de vales identificados na figura por regiotildees mais escuras
Essas podem ser localizadas nas extremidades da amostra enquanto que no centro da
superfiacutecie haacute grandes nuacutemeros de picos indicando a possibilidade de ser um material com
bastante rugosidade
64
Figura 3 31 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PMAM puro obtida por microscopia
de forccedila atocircmica no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
Figura 3 32 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PAMAM OB 35 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
65
A presenccedila de OB na concentraccedilatildeo de 35 na matriz de PMAM resultou em
pequenas mudanccedilas na topografia do material (Figura 332) Natildeo houve grandes mudanccedilas
na morfologia da superfiacutecie do filme que possa ser determinada visualmente Entretanto a
geometria dos gloacutebulos foi alterada de uma forma arredondada (Figura 331) para uma
forma pontiaguda (Figura 332)
Outro material estudado foi o P3HT com OB puro e o P3HT + PSOB 47 A
superfiacutecie do filme de P3HTOB puro (Figura 334) tambeacutem mostrou um material com
possiacuteveis rugosidade em sua superfiacutecie entretanto a diferenccedila entre esta superfiacutecie e a
topografia do material P3HT+ PSOB 47 (figura 335) estaacute no tamanho das estruturas
que compotildeem a superfiacutecie de ambos os materiais
Figura 3 33 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HTOB puro obtida por AFM no
modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
66
Figura 3 34 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HT+PS OB 47 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
A Figura 333 revela estruturas menores que consequumlentemente ocupam um
espaccedilo menor dentro da aacuterea de varredura e por isso se apresentam em grande nuacutemero
resultando a possibilidade de rugosidade mais alta
A Figura 334 mostra estruturas do material P3HT+PS OB 47 que apresentam
geometrias similares agrave do material P3HTOB puro contudo com dimensotildees maiores
Desta forma estas estruturas ocupam um espaccedilo maior dentro da aacuterea de varredura e se
apresentam em menor quantidade proporcionando possiacuteveis rugosidades em tamanhos
menores que o P3HT OB puro
67
Capiacutetulo IV
Conclusotildees e Recomendaccedilotildees
68
4 ndash CONCLUSOtildeES E RECOMENDACcedilOtildeES
Atraveacutes destes estudos preliminares em linhas gerais os dispositivos projetados
construiacutedos e as medidas obtidas neste trabalho permitem direcionar para a construccedilatildeo e
caracterizaccedilatildeo de dispositivos fotovoltaicos baseados no uso do OB como dopante Os
dados obtidos satildeo bastante promissores e sinalizam para o alcance do sucesso na
construccedilatildeo desses dispositivos a partir de matrizes modificadas com OB
Os resultados apresentados no capiacutetulo III no toacutepico referente aos dados
experimentais e resultados I foram dos dispositivos desenvolvidos baseados no modelo
dos dispositivos fotovoltaicos desenvolvidos por Graumltzel com o propoacutesito de observar o
OB como eletroacutelito da camada ativa Medidas de VOC e ISC para as amostras
confeccionadas foram mensuradas embora os resultados obtidos fossem baixos quando
comparados com a literatura Contudo os materiais empregados satildeo novos e mostraram
promissores
No contexto dos dados experimentais e resultados I apresentou-se o
desenvolvimento de dispositivos usando o substrato de PET desenvolvendo a
configuraccedilatildeo de dispositivo fotovoltaico orgacircnico monocamada direcionados na busca de
substratos flexiacuteveis de menor custo no propoacutesito de substituir o substrato de vidro
recoberto com FTO Para estes dispositivos consegui-se obter valores de VOC e ISC sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpada usando um multiacutemetro para as referidas medidas Entretanto esse
tipo de substrato apresentou diversas inviabilidades conforme relatado nesta pesquisa
Novamente trabalhou-se com substrato de vidro recoberto com FTO com
configuraccedilatildeo de dispositivo fotovoltaico orgacircnico monocamada Acredita-se que as
espessuras dos filmes das camadas ativas possam ter influenciado nos baixos resultados
obtidos Ateacute essa etapa dos experimentos as camadas ativas eram construiacutedas
manualmente proporcionando assim camadas ativas espessas
Os resultados apresentados no toacutepico referente aos dados experimentais e resultados
II abordaram a configuraccedilatildeo monocamada em substrato de vidro recoberto com FTO onde
se fez o uso de camadas ativas com poliacutemero semicondutor P3HT misturado com OB Para
efeito de comparaccedilatildeo construiu-se camada ativa usando o PS um poliacutemero isolante
misturado com 47 de OB A partir destes experimentos os filmes dos dispositivos foram
confeccionados com spin coater o que proporcionou a construccedilatildeo de filmes mais finos
As caracterizaccedilotildees foram realizadas usando lacircmpadas e luz solar direta para
medidas de VOC e ISC com o multiacutemetro tambeacutem foram realizadas caracterizaccedilotildees com
69
curvas I-V sob a luz ambiente do laboratoacuterio As curvas levantadas mostraram efeitos
semelhantes ao efeito fotovoltaico para os materiais das camadas ativas pesquisadas Pelos
resultados obtidos nessa etapa do trabalho observou-se que as amostras confeccionadas
com o poliacutemero isolante misturado com o OB apresentaram melhores desempenhos
Embora jaacute existam resultados na literatura usando o semicondutor P3HT para fazer
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos com desempenho relativamente alto nas pesquisas
desenvolvidas nesse trabalho o uso do P3HT natildeo sinalizou vantagens em relaccedilatildeo ao uso
do poliacutemero isolante PS
Nesse trabalho as pesquisas foram focadas apenas em materiais de baixo custo
que proporcionaram resultados animadores usando o poliacutemero PS misturado com OB
Os resultados apresentados nos toacutepicos que abrangem os dados experimentais e
resultados III abordaram o uso dos poliacutemeros isolantes PS e PMAM modificados com OB
na configuraccedilatildeo de dispositivo fotovoltaico em monocamada usando substrato de vidro
recoberto com FTO Foram realizadas medidas eleacutetricas diretas dos dispositivos sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpadas e iluminaccedilatildeo solar fazendo-se uso de multiacutemetro para as medidas
Tendo respostas interessantes com estes experimentos pois as medidas foram realizadas
com multiacutemetros comuns com cabos que apresentam impedacircncias que agregaram perdas
substanciais das tensotildees e correntes geradas pelos dispositivos Mesmo assim obtiveram-
se as medidas de VOC e ISC
Os resultados mais empolgantes foram os caracterizados com curvas I-V
desenvolvidos com substratos tendo parte do FTO removidas no qual se permitiu
visualizar as curvas de tensatildeo e corrente apenas dos filmes sem a interferecircncia do filme
condutor de FTO Em vaacuterias amostras pocircde-se observar um efeito fotovoltaico entretanto
com valores bem abaixo aos relatados pela literatura vigente sobre o assunto
Nesse trabalho apresentou-se um material novo e promissor na aacuterea de pesquisa
dos dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos como tambeacutem o uso de oacuteleos vegetais como
dopante de poliacutemeros para o desenvolvimento de dispositivo de baixo custo com
tecnologia de faacutecil domiacutenio e acessiacutevel
Os resultados apresentados sugerem os seguintes trabalhos futuros
1 Desenvolvimento de dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos agrave base de poliacutemeros
isolantes com camadas ativas mais finas na ordem de nanocircmetros a fim de facilitar
a dissociaccedilatildeo dos eacutexcitons nas interfaces dos materiais O uso de novas teacutecnicas de
deposiccedilatildeo para conseguir filmes nesta ordem de grandeza
70
2 Desenvolvimento de novas estruturas usando os PSOB 47 e PMAMOB 35
em novas arquiteturas como os dispositivos em bicamadas e heterojunccedilatildeo para
melhorar os resultados jaacute obtidos
3 Siacutentese de novas misturas com poliacutemeros usando outros oacuteleos vegetais abundantes
na natureza que apresentaram absorccedilatildeo na faixa do espectro visiacutevel
4 Construccedilatildeo de novos eletrodos de contatos usando teacutecnicas de evaporaccedilatildeo com o
intuito de diminuir as resistecircncias dos contatos e melhorando a coleta das correntes
geradas
5 Caracterizar as amostras usando o simulador solar Caracterizar os filmes usando
perfilocircmetro e AFM buscando filmes com menos rugosidades Correlacionar
medidas das curvas I ndashV com as medidas de AFM
71
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Brasiacutelia DF 2008
75
APEcircNDICES
77
APEcircNDICE 1
Produccedilotildees Bibliograacuteficas
Artigo Publicado
Silva E R Ceschin A M J A Duratildees A possible organic solar cell based on Buriti
oil In 24th Symposium on Microelectronics Technology and Devices SBMicro 2009
Natal - RN The Electrochemical Society (ECS) the society for solid-state and
electrochemical science and Technology EUA Pennigton 2009 v 23 P 553-556
(2009)
Artigo Aceito
Silva E R Romariz A R S Ceschin A M Study of organic MIM junctions for use
in photovoltaic devices In 25th Symposium on Microelectronics Technology and
Devices SBMicro 2010 Satildeo Paulo - SP The Electrochemical Society (ECS) the society
for solid-state and electrochemical science and Technology EUA Pennigton artigo
aceito (2010)
Resumo Publicado
Silva E R Ceschin A M Photovoltaic effect observed in junctions based on Buriti
oil In 11 th International Conference on Advanced Materials (ICAM2009) 2009 Rio
de Janeiro 11 th International Conference on Advanced Materials 2009
78
A possible Organic Solar Cell Based on Buriti Oil
E R da Silva a J A Duratildees
b and A M Ceschin
a
a Departamento de Engenharia Eleacutetrica - Laboratoacuterio de Dispositivos e Circuito
Integrado Universidade de Brasiacutelia CP 4386 CEP 70904-970 Brasiacutelia DF - Brasil b Instituto de Quiacutemica ndash Laboratoacuterio de Pesquisa em Poliacutemeros Universidade de
Brasiacutelia
CEP 70904-970 Brasiacutelia DF ndash Brasil
This work proposes a new approach - the possible production of
organic solar cells based on Buriti oil We propose the
formation of an active layer three types of mixture always
exploring the use of Buriti oil The active layers were deposited
by spin coating the mixture of Buriti oil polystyrene (PS) Buriti
oil poly (3- hexylthiophene) (P3HT) and blend Buriti oil PS
plus P3HT For the three devices investigated here we use a
glass substrate coated with fluoride-doped tin oxide (FTO) An
electrode of poly (34-ethylenedioxythiophene) poly (4-
styrenesulfonate) (PEDOT PSS) was deposited by spin coating
The other electrode was painted on top with silver conductive
ink (Ag) We show two different illuminations for the
characterization of the devices For the acquisition of measures
resistance () open circuit voltage (VOC) and the short circuit
current (ISC) a common digital multimeter was used
Introduction
Organic solar cells are being investigated for their potential use in the cheap and
clean conversion of abundant solar energy In addition polymer solar cells have
attracted considerable attention because of their potential use in low-cost lightweight
solution processable and flexible large-area panels (1) In the best performing solid state
organic solar cells reported to date (23) a conjugated polymer is blended with an
electron accepting material to form the bulk-heterojunction structure for efficient
exciton dissociation (34) Academic attention has focused on blends of poly (3-
hexylthiophene) (P3HT) and [66]-phenyl C61-butyc acid methyl ester (PCBM) since
these two materials show the highest power conversion efficiency in their bulk-
heterojunction which is around 5 The combination of unique semiconducting
electronic property and mechanical aspects similar to conventional plastics is an
attractive feature in spite of the lower efficiencies prevailing in these systems Each
polymer has unique properties and responds differently to different stimulus However
its characteristics can be improved by blending two polymers or by adding some
compounds called additives producing interesting results As an example we can take a
polystyrene (PS) matrix mixed with Buriti oil this modified material shows a very
broad absorption between 150 to 400 nm with a maximum at 320 nm (67) Figure 1
shows the spectrum of absorption for four types of concentration of Buriti oil in PS
matrix
79
Figure 1 Spectra of absorption of UV radiation of PS films and PS- Buriti oil (7)
This feature makes it a promising candidate for photovoltaic studies Based on
this result we decided to investigate Buriti oil P3HT Buriti oilPS and Buriti
oilPSP3HT mixtures in solar cell fabrication Thus the possible fabrication of the
Buriti oil solar cell and its results are reported and discussed here
Sample Preparation
The devices consist basically of an active layer made of Buriti oilPS or Buriti
oilP3HT films or Buriti oilPSP3HT material placed in-between the bottom
electrode of poly(34-ethylenedioxythiophene)poly(4-styrenesulfonate) (PEDOTPSS)
and the top silver (Ag) electrode Devices were assembled on glass substrates covered
with fluoridedoped tin oxide (FTO) with planar resistance in order of 30 _ cm without
further treatment The actives layer and the bottom electrode were deposited by spin
coating (6000 and 5000 rpm respectively) while the silver electrode was painted
PEDOT PSS was used in order to smooth the FTO surface and to decrease the hole
barrier A first kind of active layer was prepared through deposition (6000 rpm spin
coating) of a solution prepared by dissolving appropriate amounts of PS and Buriti oil
4681 wt (extracted with supercritical CO2) at room temperature in analytical grade
reagent chloroform The second kind of active layer was prepared through deposition of
Buriti oil and P3HT mix dissolved in analytical grade reagent toluene The last active
layer was prepared by mixing Buriti oilPS with P3HT dissolved in an analytical grade
reagent chloroform
After each spin coating deposition the films were dried in a stove at 100 0C for
about 15 minutes Devices of active area A~ 20 cm2 were obtained Figure 2 shows a
schematic view of the finished device
80
Figure 2 Structure of the Buriti oil solar cell
Characterization
The measurements were obtained using a common digital multimeter model
ET-2042C Minipa The samples were subjected to direct irradiation of an Hg spectral
lamp (80 W) for five minutes For such measures we did not consider neither
interference of the illumination nor the samplersquos angle of inclination The series
resistance of the device was also collected as this is one that has a direct relation with
the value of this measure as shown in Table 1 the lower the resistance the greater the
current collected All the results are shown in Table 1
Table 1 VOC and ISC for the different solar cell illuminated with an Hg spectral
lamp (80W)
VOC (mV) ISC (mA) R (cm2)
Buriti oil PS 21 009 740
Buriti oil P3HT 18 002 369
Buriti oil PS+P3HT 17 001 717
To observe a real situation the same sample group was exposed to direct
sunlight in hours of intense sun between 1100 am and 0100 pm taking into account
that all samples had an exposure time of approximately five minutes In this step a
convergent lens was used to concentrate the solar light on the device (8 and 9) In this
experiment angle of incidence and the solar irradiation were not measured The results
are shown in Table 2
Table 2 VOC and ISC for the different solar cell illuminated by direct solar light
VOC (mV) ISC (mA) R (cm2)
Buriti oil PS 62 009 740
Buriti oil P3HT 33 003 369
Buriti oil PS+P3HT 25 002 717
Results and analysis
Based on the values of VOC and ISC obtained for the samples it can be clearly
observed that sunlight exposure provided better results when compared to the artificial
81
illumination The main reason for such a situation could be related to the use of Hg
lamp that is not appropriated In spite of this the devices based-on Buriti oil presented
good performances in both cases This effect may be due to the lower resistance value
of the first samples When the illumination is promoted by the sun the VOC increases
but the ISC remains the same maybe as a consequence of the resistance value or
because the samples becomes hotter For the samples made with Buriti oil P3HT and
Buriti oil PS P3HT materials and illuminated by the spectral lamp similar results for
VOC and ISC were observed Under sunlight illumination the values of VOC and ISC
are greater than that obtained for the spectral lamp lighting
Conclusions
In this paper we show that Buriti oilPS and Buriti oil P3HT materials can be
used as an active layer for solar cells The behavior of the samples based-on Buriti
oilPS showed better results for the two types of illumination It is important to
emphasize tha these results are just a part of the devices characterization which still
requests the fulfillment factor (FF) as well as cell efficiency determination Such
calculations are on process but all the obtained data are satisfactory and promising
because our main aim is to develop solar cells using more accessible organic materials
such as the Buriti oil PS blend
Acknowledgments
The authors gratefully acknowledge CNPq and NAMITECMilenio Institute for
financial support
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82
Study of organic MIM junctions for use in photovoltaic devices
E R Silva A R S Romariz and A M Ceschin
Departamento De Engenharia Eleacutetrica Laboratoacuterio de Dispositivos e Circuito
Integrado (LDCI) Universidade de Brasiacutelia Campus Darcy Ribeiro Brasiacutelia CP
4386 CEP 70904-970 Brasiacutelia ndash DF Brasil
We report here photovoltaic effects on Buriti oil (Mauritia
flexuosa) mixed in an insulating polymers matrix The samples
studied here consist of an active layer based on polystyrene (PS)
and poly (methilmethacrilate) (PMMA) mixed with Buriti Oil
(BO) The structure of the device was glassFTO Poly (3 4-
ethylenedioxythiophene) (PEDOT) poly (styrenesulfonate)
(PSS) active layer Ag These mixtures are promising materials
in the fabrication of organic photovoltaic devices The advantage
of these mixtures is their low cost of production and ease in
fabrication Electrical measurements were obtained in both a lit
room and in the dark We can observe photovoltaic effects in all
samples mixed with OB This effect is very interesting because
we are working with an insulating polymer instead of the
semiconductor polymer In this work we have been developing a
junction of the metalndash insulatorndashmetal (MIM) diode that acts like
a photovoltaic device
Introduction
In the past years various new materials and mixtures for fabricating
photovoltaic devices have been proposed for higher conversion efficiencies and lower
cost processes (1 2) Organic solar cells are being investigated for their potential use in
the clean conversion of solar energy through large-area solar panels (3 4 and 5)
Academic attention has focused on blends of poly (3-hexylthiophene) (P3HT) and [6
6]-phenyl C61-butyc acid methyl ester (PCBM) since these two materials show the
highest power conversion efficiency in their bulkheterojunction which is around 5
(6)
Each polymer has unique properties and responds differently to different stimuli
However its characteristics can be improved by blending two polymers or by adding
some compounds called additives thus producing interesting results As an example we
can take the BO mixed in a PS matrix and one mixed in a PMMA matrix This modified
material shows a very broad absorption between 250 to 400 nm with a maximum at 320
nm (7) Based on this result we decided to investigate the OB mixtures in the fabrication
of photovoltaic devices One possible way to enhance the quantum efficiency of a
photovoltaic device is to add dyes that have high absorption efficiency to the host
materials (8) The addition of BO in the PS and PMMA matrices increases this
efficiency The OB is added with the polymers to improve the efficiency on the active
layers of the insulating materials In this paper we will present photovoltaic parameters
on devices based on insulating polymers mixed with BO deposited on a substrate
83
covered with fluorine doped tin oxide (FTO) The devices were fabricated by the spin
coating technique the open circuit voltage (VOC) and short-circuit current density (JSC)
of the BOPS device are 03V and 039 nAcm2 respectively which is 0212V higher
than BOPMMA devices The fill factor (FF) that defines power extraction efficiency of
BOPS devices is 026 against 020 in the BOPMMA devices
Experimental
Our devices were based on previous studies about insulating polymers mixed
with BO (7) The material for the active layer BOPS and BOPMMA of the MIM
junction was chosen because this materials posses two regionrsquos absorption the first
range in 250 at 400 nm that has a peak at 320 nm and the second in the range of 500 at
700 nm The fact these materials absolve in visible region allow to realization of study
about applications in photovoltaic devices (9) We were still able to get good results
from the investigation of BO for make photovoltaic devices
The samples were assembled on glass substrates covered with FTO The
resistance of the plate is asymp 41-60 Ω Prior to depositing the layers part of the FTO
substrate was removed the FTO was corroded using a homogenous ink prepared with
powdered zinc (Zn) Additionally it is possible to use tape or enamel in order to save
part of the FTO After these procedures the substrate is dipped in a diluted solution of
hydrochloric acid (HCI) After the corrosion stage the substrate goes through a cleaning
process that was also performed before corrosion The substrates are cleaned to remove
grease and residual chemicals Corrosion is necessary to avoid short circuits between
the devicersquos electrode contacts (10) The devices were fabricated in a typical
sandwiched structure with the active layers sandwiched between two electrodes the
bottom electrodes consist of conducting polymer film deposition of (PEDOT PSS)
purchased from Bayer This forms the anode that was deposited on the FTO We use it
in order to increase the positive carrier collection of the active layer The film was made
using the spin coating technique with 6000 rotations per minute (rpm) for 55 seconds
Next it was dried in an oven at a temperature of 50 deg C for 15 minutes The cathode was
made with a conductive ink of silver (Ag) acquired from Silver Ink having 99 purity
with painting done by hand because more precise techniques were not available The
materials used in the active layer were pure PS PS mixed with 47 BO pure PMMA
and PMMA mixed with 35 BO Four types of active layers were used All the
mixtures were made with an appropriate quantity of the analytical reagent chloroform at
room temperature Before the deposition the solutions were stirred with magnetic
agitate for 30 minutes in order to ensure greater uniformity for the mix A schematic
view finished device (glass FTO PEDOT PSS active layer Ag) is shown in figure
1 The film thicknesses of the active layers were measure using a Dektak 150
profilometer These values are about 1μm We could not obtain a thinner device because
of the high viscosity of the material In our final device the active area is approximately
009 cm2
Figure 1 Schematic of the finished Device
84
Results and Discussion
The devices with different active layers were prepared following the procedure
described above at room temperature The currentndashvoltage (I-V) characteristics were
measured using a Keithley 2400 programmable software semiconductor measuring
system In all samples without oil devices using only insulating polymer like PS and
PMMA ohmic behavior was observed for bias voltage between -2 and 2 V The device
with pure PS has greater resistance than the one with pure PMMA Perhaps this happens
due to differences in layer thickness or intrinsic material properties But when BO is
added to the mixture we get a different behavior for I-V curves in the two cases We
observed that the sample of PS BO had larger current than PMMABO Figure 2
shows the curves for the PS mixture with and without BO 47 In Figure 3 we have
curves for the PMMA mixture with and without BO 35 In these two cases we
observed curves that look like MIM diode characteristic curves
Figure 2 The I-V Curves characteristics of ohmic behavior and MIM diode for
the PMMA
Figure 3 The I-V Curves characteristics of ohmic behavior and MIM diode for the PS
85
We also noticed a photovoltaic effect in the junctions based in BO at room
temperature Measurements were taken both in the dark and with the room fluorescent
light on In all observations we saw slight photovoltaic effects in all devices made using
insulating polymers with BO mixtures in the active layer In Figure 4 this effect is
shown for PSBO and in Figure 5 for PMMABO
Figure 4 Curve characteristics PS dark and light
Figure 5 Curve characteristics PMMA dark and light
86
For such measures we did not consider either air mass coefficient or the
samplersquos inclination angle for these characterizations because we donrsquot have
characterization equipments Thus we are unable to calculate the conversion efficiency
() The voltage bias was varied from -1 to 1 V but here it is shown with a smaller
interval to better visualize this slight effect In Table 1 the values are shown for the
samples insulating polymer mixed with BO for Voc Jsc and fill factor FF In summary
these parameters are important for characterizing our devices The FF is the ratio that
determines the maximum operating current and voltage of the photovoltaic device and
was calculated as FF = VpIpVocIsc (11) All the values are extracted from the curves
Table 1 Summary of the photovoltaic devices performance with and without light
Active Layer VOC
(mV)
JSC
(nAcm2)
FF
PSBO 47 300 039 026
PMMABO 35 86 216 020
We have seen that the insertion of BO at the matrices of insulating polymers
such as PMMA and PS promote the absorption of photons and therefore the formation
of excitons However we do not have a maximum absorption because of the peak of
absorption of the active layers is in range of 200 to 400 nm while the illumination used
was in the visible region The excitons generated were dissociates and the charges
created were collected in their respective electrodes to form the short-circuit Current
(ISC) This current is small due to the film thickness of the active layer Thus carriersrsquo
recombination could be occurring before they reach their respective electrodes
The measured VOC was 008 V to PMMABO and 03 V to PSBO For the
PSBO this number is roughly the same as the difference in work function between
PEDOT PSS and Ag However for the PMMABO this number is lower than the
difference in work function between PEDOTPSS and Ag All this contributed for the
values low ISC VOC and FF The results obtained here are very below that reported in
recent papers (12 13)
Conclusion
We have been working with polymer insulating with additions of material cheap
an abundant of in nature We presented preliminary results for the MIM junction diode
We used BO mixed with insulating polymer to form the active layers This way we get a
value for ISC VOC and FF but we can observe photovoltaic effect in the majority of the
samples with the BO The active layers have a region of absorption outside of the solar
spectrum and the thickness was thick Because of the collection the carrier was hindered
before to reach the collectorrsquos electrode The devices shown here is very easy to make
and can be made in a large area
Acknowledgments
87
The authors gratefully for the financial support received from National Counsel
of Technological and Scientific Development (CNPq) National Institute of Science and
Technology of Micro and Nanoelectronics Systems (NAMITEC) This paper was
partially supported from a scholarship granted by Coordenaccedilatildeo de Aperfeiccediloamento de
Pessoal de Niacutevel Superior (CAPES) for the first author that also wishes to thank for this
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88
ix
SUMAacuteRIO
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11 ndash OBJETIVO GERAL 4
12 ndash OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS E ORGANIZACcedilAtildeO DO ESTUDO 4
2 ndash CONCEITOS BAacuteSICOS 6
21 ndash POLIacuteMEROS CONDUTORES 6
23 ndash CARACTERIZACcedilAtildeO DO DISPOSITIVO FOTOVOLTAICO 10
231ndash Eficiecircncia quacircntica externa (IPCE) 10
232 ndash Tensatildeo de circuito aberto (VOC) e Corrente de curto circuito (ISC) 11
233 ndash Curva caracteriacutestica IndashV 12
234 ndash Fator de preenchimento (FF) e Conversatildeo de Potencia () 13
24 ndash POLIacuteMEROS UTILIZADOS 14
241 ndash Polistireno (PS) 14
242 ndash Poli metacrilato de metila (PMAM) 15
244 ndash Poli (3-hexiltiofeno) (P3HT) 18
3 ndash PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS 23
31 ndash MATERIAIS 23
32 ndash EQUIPAMENTOS UTILIZADOS 23
321 ndash Multiacutemetros 23
322 ndash Spin coater 23
323 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores (Curva IndashV) 25
324 ndash Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM) 26
33 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS I 27
331 ndash Experimentos Etapa 1 27
3311 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo dos eletrodos 27
3312 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo da camada ativa 27
x
3313 ndash Formaccedilatildeo do dispositivo 28
3314 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W 28
3315 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 29
332 ndash Experimentos Etapa 2 29
3321 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras 29
3323 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 30
3331 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras 31
3332 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W 32
334 ndash Experimentos Etapa 4 33
3341 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras 34
3342 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W 34
3343 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 35
341 ndash Misturas usando P3HT 35
342 ndash Experimentos Etapa 1 36
3421 ndash Preparaccedilatildeo dos filmes por spin coater 36
3422 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W 37
3423 ndash Caracterizaccedilatildeo com luz solar direta 38
3423 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 39
343 ndash Experimentos Etapa 2 39
3431 ndash Preparando novas amostras 39
3431 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W 41
3433 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar direta 41
3434 ndash Curva caracteriacutestica de corrente versus tensatildeo aplicada (IndashV) 42
3435 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 45
35 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS III 46
351 ndash Experimentos Etapa 1 46
xi
3511 ndash Confecccedilatildeo das amostras usando PS e PMAM 1ordm grupo 46
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo usando lacircmpada de Hg 80 W 47
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar 47
3522 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar 49
3523 ndash Curva caracteriacutestica corrente versus tensatildeo (IndashV) 50
3524 ndash Medida de espessura 53
353 ndash Experimentos Etapa 3 56
3531 ndash Confecccedilatildeo das amostras com parte do FTO removido 56
3532 ndash Caracterizaccedilatildeo das curvas (IndashV ) 57
3533 - Anaacutelise e discussatildeo 61
354 Caracterizaccedilatildeo dos Materiais por Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM) 61
4 ndash CONCLUSOtildeES E RECOMENDACcedilOtildeES 68
REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 71
APEcircNDICE 1 77
Produccedilotildees Bibliograacuteficas 77
xii
LISTA DE TABELAS
Tabela 3 1 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos 29
Tabela 3 2 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos 30
Tabela 3 3 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos 32
Tabela 3 4 ndash Valores medidos de VOC e ISC com iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W para variaccedilatildeo de iluminaccedilatildeo para a amostra P4 32
Tabela 3 5 ndash Valores de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo de lacircmpada incandescente de 100 W
durante 5 minutos 35
Tabela 3 6 ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito com um ponto de
prata Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos 38
Tabela 3 7ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito de prata em forma de
trilhas com concentraccedilatildeo em um ponto Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos 38
Tabela 3 8 ndash Resultados obtidos das medidas de VOC e ISC usando luz solar direta durante
5 minutos 38
Tabela 3 9 ndash Medidas de VOC e ISC para amostras iluminadas pela lacircmpada Hg 80 W
aproximadamente cinco minutos 41
Tabela 3 10 ndash Valores de VOC e ISC para amostras iluminada sob luz solar direta expostas
durante cinco minutos cada 42
Tabela 3 11 ndash Resultados das medidas de ISC e VOC das amostras do 1ordm grupo sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpada durante 05 minutos de exposiccedilatildeo 47
Tabela 3 12 ndash Resultados para ISC e VOC sob iluminaccedilatildeo luz solar por aproximadamente
05 minutos de exposiccedilatildeo 47
Tabela 3 13 ndash Medidas realizadas para as amostras A5 A6 A7 sob iluminaccedilatildeo solar
direta durante 10 minutos 49
Tabela 3 14 ndash Medidas realizadas no dia 12052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos 50
Tabela 3 15 ndash Medidas realizadas no dia 18052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos 50
Tabela 3 16 ndash Medida dos pontos e a media medida dos filmes das camadas ativas feitos
com rotaccedilatildeo de 5000 rpm Valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M 55
Tabela 3 17 ndash Medida dos pontos e a media dos filmes das camadas ativas feitos com
rotaccedilatildeo de 6000 rpm O valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M 55
xiii
LISTA DE FIGURAS
Figura 2 1 ndash Estrutura quiacutemica do poliacetileno mostrando as ligaccedilotildees alternadas em
simples e duplas 6
Figura 2 2 ndash Formaccedilatildeo da estrutura do condutor poliacetileno (a) Formaccedilatildeo de bandas
distintas pela superposiccedilatildeo de N orbitais (b) aproximaccedilatildeo da banda riacutegida para um nuacutemero
grande de orbitais 7
Figura 2 3 ndash Estrutura de uma ceacutelula solar orgacircnica A camada ativa pode compreender
uma ou mais camadas semicondutoras uma mistura de materiais ou a combinaccedilatildeo destas
duas estruturas 8
Figura 2 4 ndash Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um dispositivo fotovoltaico feito com uma
camada de poliacutemero entre dois eletrodos 8
Figura 2 5 ndash Processos envolvidos na geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica em um dispositivo
fotovoltaico orgacircnico 9
Figura 2 6 ndash Diagrama de niacuteveis de energia de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico Sob
iluminaccedilatildeo o eleacutetron (e-) eacute jogado para o niacutevel de maior energia LUMO deixando uma
lacuna (h+) no niacutevel de menor energia HOMO (Criaccedilatildeo do eacutexciton) que seratildeo coletados
pelos eletrodos 1 funccedilatildeo trabalho do 1ordm eletrodo (transparente) 2 funccedilatildeo trabalho do
2ordm eletrodo χ eletroafinidade IP potencial de ionizaccedilatildeo e Eg energia do gap 10
Figura 2 7 ndash Diagrama esquemaacutetico do dispositivo fotovoltaico 2 poliacutemero1 no escuro
com o alinhamento dos niacuteveis de Fermi a) e sob iluminaccedilatildeo b) potencial de built-in ( Vbi)
intriacutenseco em temperatura ambiente esta proacuteximo ao valor de tensatildeo 12
Figura 2 8 ndash Curva caracteriacutestica IndashV de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico no escuro e
sob iluminaccedilatildeo Tambeacutem eacute mostrado o ponto de corrente de curto circuito e tensatildeo de
circuito aberto O retacircngulo pintado indica o fator de preenchimento (FF) 13
Figura 2 9 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PS (C8H8)n 15
Figura 2 10 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PMMA (C5O2H8)n 16
Figura 2 11 ndash Representaccedilatildeo da cadeia principal do PEDOT [25] 17
Figura 2 12 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica da interaccedilatildeo entre o PEDOT e PSS [25]
17
Figura 2 13 ndash Estrutura quiacutemica do P3HT (C10H18S)n [13] 18
Figura 2 14 ndash Foto da palmeira do Buriti (Mauritia Flexuosa) conhecida como Buritizeiro
[21] 19
Figura 2 15 ndash Ilustraccedilatildeo dos frutos maduros do Buriti (a) aspecto da casca (b) polpa de
cor amarelada [21] 19
Figura 2 16 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PS puro e PSOB [40] 20
xiv
Figura 2 17 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PMAM puro e PMAM
OB [40] 21
Figura 3 1 ndash (a)bomba de vaacutecuo (b) compressor de ar comprimido (c) vaacutelvula de controle
e (d) spin coater 24
Figura 3 2 ndash Equipamento de spin coater instalado no laboratoacuterio LDCI vista lateral e
frontal 25
Figura 3 3 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores Keithley 2400 laboratoacuterio
LDCI 25
Figura 3 4 ndash Vista frontal do AFM marca VEECO Innova 26
Figura 3 5 ndash Amostras confeccionadas com duas lacircminas de substrato de vidro recoberto
com FTO baseada no modelo de Graumltzel 28
Figura 3 6 ndash (a) Esquema da amostra confeccionada no substrato flexiacutevel de plaacutestico
(PET) (b) foto do substrato finalizado 31
Figura 3 7 ndash Amostra feita com substrato de PET apoacutes ser submetidos agrave fonte de lacircmpada
incandescente de 100 W por 20 minutos 33
Figura 3 8 ndash (a) Esquema da amostra para substrato de vidro recoberto com FTO (b) foto
da amostra finalizada 34
Figura 3 9 ndash (a) Geometria do eletrodo de Ag confeccionado em forma de ponto e (b)
geometria do eletrodo de Ag feito em forma de trilhas 37
Figura 3 10 ndash (a) Foto da amostra (b) Estruturas das camadas dos dispositivos das novas
amostras 40
Figura 3 11 ndash Ilustraccedilatildeo do experimento realizado com uma amostra tendo o contato
desenhado com a geometria em forma de trilhas camada ativa de PS OB 47 42
Figura 3 12 ndash Ilustraccedilatildeo da polarizaccedilatildeo direta para amostras com P3HT e gota de
PEDOTPSS para medidas das curvas (IndashV) 43
Figura 3 13 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47 Corrente e
tensatildeo observadas 003 uA e 09 Volts respectivamente 44
Figura 3 14 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de OB puro + P3HT Corrente
e tensatildeo observadas 0013 uA e 002 Volts respectivamente 44
Figura 3 15 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47+P3HT
Corrente e tensatildeo observadas 0012 uA e 11 volts respectivamente 45
Figura 3 16 ndash Estruturas das camadas e do contato de Ag dos dispositivos fotovoltaicos
orgacircnicos usado para o 2 ordm grupo de amostras 49
Figura 3 17 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PS puro No escuro e sob
iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 51
xv
Figura 3 18 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PSOB 47 No escuro e
sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 52
Figura 3 19 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAM puro No escuro
e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 52
Figura 3 20 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAMOB 35 No
escuro e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 53
Figura 3 21 ndash Risco feito no filme da amostra onde a ponta do perfilocircmetro executou a
varredura 54
Figura 3 22 ndash Medindo a diferenccedila da altura entre os cursores (R - reference) e (M -
measurement) para determinar a espessura do filme 54
Figura 3 23 ndash Geometria da lacircmina de vidro apoacutes corrosatildeo do FTO 56
Figura 3 24 ndash Geometria das camadas do dispositivo 57
Figura 3 25 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PS puro
e PS OB 47 58
Figura 3 26 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PMAM
puro e PMAMOB 35 59
Figura 3 27 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PSOB
47 no claro e escuro 60
Figura 3 28 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de
PMAMOB 35 no claro e escuro 60
Figura 3 29 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS puro obtida por AFM no modo
contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 62
Figura 3 30 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS OB 47 por AFM modo
contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 63
Figura 3 31 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PMAM puro obtida por microscopia
de forccedila atocircmica no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 64
Figura 3 32 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PAMAM OB 35 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 64
Figura 3 33 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HTOB puro obtida por AFM no
modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 65
Figura 3 34 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HT+PS OB 47 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 66
xvi
LISTA DE SIacuteMBOLOS NOMENCLATURA E ABREVIACcedilOtildeES
Ag ndash Prata
BC ndash Banda de conduccedilatildeo
BV ndash Banda de valecircncia
CHCL3 ndash Clorofoacutermio
C7H8 ndash Tolueno
Eg ndash Energia de gap (Energia de banda proibida)
FTO ndash Oacutexido de estanho dopado com fluacuteor termo em inglecircs Tin Oxide doped with
Fluorine
FF ndash Fator de preenchimento termo em inglecircs fill factor
GPIB ndash General Purpose Interface Bus
HOMO ndash Orbital molecular mais alto ocupado termo em inglecircs highest occupied
molecular orbital
ITO ndash Oacutexido de iacutendio estanho termo em inglecircs Indium Tin Oxide
IPCE ndash Eficiecircncia de conversatildeo de foacutetons incidentes em eleacutetrons Eficiecircncia quacircntica
externa termo em inglecircs Incident Photon Converted in Electron Efficiency
I0 ndash Intensidade de luz incidente em W m2
ISC ndash Corrente de curto circuito termo em inglecircs current short circuit
IndashV ndash Corrente versus tensatildeo aplicada
JSC ndash Densidade de fotocorrente de curto circuito termo em inglecircs photocurrent density
short circuit
LUMO ndash Orbital molecular mais baixo desocupado termo em inglecircs lowest unoccupied
molecular orbital
OB ndash Oacuteleo de Buriti
OLED ndash Diodo emissor de luz orgacircnico termo em inglecircs Organic light emitting devices
OPV ndash Ceacutelulas orgacircnicas fotovoltaicas termo em inglecircs Organic Photovoltaic
PET ndash Poli (Tereftalato de Etila)
xvii
PEDOT ndash Poli (34-etileno dioxitiofeno)
PS ndash Poliestireno
PSSndash Poli (Estireno-Sulfonato)
PMAM ndash Poli Metacrilato de Metila
P3HT ndash Poli (3-hexil tiofeno)
rpm ndash Rotaccedilatildeo por minuto
TO - Oacutexido de estanho termo em inglecircs Tin Oacutexide
Tm ndash Temperatura de fusatildeo cristalina
Tg ndash Temperatura de transiccedilatildeo viacutetrea
UV ndash Ultravioleta
VIS ndash Visiacutevel
VOC ndash Tensatildeo circuito aberto termo em inglecircs Open-circuit voltage
V bi ndash Potencial de built-in
ndash eficiecircncia de conversatildeo de potecircncia
λ ndash comprimento de onda
π ndash orbital ligante
πndash orbital antiligante
ndash Funccedilatildeo trabalho do material
Capiacutetulo I
Introduccedilatildeo
2
1 ndash INTRODUCcedilAtildeO
Atualmente um assunto muito debatido na esfera mundial eacute o problema da emissatildeo
de gases que provocam o efeito estufa Essa questatildeo relaciona-se por exemplo com o
desvio do curso de um rio para formar barragem para construccedilatildeo de hidreleacutetrica ou o uso
de carvatildeo ou diesel para o funcionamento de geradores de energia eleacutetrica todas essas
accedilotildees tecircm forte contribuiccedilatildeo para mudanccedilas no ambiente natural
Uma maneira eficaz de amenizar o impacto de tais accedilotildees sobre o meio ambiente
consiste no aproveitamento da energia solar que eacute uma fonte de energia renovaacutevel tanto
como fonte de calor quanto de luz O sol eacute responsaacutevel direta ou indiretamente pela
maioria das fontes de energia utilizadas atualmente a energia do sol eacute responsaacutevel pela
evaporaccedilatildeo a radiaccedilatildeo solar induz as circulaccedilotildees atmosfeacutericas causando ventos necessaacuterios
para a obtenccedilatildeo de energia eoacutelica [1] A energia luminosa pode ser transformada em
energia eleacutetrica por meio das ceacutelulas solares Na atualidade eacute uma das alternativas
energeacuteticas mais promissoras para enfrentar os desafios dos proacuteximos anos
Por ser uma energia captada diretamente a partir da incidecircncia dos raios solares a
energia produzida por ceacutelulas fotovoltaicas eacute uma tecnologia que natildeo emite gases
poluentes na atmosfera e natildeo produz ruiacutedos nem vibraccedilotildees durante o processo de
conversatildeo
Embora seja uma tecnologia relativamente antiga a produccedilatildeo de energia por ceacutelulas
fotovoltaicas natildeo teve ainda grande expansatildeo comercial devido ao elevado preccedilo de
implantaccedilatildeo do sistema Com a existecircncia de grupo gerador movido a diesel mais barato
haacute um maior uso desse tipo de sistemas em lugares que natildeo satildeo atendidos pela rede de
energia puacuteblica [23]
Tendo em vista esse cenaacuterio soacutecio econocircmico e tambeacutem ambiental existe a
necessidade de se buscar novas tecnologias para a produccedilatildeo de ceacutelulas fotovoltaicas a
custos mais acessiacuteveis viabilizando assim sua execuccedilatildeo tendo em vista que a energia solar
eacute importante na preservaccedilatildeo do meio ambiente por apresentar vantagens sobre as outras
formas de obtenccedilatildeo de energia [4] Para cada metro quadrado de coletor solar instalado
evita-se a inundaccedilatildeo de cinquumlenta e seis metros quadrados de terras feacuterteis para a
construccedilatildeo de novas usinas hidreleacutetricas
A energia solar fotovoltaica eacute a energia da conversatildeo direta da luz em eletricidade
(Efeito Fotovoltaico) que consiste no aparecimento de uma diferenccedila de potencial nos
3
extremos de uma estrutura de material semicondutor produzido pela absorccedilatildeo da luz A
ceacutelula fotovoltaica eacute a unidade fundamental no processo de conversatildeo [5]
As ceacutelulas solares orgacircnicas necessitam de muito menos energia para serem
fabricadas que as de siliacutecio convencional ie o consumo de energia gasto para fabricaccedilatildeo
de uma ceacutelula solar orgacircnica eacute muito pequeno de forma que a energia por ela gerada seraacute
muito maior do que a gasta para a sua fabricaccedilatildeo A ceacutelula solar de siliacutecio possui um
processo de fabricaccedilatildeo com preccedilos elevados inviabilizando sua fabricaccedilatildeo em larga escala
devido aos gastos elevados de energia em sua produccedilatildeo O impacto final no balanccedilo de
energia natildeo eacute positivo ou seja se gasta muito mais energia para produzir a ceacutelula que a
energia que ela eacute capaz de gerar em curto prazo
A partir de uma reflexatildeo sobre este cenaacuterio observou-se que semicondutores
orgacircnicos baseados em pequenas moleacuteculas conjugadas e poliacutemeros oferecem a
oportunidade de produzir dispositivos com larga aacuterea e baixo custo sobre substratos
plaacutesticos flexiacuteveis [67] Nesse campo as misturas de poliacutemeros (blendas polimeacutericas) ou a
aditivaccedilatildeo de poliacutemeros produzem resultados interessantes Um exemplo eacute o poliestireno
(PS) e o poli-metacrilato de metila (PMAM) misturado com oacuteleo de buriti (Mauritia
flexuosa) o material modificado tem alta absorccedilatildeo entre 250 nm a 700 nm com o maacuteximo
em 320 nm [8] Isto o torna um candidato promissor para os estudos fotovoltaicos A partir
da descoberta dos poliacutemeros condutores e suas propriedades as investigaccedilotildees sobre a
possibilidade de empregaacute-los como mateacuteria prima na construccedilatildeo de dispositivos
fotovoltaicos foram intensificadas
Com base nessas observaccedilotildees optou-se por investigar misturas de PS e PMAM
com oacuteleo de buriti a fim de construir e caracterizar dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos
Tais dispositivos podem ser construiacutedos sobre substratos plaacutesticos e em temperatura
ambiente desta forma sendo flexiacuteveis e com baixo custo [9] Entre os diversos materiais
potencialmente interessantes para esse fim encontra-se tambeacutem o Poli (3-hexiltiofeno)
(P3HT) Com base em vaacuterias referecircncias [1011] sobre o uso do P3HT misturado com
nanopartiacuteculas e com C60 (Fulereno) resolveu-se testar a mistura P3HT com oacuteleo de Buriti
Este trabalho consiste no estudo para o desenvolvimento e caracterizaccedilatildeo de
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos baseados no oacuteleo de buriti que apresenta propriedades
oacutepticas de absorccedilatildeo misturado com poliacutemeros isolantes (PS e PMAM) e com o poliacutemero
semicondutor P3HT
4
11 ndash OBJETIVO GERAL
O objetivo do presente trabalho eacute o desenvolvimento e a caracterizaccedilatildeo de
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos a partir de poliacutemero semicondutor ou de poliacutemeros
isolantes modificados pelo oacuteleo de buriti
12 ndash OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS E ORGANIZACcedilAtildeO DO ESTUDO
1 Fazer deposiccedilatildeo de filmes finos de blendas polimeacutericas a partir de
mistura de poliacutemeros isolantes PS e PMAM e do poliacutemero
semicondutor P3HT com oacuteleo de buriti
2 Montagem dos dispositivos em substratos de vidro e de plaacutestico
3 Caracterizaccedilatildeo eleacutetrica dos dispositivos desenvolvidos atraveacutes de
medidas diretas sob iluminaccedilatildeo de lacircmpadas e luz solar direta
Medidas das curvas IndashV no escuro e com iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio
4 Caracterizaccedilatildeo morfoloacutegica dos filmes depositados por spin coater
Medir as espessuras dos filmes e aacuterea ativa
Ao longo desta pesquisa seraacute mostrada a confecccedilatildeo dos dispositivos que
apresentaram algum comportamento fotovoltaico ou aqueles que tiveram resultados
interessantes Vaacuterias tentativas foram feitas a fim de buscar aquelas que apresentassem
resultados e comportamento satisfatoacuterio para um dispositivo fotovoltaico orgacircnico
Este trabalho foi dividido em quatro capiacutetulos No capiacutetulo dois seraacute feita uma
revisatildeo de alguns conceitos importantes sobre dispositivos orgacircnicos materiais utilizados
e equipamentos de caracterizaccedilatildeo No capiacutetulo trecircs seratildeo descritos os procedimentos
experimentais e resultados os quais seratildeo subdivididos em dados experimentais I II e III e
em alguns casos subdivididos em etapas Seratildeo abordadas as teacutecnicas utilizadas nas
construccedilotildees e caracterizaccedilotildees dos dispositivos No capiacutetulo quatro seratildeo apresentadas as
conclusotildees e recomendaccedilotildees para trabalhos futuros
5
Capiacutetulo II
Conceitos Baacutesicos
6
2 ndash CONCEITOS BAacuteSICOS
21 ndash POLIacuteMEROS CONDUTORES
O termo poliacutemero eacute usado para designar macromoleacuteculas formadas pela repeticcedilatildeo
de unidades chamadas de monocircmeros Alguns poliacutemeros ocorrem naturalmente outros satildeo
sintetizados Os poliacutemeros sinteacuteticos tiveram seu grande desenvolvimento no iniacutecio do
seacuteculo 20 poreacutem a grande maioria dos poliacutemeros desenvolvidos nessa eacutepoca era isolante
Na deacutecada de 50 surgiram os primeiros poliacutemeros condutores extriacutensecos que eram
poliacutemeros isolantes incorporados com materiais portadores de cargas eleacutetricas
Nos anos 70 a equipe de Hideki Shirakawa et al [12] do instituto de Tecnologia de
Toacutequio produziu um filme de poliacetileno ([CH]n) de coloraccedilatildeo prateada e que conduzia
corrente depois Shirakawa produziu um outro filme condutor de poliacetileno de
coloraccedilatildeo dourada e com maior condutividade apoacutes dopagem com iodo Apoacutes as primeiras
descobertas vaacuterios outros poliacutemeros condutores foram desenvolvidos A descoberta das
propriedades eleacutetricas do poliacetileno laureou Heeger McDiarmid e Shirakwa com o
precircmio Nobel de quiacutemica em 2000 [12]
Os poliacutemeros condutores tambeacutem satildeo chamados de metais sinteacuteticos por possuiacuterem
propriedades eleacutetricas oacutepticas e magneacuteticas semelhantes aos metais e semicondutores
Os semicondutores orgacircnicos satildeo poliacutemeros cuja estrutura principal eacute composta por
carbono Satildeo semicondutores porque possuem ligaccedilotildees simples e duplas alternadas A
figura 21 mostra a estrutura quiacutemica do condutor orgacircnico poliacetileno cuja estrutura eacute a
mais simples
A sobreposiccedilatildeo de dois niacuteveis eletrocircnicos (orbitais) cria separaccedilotildees nos niacuteveis de
energia formando um orbital ligante (π) e um antiligante (π) que podem ser chamados de
banda de valecircncia e banda de conduccedilatildeo respectivamente Os orbitais podem ser
classificados de duas formas orbital molecular mais baixo desocupado (LUMO) e orbital
molecular mais alto ocupado (HOMO)
Figura 2 1 ndash Estrutura quiacutemica do poliacetileno mostrando as ligaccedilotildees alternadas em
simples e duplas
7
Semelhante aos semicondutores inorgacircnicos os semicondutores orgacircnicos possuem
dois eleacutetrons em cada niacutevel de energia com spin oposto formando ao longo da cadeia os
orbitais π e π com banda similar aos inorgacircnicos [13] Na figura 22 o orbital π
corresponde agrave banda de valecircncia (BV) e o orbital π a banda de conduccedilatildeo (BC)
Em temperatura de 0K todos os estados eletrocircnicos da banda BV estatildeo ocupados
enquanto que os da BC estatildeo desocupados O espaccedilo entre a BC (LUMO) e BV (HOMO) eacute
chamado de Energia de banda proibida (Eg)
Figura 2 2 ndash Formaccedilatildeo da estrutura do condutor poliacetileno (a) Formaccedilatildeo de bandas
distintas pela superposiccedilatildeo de N orbitais (b) aproximaccedilatildeo da banda riacutegida para um nuacutemero
grande de orbitais
22 ndash DISPOSITIVOS FOTOVOLTAICOS ORGAcircNICOS
Os dispositivos fotovoltaicos transformam energia luminosa em energia eleacutetrica
Satildeo divididos em duas classes de acordo com a aplicaccedilatildeo tecnoloacutegica Detectores de luz
como os fotodetectores e fotocondutores e ceacutelulas solares que convertem luz em energia
eleacutetrica [14 15] A conversatildeo da luz solar em energia eleacutetrica nas ceacutelulas solares depende
da geraccedilatildeo de cargas positivas e negativas e da captura das mesmas pelos eletrodos antes
das recombinaccedilotildees dos pares eleacutetrons ndash lacunas
O dispositivo fotovoltaico orgacircnico eacute composto de uma camada ativa
ensanduichada entre dois eletrodos com diferentes funccedilotildees trabalho Para melhor captaccedilatildeo
da luz um dos eletrodos tem que ser transparente Os materiais mais usados como eletrodo
8
transparente satildeo o oacutexido de estanho (TO) o oacutexido de estanho iacutendio (ITO) e oacutexido de
estanho dopado com fluacuteor (FTO) [14] O outro eletrodo pode ser feito de alumiacutenio caacutelcio
ouro prata cobre etc A figura 23 mostra o esquema de um dispositivo fotovoltaico
orgacircnico (ceacutelula solar orgacircnica)
Figura 2 3 ndash Estrutura de uma ceacutelula solar orgacircnica A camada ativa pode compreender
uma ou mais camadas semicondutoras uma mistura de materiais ou a combinaccedilatildeo destas
duas estruturas
Quando a camada ativa eacute iluminada por alguma fonte de luz atraveacutes do eletrodo
transparente a energia luminosa eacute transferida aos eleacutetrons que estatildeo no niacutevel HOMO Os
eleacutetrons absorvem a energia do foacuteton e satildeo promovidos para o niacutevel LUMO criando assim
uma lacuna no niacutevel HOMO O eacutexciton eacute definido como o par eleacutetron-lacuna ligado pela
atraccedilatildeo Coulombiana e eacute chamado de ―eacutexciton Wannier ―[16]
A figura 24 mostra a seccedilatildeo transversal de um dispositivo fabricado da maneira
mais simples contendo uma camada de poliacutemero entre dois eletrodos A aacuterea ativa eacute a
parte da sobreposiccedilatildeo do filme da camada ativa com o filme do eletrodo de contato de
prata Um dos eletrodos deve ser transparente agrave entrada de luz neste caso o FTO
Figura 2 4 ndash Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um dispositivo fotovoltaico feito com uma
camada de poliacutemero entre dois eletrodos
9
O processo de geraccedilatildeo de fotocorrente em dispositivos orgacircnicos fotovoltaicos
segue os seguintes passos mostrados na figura 25
Figura 2 5 ndash Processos envolvidos na geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica em um dispositivo
fotovoltaico orgacircnico
Apesar dos poliacutemeros conjugados apresentarem alto coeficiente de absorccedilatildeo em
torno de 105 cm
-1 somente parte da luz eacute absorvida e seraacute convertida em pares eleacutetrons-
lacunas Esses pares eleacutetrons - lacunas contribuiratildeo para a fotocorrente a qual ainda
depende da espessura da camada ativa polimeacuterica
O comprimento de difusatildeo de um eacutexciton em poliacutemeros conjugados eacute cerca de 10
nm devido a isso a espessura da camada ativa possui influecircncia direta sobre o
funcionamento do dispositivo Dispositivo com camada ativa muito espessa apresenta
resistecircncia agrave movimentaccedilatildeo dos portadores de cargas impedindo que as cargas positivas e
negativas sejam coletadas em seus respectivos eletrodos
Para ter um dispositivo com bom desempenho deve se construir camada ativa na
ordem de dezenas de nanocircmetros Os eacutexcitons devem ser criados nas proximidades das
interfaces do metalcamada ativa (regiatildeo ativa mostrado na figura 24) onde possa existir
maior efeito de alto campo eleacutetrico favorecendo assim a dissociaccedilatildeo dos eacutexcitons [17]
Para haver uma diferenccedila de potencial eacute necessaacuterio que os portadores sejam
coletados pelos respectivos eletrodos antes de se recombinarem A dissociaccedilatildeo do eacutexciton
ocorre em regiatildeo de alto campo eleacutetrico geralmente na interface metal-poliacutemero A figura
26 mostra um diagrama de energia para o dispositivo fotovoltaico orgacircnico sob
iluminaccedilatildeo
10
Figura 2 6 ndash Diagrama de niacuteveis de energia de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico Sob
iluminaccedilatildeo o eleacutetron (e-) eacute jogado para o niacutevel de maior energia LUMO deixando uma
lacuna (h+) no niacutevel de menor energia HOMO (Criaccedilatildeo do eacutexciton) que seratildeo coletados
pelos eletrodos 1 funccedilatildeo trabalho do 1ordm eletrodo (transparente) 2 funccedilatildeo trabalho do
2ordm eletrodo χ eletroafinidade IP potencial de ionizaccedilatildeo e Eg energia do gap
23 ndash CARACTERIZACcedilAtildeO DO DISPOSITIVO FOTOVOLTAICO
Para fazer comparaccedilotildees e caracterizar os dispositivos alguns paracircmetros satildeo
importantes para determinar a eficiecircncia entre os diferentes tipos de camada ativa dos
dispositivos Por meio do espectro dinacircmico ou resposta espectral teremos a eficiecircncia
quacircntica externa (IPCE) Para obterem-se os valores de tensatildeo circuito abeto (VOC)
corrente de curto circuito (ISC) fator de preenchimento (FF) e eficiecircncia de conversatildeo de
potecircncia () foram usados os valores retirados das curvas caracteriacutesticas I ndashV no escuro e
sob iluminaccedilatildeo [18]
231ndash Eficiecircncia quacircntica externa (IPCE)
Para se obter a resposta espectral ou espectro dinacircmico a amostra eacute submetida a
um feixe de luz monocromaacutetica de vaacuterios comprimentos de onda sem a aplicaccedilatildeo de
11
tensatildeo A eficiecircncia quacircntica externa eacute a razatildeo entre a densidade de fotocorrente de curto
circuito (JSC) medida e a intensidade de luz monocromaacutetica que incide sobre a amostra
conforme mostra a equaccedilatildeo 21
IPCE()=
(21)
Onde
JSC eacute a densidade de fotocorrente de curto circuito dada em microAcm2
λ eacute o comprimento de onda em nm
I0 eacute a intensidade de luz incidente em W m2
1024 eacute o fator de conversatildeo de energia em comprimento de onda [18]
Portanto o IPCE eacute um valor de medida de eficiecircncia para os dispositivos
fotovoltaicos
232 ndash Tensatildeo de circuito aberto (VOC) e Corrente de curto circuito (ISC)
Quando os materiais orgacircnicos das camadas ativas satildeo colocados em contato com o
eletrodo inorgacircnico existe um balanceamento de cargas entre os materiais de diferentes
funccedilotildees trabalhos ateacute que o equiliacutebrio seja atingido Nesta situaccedilatildeo haacute um nivelamento dos
niacuteveis de energia de Fermi dos materiais e um campo eleacutetrico intriacutenseco eacute criado na
interface do dispositivo
Em um dispositivo sob iluminaccedilatildeo depois da dissociaccedilatildeo dos eacutexcitons as cargas
satildeo transportadas para os eletrodos pelo campo eleacutetrico intriacutenseco que iraacute aumentar a
energia do eletrodo de menor funccedilatildeo trabalho (1) e diminuir a energia de Fermi do
eletrodo de maior funccedilatildeo trabalho (2) quase atingindo a condiccedilatildeo de banda plana
criando uma diferenccedila de potencial definida como tensatildeo de circuito aberto VOC
A figura 27 mostra o diagrama esquemaacutetico de um dispositivo fotovoltaico A
tensatildeo de circuito aberto VOC pode ser obtida da curva caracteriacutestica IndashV de um dispositivo
sob iluminaccedilatildeo quando a corrente eacute zero
12
Figura 2 7 ndash Diagrama esquemaacutetico do dispositivo fotovoltaico 2 poliacutemero1 no escuro
com o alinhamento dos niacuteveis de Fermi a) e sob iluminaccedilatildeo b) potencial de built-in ( Vbi)
intriacutenseco em temperatura ambiente esta proacuteximo ao valor de tensatildeo
Em temperaturas baixas a iluminaccedilatildeo poderaacute trazer a condiccedilatildeo de banda plana e a
tensatildeo de circuito aberto VOC seraacute igual ao potencial de built in (Vbi) Este potencial eacute
definido como a diferenccedila de funccedilatildeo trabalho entre os eletrodos em temperatura ambiente
pois a condiccedilatildeo de banda plana natildeo eacute totalmente atingida e uma pequena correccedilatildeo deve ser
adicionada ao VOC para obter o Vbi [14]
O valor da corrente eleacutetrica maacutexima que atravessa o dispositivo quando iluminado
sem nenhuma tensatildeo aplicada eacute chamado de corrente de curto circuito (ISC)
Para definir a densidade de fotocorrente (JSC) utiliza-se o valor de ISC dividido pela
aacuterea ativa do dispositivo
233 ndash Curva caracteriacutestica IndashV
Atraveacutes da curva IndashV temos a resposta eleacutetrica do dispositivo fotovoltaico A figura
28 mostra a curva caracteriacutestica IndashV no escuro e sob iluminaccedilatildeo de um dispositivo ideal
fotovoltaico No escuro a curva de resposta eacute semelhante agrave de um diodo retificador quando
a corrente soacute aparece para a tensatildeo direta Sob iluminaccedilatildeo a curva de ISC desce para o
terceiro e quarto quadrante Na polarizaccedilatildeo direta o eletrodo de maior funccedilatildeo trabalho eacute
polarizado positivamente e o de menor funccedilatildeo trabalho eacute polarizado negativamente
[1819]
13
Figura 2 8 ndash Curva caracteriacutestica IndashV de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico no escuro e
sob iluminaccedilatildeo Tambeacutem eacute mostrado o ponto de corrente de curto circuito e tensatildeo de
circuito aberto O retacircngulo pintado indica o fator de preenchimento (FF)
234 ndash Fator de preenchimento (FF) e Conversatildeo de Potencia ()
A quantidade maacutexima de energia eleacutetrica extraiacuteda do dispositivo fotovoltaico eacute
determinada pelo fator de preenchimento (FF) ou seja eacute a razatildeo entre a potecircncia maacutexima
fornecida pelo dispositivo fotovoltaico e a potecircncia nominal do mesmo Na figura 8 o fator
de preenchimento eacute representado pela razatildeo entre as aacutereas do retacircngulo cinza (representa a
potecircncia maacutexima que o dispositivo fornece) pela aacuterea do retacircngulo azul (representa a
potecircncia nominal) Assim a equaccedilatildeo 22 mostra a relaccedilatildeo matemaacutetica para a obtenccedilatildeo do
FF
(22)
Onde Vm e Im satildeo as intersecccedilotildees da curva IndashV com a potecircncia maacutexima do
retacircngulo
14
Para aplicaccedilatildeo de um dispositivo fotovoltaico como ceacutelulas solares um dos focos
de interesse eacute a potecircncia eleacutetrica extraiacuteda que eacute determinada pela eficiecircncia de conversatildeo
de potecircncia () Para encontrar este valor divide-se o valor da potecircncia maacutexima gerada
pela ceacutelula (P) pela potecircncia da luz incidente (Pin) A expressatildeo para o caacutelculo de eacute
mostrada na equaccedilatildeo 23
=
(23)
Onde I0 eacute a intensidade de luz incidente sobre a ceacutelula solar Usando a equaccedilatildeo 22
para calculara o FF temos a equaccedilatildeo 24
(24)
24 ndash POLIacuteMEROS UTILIZADOS
Os poliacutemeros sinteacuteticos satildeo produtos quiacutemicos obtidos sinteticamente que
apresentam cadeias longas e dentre eles podemos encontrar materiais importantes para o
uso em engenharia
As propriedades dos poliacutemeros dependem muito do tipo de monocircmero que o
originaram Outros fatores que influenciam suas propriedades satildeo o tipo de reaccedilatildeo
empregada para sua obtenccedilatildeo e a teacutecnica de preparaccedilatildeo Podemos citar trecircs tipos de reaccedilotildees
a partir das quais se podem produzir um poliacutemero a poliadiccedilatildeo policondensaccedilatildeo e a
modificaccedilatildeo quiacutemica de outro poliacutemero [20]
241 ndash Polistireno (PS)
O PS eacute uma resina termoplaacutestica foi descoberto em 1831 Apesar de ter sido
proposto para uso logo apoacutes sua descoberta demorou a ser colocado no comeacutercio Isto
ocorreu porque a polimerizaccedilatildeo do monocircmero natildeo era controlada e ocorria muito
rapidamente dificultando o carregamento e a estocagem dos monocircmeros A representaccedilatildeo
da estrutura quiacutemica do PS pode ser vista na figura 29 [21]
15
Figura 2 9 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PS (C8H8)n
O PS eacute um dos plaacutesticos mais utilizados no Brasil cuja aplicaccedilatildeo pode se estender a
diversos tipos de utensiacutelios para uso domeacutesticos Em uso na fabricaccedilatildeo de objetos tais
como brinquedos escovas embalagens riacutegidas para cosmeacuteticos no isolamento ao frio na
embalagem de equipamentos em pranchas flutuantes em paineacuteis para a induacutestria
automobiliacutestica e produtos para a induacutestria de eletro-eletrocircnico etc
Suas caracteriacutesticas marcantes satildeo rigidez semelhante ao vidro alta resistecircncia
quiacutemica baixa resistecircncia a solventes orgacircnicos baixa resistecircncia a intempeacuteries boa
condiccedilatildeo de isolamento teacutermico e eleacutetrico relevante sensibilidade agrave luz incolor e
transparente [21] Frente ao calor eacute classificado como termoplaacutestico de uso geral Trata-se
de um poliacutemero de baixo custo e de faacutecil aquisiccedilatildeo No Brasil os principais fabricantes satildeo
a BASF do Brasil que produz o PS com o nome comercial de Plystirol e a Monsanto do
Brasil que o fabrica com o nome comercial de Lustrex Possui temperatura de fusatildeo
cristalina (Tm) 235 degC e temperatura de transiccedilatildeo viacutetrea (Tg) de 100 degC [20]
242 ndash Poli metacrilato de metila (PMAM)
Eacute um poliacutemero amorfo linear sua siacutentese eacute por adiccedilatildeo e requer um centro ativo
como iniciador Possui caracteriacutesticas oacutepticas e mecacircnicas resistentes aos aacutecidos orgacircnicos
[21 22] A representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica pode ser vista na figura 210
16
Figura 2 10 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PMMA (C5O2H8)n
Tambeacutem conhecido como plaacutestico acriacutelico esse termoplaacutestico eacute um poliacutemero
sinteacutetico de origem petroquiacutemica assim como o PS cujas principais caracteriacutesticas satildeo
transparecircncia boa resistecircncia quiacutemica resistente a impactos e a intempeacuteries
Eacute um poliacutemero considerado de baixo custo e de faacutecil aquisiccedilatildeo No Brasil
destacam-se como fabricantes a CP Bahia e a Rohm amp Haas que produzem
respectivamente o Acrigel e o Acryloid
O PMAM eacute usado em placas para sinalizaccedilatildeo de traacutefego em estradas nas induacutestrias
automobiliacutesticas de aviaccedilatildeo e na construccedilatildeo civil Eacute vastamente empregado na fabricaccedilatildeo
de fibras oacutepticas e em eletro-eletrocircnicos aleacutem disso o PMAM tem sido utilizado na
ortopedia desde sua siacutentese Pesquisa na aacuterea da eletrocircnica orgacircnica estaacute sendo
desenvolvida [2223] e tambeacutem na aacuterea da medicina como na esteacutetica e em outras
aplicaccedilotildees na aacuterea da sauacutede [2425]
Possui temperatura de fusatildeo cristalina (Tm) 160 degC e temperatura de transiccedilatildeo viacutetrea
(Tg) de 105 degC[20]
243 ndash Poli(34-Etileno Dioxitiofeno)Poli(Estireno-Sulfonato) (PEDOTPSS)
As pesquisas sobre poliacutemeros condutores tecircm atraiacutedo cientistas e grandes empresas
Ao longo desta deacutecada grandes descobertas foram realizadas em relaccedilatildeo aos poliacutemeros
condutores [26]
Cientistas da Bayer AG [27 28] contribuiacuteram para o desenvolvimento do Poli (34-
etileno dioxitiofeno) (PEDOT) que apresenta propriedades e caracteriacutesticas interessantes
mesmo em seu estado dopado A cadeia principal estaacute representada na figura 211
17
Figura 2 11 ndash Representaccedilatildeo da cadeia principal do PEDOT [28]
O PEDOT possui alta condutividade contudo natildeo eacute soluacutevel em aacutegua Para tornaacute-lo
soluacutevel foi adicionado o poli (estireno sulfonado) (PSS) assim as altas taxas de
condutividade foram perdidas no processo de dopagem Apesar disto a combinaccedilatildeo do
PEDOTPSS ilustrado na figura 212 resultou em um poliacutemero com caracteriacutesticas e
condiccedilotildees favoraacuteveis tornando simples a deposiccedilatildeo dos filmes
O PEDOTPSS eacute apresentado em soluccedilatildeo azul escuro e possui condutividade
maacutexima de 10 S cm (depende da espessura e do processo de confecccedilatildeo do filme) Mostra
alta taxa de absorccedilatildeo luminosa entre 900 nm e 2000 nm [28]
Figura 2 12 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica da interaccedilatildeo entre o PEDOT e PSS [28]
O PEDOTPSS eacute um exemplo de poliacutemero condutor comercial que atraiu usuaacuterios e
pesquisadores em vaacuterios paiacuteses Atualmente existem vaacuterios estudos de dispositivos
orgacircnicos para aplicaccedilotildees em ceacutelulas solares que utilizam o PEDOTPSS [30-32] Seu uso
18
em pesquisas se estende a outros dispositivos orgacircnicos como OLEDs sensores
transistores etc [32 33]
244 ndash Poli (3-hexiltiofeno) (P3HT)
O P3HT eacute um poliacutemero sinteacutetico semicondutor tipo p fabricado e comercializado
pela Aldrichreg possui alto peso molecular Sua estrutura com grades reacutegio-regulares
favorece os estudos para aplicaccedilotildees em ceacutelulas fotovoltaicas orgacircnicas (OPV) Possui
propriedades fotoluminescentes na faixa de comprimento de onda 450 nm e 575 nm [34]
Tambeacutem pode ser combinado com outro tipo de poliacutemeros para aplicaccedilotildees em ceacutelulas
solares [35-37] O transporte de cargas majoritaacuterio eacute de lacunas
A Soluccedilatildeo do P3HT pode ser solubilizada em clorofoacutermio (CHCL3) Aleacutem deste
solvente o P3HT pode ser diluiacutedo em tolueno (C7H8) tri-cloro-benzeno cloro-benzeno e
xyleno soluacutevel A estrutura quiacutemica pode ser vista na figura 213
Figura 2 13 ndash Estrutura quiacutemica do P3HT (C10H18S)n
245 ndash Oacuteleo de Buriti (Mauritia Flexuosa L) ndash OB
A palmeira do buriti (Mauritia flexuosa L) aparece em regiotildees de vaacuterzea e brejo e eacute
comumente encontrada na regiatildeo da Amazocircnia A figura 214 ilustra a foto da palmeira do
buritizeiro Tanto as palmeiras como os frutos satildeo muito utilizados pelas pessoas que
moram nas regiotildees ribeirinhas por exemplo para fazer coberturas de casas com as folhas
ou para extrair a polpa dos frutos para o uso na alimentaccedilatildeo
19
Figura 2 14 ndash Foto da palmeira do Buriti (Mauritia Flexuosa) conhecida como Buritizeiro
[21]
A palmeira do buritizeiro costuma ter altura de ateacute cinquumlenta metros A meacutedia de
frutos colhidos em todos os cachos varia de quinhentos a oitocentos frutos O fruto do
buriti apresenta forma arredondada e eliacuteptica mede aproximadamente de quatro a seis
centiacutemetros de diacircmetro com peso variando entre vinte e cinco a quarenta gramas A
figura 215 ilustra o fruto do buritizeiro tambeacutem pode ser observada a cor amarelada da
polpa
Figura 2 15 ndash Ilustraccedilatildeo dos frutos maduros do Buriti (a) aspecto da casca (b) polpa de
cor amarelada [21]
Estudos desenvolvidos por Moreira et al [38- 40] mostram propriedades oacutepticas de
absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica na faixa do ultravioleta e do visiacutevel solar (UV-VIS)
20
Duratildees et al [39] estudando as soluccedilotildees do OB diluiacuteda em clorofoacutermio observaram
grau de absorccedilatildeo de radiaccedilatildeo UV-VIS na faixa de 245 248 e 276 nm Tambeacutem foram
avaliadas a incorporaccedilatildeo do OB em matrizes de PMAM e PS que apresentaram niacuteveis de
absorccedilatildeo em comprimentos de onda maiores do que 276 nm
A figura 216 mostra os espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo ultravioleta (UV) dos
filmes de PS e PS com OB nas proporccedilotildees estudadas Observa-se nesses espectros que o
filme de PS sem o OB apresenta absorccedilatildeo insignificante nessa regiatildeo do espectro
eletromagneacutetico Esse material mostra uma pequena banda de absorccedilatildeo entre 250 nm Nos
espectros do material polimeacuterico misturado com OB percebe-se um aumento da absorccedilatildeo
da radiaccedilatildeo como consequumlecircncia do aumento do teor de OB nas amostras Esta absorccedilatildeo eacute
indicada por uma banda larga e intensa entre 275 nm e 375 nm que se desloca para
comprimentos de onda maiores agrave medida que a concentraccedilatildeo do oacuteleo aumenta nos
materiais compostos [40]
Figura 2 16 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PS puro e PSOB [40]
A figura 217 mostra os espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes de
PMAM puro e PMAM OB nas proporccedilotildees estudadas O estudo de espectroscopia por
absorccedilatildeo na regiatildeo do UV mostrou que o OB proporcionou uma elevaccedilatildeo de ateacute 400 na
absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo pelo PMAM misturado com OB Este aumento ocorreu regularmente
21
com o teor do dopante exceto para o material com maior percentual do oacuteleo onde
provavelmente a sua maior quantidade tenha dificultado a incorporaccedilatildeo no PMAM
Como consequumlecircncia da incorporaccedilatildeo do OB na matriz de PMAM foi observada
uma banda larga de absorccedilatildeo entre 260 nm e 380 nm que sofreu deslocamento para
comprimentos de onda maiores acompanhando o aumento no teor de oacuteleo das amostras
Nota-se portanto que o comportamento das amostras de PMAM OB eacute semelhante ao dos
materiais PS OB com exceccedilatildeo da inversatildeo de absorccedilatildeo dos filmes feitos com percentuais
do OB de 3455 e 4681 nos filmes de PMAM
Figura 2 17 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PMAM puro e PMAM
OB [40]
22
Capiacutetulo III
Procedimentos Experimentais e
Resultados
23
3 ndash PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS
31 ndash MATERIAIS
Escolheu-se trabalhar com substrato de vidro por que eacute transparente fornece
sustentaccedilatildeo mecacircnica natildeo se degrada com o calor permite a entrada de luz no dispositivo
e possui uma camada condutora com resistecircncia relativamente baixa As resistecircncias das
lacircminas foram medidas com multiacutemetro digital comum e apresentaram um valor em torno
de 41-70 Ω A resistecircncia desses substratos muda de acordo com o processo de
deposiccedilatildeo dos filmes de FTO [41 42] Tambeacutem foram usados substratos flexiacuteveis de
plaacutestico (PET) no tamanho de 2 cm x 3 cm
Os poliacutemeros condutores usados foram o PEDOTPSS e o P3HT Usou-se o PEDOT
PSS para fazer um dos eletrodos O P3HT foi usado misturado com o oacuteleo de buriti para
fazer um tipo de camada ativa Trabalhou-se com misturas de poliacutemeros isolantes PS e
PMAM com OB preparadas no Laboratoacuterio de Poliacutemeros do Instituto de Quiacutemica da UnB
Usou-se misturas com concentraccedilotildees de 8 e 47 de OB na matriz de PS e misturas com
35 de OB na matriz de PMAM conforme descrito por JR Duratildees em [40]
Para fazer o eletrodo superior usou-se a tinta condutora de prata marca INK
SILVER (tinta 100 prata) com pureza da prata 99 e tamanho da partiacutecula de prata 05
a 70 m dissolvidas em solvente e um verniz de alta aderecircncia (NOS002) Em algumas
amostras usou-se tambeacutem o grafite de um laacutepis HB
32 ndash EQUIPAMENTOS UTILIZADOS
321 ndash Multiacutemetros
Para fazer as medidas eleacutetricas diretas de ISC empregou-se o uso do multiacutemetro
analoacutegico ET-3021 porque possuiacutea escala de ateacute micro ampeacutere Para as medidas diretas de
resistecircncia seacuterie e de VOC usou-se o multiacutemetro digital modelo ET-2042C
322 ndash Spin coater
Os filmes finos foram preparados utilizando um conjunto de equipamento que
compotildee o spin coater (Laureal modelo WS- 400B-6NPPLITE) do Laboratoacuterio de
Dispositivo e Circuitos Integrados da UnB (LDCI) mostrado na figura 31
24
Figura 3 1 ndash (a)bomba de vaacutecuo (b) compressor de ar comprimido (c) vaacutelvula de
controle e (d) spin coater
O equipamento de spin coater consiste em um conjunto composto de bomba de
vaacutecuo compressor de ar comprimido regulador de pressatildeo e o spin coater que possui
compartimento feito de teflon Acoplado ao spin coater haacute um display de cristal liquido
(LCD) para visualizaccedilatildeo dos programas realizados
Tem-se ateacute 20 programas de processamentos (A ateacute T) contendo ateacute 51 etapas cada
um que podem ser armazenados definitivamente na memoacuteria caso haja possibilidade de
modificar o programa posteriormente Cada etapa do programa inclui tempo total de
duraccedilatildeo da deposiccedilatildeo velocidade de rotaccedilatildeo do substrato em rpm e
aceleraccedilatildeodesaceleraccedilatildeo Satildeo possiacuteveis rotaccedilotildees de ateacute 11000 rpm
Na figura 32 haacute uma foto mostrando a lateral e parte da frente do compartimento
onde o substrato eacute colocado no momento da centrifugaccedilatildeo Ao lado do spin coater pode ser
visualizado o display de LCD programaacutevel acoplado
25
Figura 3 2 ndash Equipamento de spin coater instalado no laboratoacuterio LDCI vista lateral e
frontal
323 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores (Curva IndashV)
As curvas IndashV das amostras foram obtidas com um sistema de caracterizaccedilatildeo de
semicondutores Keithley modelo 2400 mostrado na figura 33 o qual permite aplicar
tensotildees entre 1 μV e 1100 V e medir a corrente entre 10 pA e 105 A
Figura 3 3 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores Keithley 2400 laboratoacuterio
LDCI
26
Todo o processo de medidas eacute controlado atraveacutes de um microcomputador que eacute
conectado aos equipamentos atraveacutes de uma interface paralela (General Purpose Interface
Bus (GPIB) que controla os equipamentos coleta e armazena os dados O programa usado
para este fim eacute o software LABVIEW 61
324 ndash Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM)
A caracterizaccedilatildeo morfoloacutegica dos filmes das camadas ativas foi obtida em um
equipamento de medidas de microscopia de forccedila atocircmica AFM marca VEECO DInnova
(figura 34) com ponteira de nitrato de siliacutecio (forma em V) com constante de mola de
058 Nm Todas as imagens foram obtidas em modo contato (512 x 512 pixel) e taxa de
varredura de 1 Hz
Figura 3 4 ndash Vista frontal do AFM marca VEECO Innova
27
Os filmes caracterizados por AFM consistiram em camadas ativas feitas com
soluccedilotildees de PS puro PSOB 47 PMAM puro PMAMOB 35 P3HTOB puro e
P3HT PS OB 47 depositadas sobre substrato de vidro recoberto com FTO por spin
coating e com rotaccedilatildeo de 7000 rpm por 40 segundos
33 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS I
331 ndash Experimentos Etapa 1
Nesta etapa utilizou-se a metodologia adaptada a partir da descriccedilatildeo da montagem da
ceacutelula solar de Graumltzel [43] Essa ceacutelula eacute tambeacutem conhecida como ceacutelula solar de corante
Nessa ceacutelula a geraccedilatildeo de energia eacute produzida por um efeito eletroquiacutemico [44] Para cada
amostra foram usadas duas lacircminas de vidro tamanho 1 cm x 25 cm recoberto com FTO
Os substratos foram utilizados conforme retirados das embalagens ou seja natildeo passaram
por nenhum tipo de limpeza
3311 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo dos eletrodos
Para um dos eletrodos usou-se o grafite que foi obtido a partir de um laacutepis para
desenho HB No lado do substrato contendo o FTO pintou-se a lacircmina com o laacutepis Para o
outro eletrodo foi usado uma soluccedilatildeo PEDOT PSS As amostras foram confeccionadas
manualmente e as deposiccedilotildees foram feitas com pincel comum A soluccedilatildeo de PEDOT PSS
ficou agitando durante 2 horas antes da deposiccedilatildeo sobre o substrato a fim de obter-se uma
soluccedilatildeo mais homogecircnea Devido o filme de PEDOTPSS ser espesso o processo de
secagem a temperatura ambiente foi demorado Assim apoacutes a pintura se fez necessaacuterio a
secagem das amostras na estufa durante 8 horas a 80 ordmC e para concluir o processo
ficaram em temperatura ambiente por mais 24 horas
3312 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo da camada ativa
Antes de fazer a deposiccedilatildeo do filme da camada ativa de PSOB 8 a mistura foi
agitada durante 30 minutos com intuito de obter-se uma dissoluccedilatildeo completa da soluccedilatildeo
28
Sobre o eletrodo de PEDOTPSS foi depositada por casting uma quantidade da soluccedilatildeo de
PSOB 8
3313 ndash Formaccedilatildeo do dispositivo
Para formar o dispositivo as duas lacircminas de vidro foram juntadas uma com
grafite e a outra com PEDOTPSS e a camada ativa de PSOB 8 As duas foram juntadas
antes que a camada ativa estivesse seca de modo a ajudar na colagem das mesmas Para
garantir a uniatildeo fiacutesica das lacircminas foi usado um clipe conforme mostrado na figura 35 A
aacuterea ativa eacute da ordem de 1 cm2
Figura 3 5 ndash Amostras confeccionadas com duas lacircminas de substrato de vidro
recoberto com FTO baseada no modelo de Graumltzel
3314 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
A fonte de iluminaccedilatildeo utilizada na caracterizaccedilatildeo dos dados experimentais e
resultados I consistiu em uma lacircmpada incandescente comum de 100 W ligada em seacuterie
com um varivolt de 240 volts
Foram feitas quatro amostras (CS1 CS2 CS3 e CS4) da forma como descrito
acima As medidas eleacutetricas foram tomadas usando-se dois multiacutemetros um digital e outro
analoacutegico As amostras foram iluminadas com a lacircmpada incandescente de 100 W e foram
observados valores de ISC e VOC nos multiacutemetros a partir de uma tensatildeo de 240 volts na
lacircmpada Todas as amostras ficaram expostas durante aproximadamente 5 minutos Os
valores de ISC e VOC obtidos satildeo mostrados na tabela 31
29
Tabela 3 1 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W) Tensatildeo da
lacircmpada
CS1 mdash mdash mdash 240
CS2 03 09 027 240
CS3 06 05 030 240
CS4 02 01 020 240
3315 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Pode-se observar o aparecimento de VOC e tambeacutem de ISC em trecircs das amostras
confeccionadas com tensatildeo de alimentaccedilatildeo na fonte de iluminaccedilatildeo de 240 volts Os
valores de VOC e ISC satildeo um pouco diferentes entre as trecircs amostras apesar de elas terem
sido confeccionadas seguindo os mesmos procedimentos Isto pode ter sido devido agrave
dificuldade em se controlar a espessura das camadas ativas Os resultados obtidos para VOC
e ISC satildeo menores do que os reportados na literatura [4344] Contudo os materiais usados
satildeo diferentes dos relatados na literatura Neste dispositivo o OB estaacute se comportando
como um corante e promovendo o processo eletroquiacutemico de transformaccedilatildeo de energia
luminosa em energia eleacutetrica Assim uma mudanccedila na concentraccedilatildeo de oacuteleo poderaacute
modificar os resultados obtidos ateacute aqui
332 ndash Experimentos Etapa 2
3321 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras
Na segunda etapa foram confeccionadas quatro amostras (CS5 CS6 CS7 e CS8)
utilizando a mesma metodologia do experimento da Etapa 1 mudando apenas a
concentraccedilatildeo do OB de 8 para 47 No lugar do clipe para unir as duas lacircminas usou-se
fita adesiva
3322 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
As medidas das amostras foram realizadas usando os mesmos equipamentos jaacute
citados e descritos anteriormente Duas destas amostras natildeo tiveram medidas de ISC nem
30
VOC Para as demais soacute foram observadas medidas de VOC e ISC apoacutes a tensatildeo da lacircmpada
atingir 200 volts Todas as amostras ficaram expostas durante 5 minutos Os valores de ISC
e VOC obtidos satildeo mostrados na tabela 32
Tabela 3 2 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W) Tensatildeo da
lacircmpada
CS5 ndash ndash ndash 240
CS6 18 09 162 240
CS7 ndash ndash 240
CS8 09 03 027 240
3323 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Os valores de VOC e ISC obtidos nesta etapa satildeo maiores que os obtidos na Etapa1
Isto pode estar relacionado ao efeito corante do OB Nesta etapa mudou-se a concentraccedilatildeo
de 8 de OB para 47 de OB esse paracircmetro foi o uacutenico a ser mudado entre as duas
etapas Estas amostras bem como as da Etapa 1 natildeo puderam ter seus valores de VOC e ISC
medidos novamente porque as amostras descolavam os eletrodos danificando os
dispositivos Assim estas estruturas natildeo foram repetidas
333 ndash Experimentos Etapa 3
Nesta etapa mudou-se o tipo de substrato e a configuraccedilatildeo das amostras A
configuraccedilatildeo de construccedilatildeo baseada na estrutura dos dispositivos desenvolvidos por
Graumltzel natildeo foi mais usada O substrato de vidro foi substituiacutedo por um substrato de
plaacutestico de Poli (Tereftalato de Etila) (PET) a fim de desenvolver amostras flexiacuteveis e de
menor custo As camadas ativas tiveram a concentraccedilatildeo do OB de 47 O substrato de
PET foi limpo com clorofoacutermio acetona e aacutegua deionizada Apoacutes o processo de limpeza os
substratos foram secos a temperatura ambiente por 2 horas Para substituir a camada
condutora de FTO e construir um dos eletrodos utilizou-se leit-C e leit-C diluente
adquirido da FLUKA esses dois elementos produzem a pasta de carbono O PEDOTPSS
31
foi utilizado para formar um filme sobre o eletrodo de carbono E por uacuteltimo foi usada a
Ag para fazer o eletrodo superior
3331 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras
Com o substrato recortado no tamanho de 2 cm x 3 cm inicia-se o processo de
limpeza As folhas de PET foram imersas em clorofoacutermio durante 30 minutos em soluccedilatildeo
de acetona por mais 30 minutos e por ultimo foram enxaguadas com aacutegua deionizada O
processo de secagem foi realizado em temperatura ambiente dentro da estufa
A pasta de carbono foi preparada para ser o eletrodo inferior Essa foi espalhada
manualmente com ajuda de uma espaacutetula sobre toda a folha do PET Com o substrato
preparado e tendo a superfiacutecie recoberta com um filme de carbono jaacute seco a soluccedilatildeo de
PEDOT PSS foi pintada sobre o filme de carbono com um pincel de cerdas macias
comum Antes da deposiccedilatildeo a soluccedilatildeo de PEDOT PSS foi agitada durante 2 horas
Apoacutes a pintura do filme de PEDOTPSS as amostras foram colocadas na estufa agrave
temperatura de 50 degC durante 8 horas e permaneceram por mais 24 horas em temperatura
ambiente dentro da estufa A camada ativa foi depositada usando uma pipeta contendo 001
uL de PSOB 47 Para formar o contato inferior uma pequena parte do filme de
PEDOTPSS foi deixado visiacutevel
Apoacutes a deposiccedilatildeo da camada ativa as amostras ficaram em temperatura ambiente
por 24 horas para concluir o processo de secagem O eletrodo superior foi pintado com
tinta de Ag sobre uma pequena aacuterea da camada ativa A secagem do eletrodo superior foi
em temperatura ambiente A aacuterea ativa destas amostras eacute da ordem de 05 cm2 A figura 36
a) mostra o esquema final da amostra e a figura 36 b) uma foto do dispositivo finalizado
Figura 3 6 ndash (a) Esquema da amostra confeccionada no substrato flexiacutevel de plaacutestico
(PET) (b) foto do substrato finalizado
32
3332 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
Nesta etapa foram confeccionadas cinco amostras chamadas de P1 P2 P3 P4 e
P5 As medidas eleacutetricas foram realizadas usando os equipamentos jaacute descritos nas etapas
anteriores Os valores de VOC e ISC foram medidos apoacutes a tensatildeo da lacircmpada atingir 200
volts Todas as amostras ficaram expostas sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada durante cinco
minutos As amostras tiveram as resistecircncias medidas Pois os substratos utilizados aqui
eram isolantes e o filme condutor foi construiacutedo manualmente As resistecircncias das
amostras satildeo mostradas na tabela 33 juntamente com os valores de ISC VOC e potecircncia
calculada
Todas as amostras apresentaram valores de VOC e ISC para tensatildeo de iluminaccedilatildeo da
lacircmpada acima de 220 volts exceto a amostra P4 A amostra P4 mostrou valores
mensuraacuteveis de VOC e ISC a partir de iluminaccedilatildeo da lacircmpada com tensatildeo de 110 volts Os
valores desta variaccedilatildeo satildeo mostrados na tabela 34
Tabela 3 3 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (W) Tensatildeo da
Lacircmpada
Resistecircncia
Ohms
P1 ndash ndash ndash 240 540
P2 09 01 09 240 890
P3 15 07 105 240 550
P4 09 06 054 240 1500
2000 P5 24 09 216 240
Tabela 3 4 ndash Valores medidos de VOC e ISC com iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W para variaccedilatildeo de iluminaccedilatildeo para a amostra P4
Variaccedilatildeo das tensotildees VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W)
110 04 01 04
160 06 02 012
220 07 03 021
240 09 06 054
33
3333 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Na tabela 33 natildeo foi observada nenhuma ligaccedilatildeo direta dos valores de ISC e VOC
com as resistecircncias medidas das amostras Em relaccedilatildeo agraves amostras feitas nas Etapas 1 e 2
pode-se notar valores de ISC e VOC maiores
Foi observado que em todas as amostras confeccionadas no substrato de PET apoacutes
alguns minutos de aquecimento pela fonte de luz (lacircmpada de 100 w) as amostras se
deformavam Agrave medida que os testes eram repetidos as amostras se retorciam e em
algumas amostras os filmes ressecaram e se soltaram dos substratos Apesar destes
comportamentos ao se repetir os testes os valores de VOC e ISC permaneciam inalterados
para as amostras que os filmes natildeo estavam completamente rompidos A figura 37
apresenta a foto de uma amostra apoacutes ser submetida agrave fonte iluminaccedilatildeo de lacircmpada
incandescente de 100 W por 20 minutos Devido aacute sua deformaccedilatildeo e degradaccedilatildeo com o
calor este tipo de substrato foi descartada
Figura 3 7 ndash Amostra feita com substrato de PET apoacutes ser submetidos agrave fonte de lacircmpada
incandescente de 100 W por 20 minutos
334 ndash Experimentos Etapa 4
Devido ao retorcimento e agrave deterioraccedilatildeo das amostras confeccionadas com
substrato de PET nesta etapa voltou-se a utilizar o substrato de vidro recoberto com FTO
A prata foi usada para construir o eletrodo superior das amostras Para a camada ativa
continuou-se com uso do PSOB 47 Seguindo o mesmo esquema utilizado anteriormente
34
para confecccedilatildeo das amostras de PET mudou-se apenas o substrato O esquema do
dispositivo pode ser visto na figura 38
3341 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras
As resistecircncias dos substratos de vidro de 1 cm x 25 cm estatildeo entre 89 a 115 Ω
Os substratos foram limpos com clorofoacutermio acetona e aacutegua deionizada
Apoacutes o processo de limpeza todos os substratos foram secos a temperatura
ambiente por 2 horas
O eletrodo de PEDOTPSS foi pintado sobre o filme de FTO do substrato Em
seguida as amostras foram colocadas na estufa a 80 degC durante 24 horas
Apoacutes a secagem da camada de PEDOTPSS foi realizada a deposiccedilatildeo da camada
ativa com o auxilio de uma pipeta contendo 001 ml de soluccedilatildeo de PSOB 47 O
processo de secagem foi em temperatura ambiente por 24 horas
Por uacuteltimo foi feito o contato superior de tinta de Ag sobre a camada ativa de PS
OB 47 utilizando um pincel fino de cerdas comuns A aacuterea ativa foi estimada e ficou em
torno de 025 cm2 A figura 38 a) mostra o esquema que foi usado para confeccionar as
amostras e a figura 38 b) ilustra a amostra finalizada
Figura 3 8 ndash (a) Esquema da amostra para substrato de vidro recoberto com FTO (b) foto
da amostra finalizada
3342 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
Nesta etapa foram confeccionadas 10 amostras que foram nomeadas de v1 v2 v3
v4 v5 v6 v7 v8 v9 e v10 A tabela 35 mostra os valores daquelas que apresentaram
melhores desempenhos de VOC e ISC As medidas eleacutetricas foram realizadas usando os
equipamentos jaacute descritos nas etapas anteriores As medidas obtidas satildeo inferiores agravequelas
jaacute conseguidas nos itens anteriores Valores de VOC e ISC significativos ocorreram apoacutes a
tensatildeo da lacircmpada atingir 220 volts Todas as amostras ficaram expostas sob a luz da
lacircmpada durante 10 minutos As amostras foram iluminadas atraveacutes do vidroFTO
35
Tabela 3 5 ndash Valores de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo de lacircmpada incandescente de 100 W
durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W) Tensatildeo lacircmpada
v3 06 02 012 240
v5 05 01 050 240
v7 11 09 099 240
3343 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Apesar das amostras terem sido feitas seguindo os mesmos procedimentos os
valores de VOC e ISC obtidos satildeo diferentes Isto pode ter ocorrido devido agraves diferenccedilas nas
espessuras das camadas ativas que natildeo puderam ser controladas e tambeacutem no tamanho das
aacutereas ativas que podem ser levemente diferentes Aqui natildeo se pode falar em comparaccedilatildeo
com as outras amostras feitas anteriormente porque a aacuterea da camada ativa foi bastante
reduzida e as estruturas satildeo diferenciadas Desta forma os valores obtidos mesmo
menores ainda satildeo vaacutelidos
34 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS II
341 ndash Misturas usando P3HT
Nesta etapa foi proposto um estudo sobre diferentes misturas para a construccedilatildeo das
camadas ativas sempre incorporando o uso do OB Tipos de camadas ativas utilizadas
PSOB 47 P3HT+OB puro e PSOB 47 + P3HT
Para os trecircs tipos de dispositivos aqui investigados foi usado substrato de vidro
recoberto com FTO sobre o qual foi depositado por spin coating um filme de
PEDOTPSS que serviu como eletrodo inferior As camadas ativas foram depositadas
sobre o eletrodo de PEDOTPSS usando a teacutecnica de spin coating O eletrodo superior foi
pintado com tinta condutiva de Ag A figura 38 mostra o esquema do dispositivo que foi
utilizado para a confecccedilatildeo destas amostras
Para as medidas diretas de VOC e ISC foram usados dois tipos de iluminaccedilatildeo
artificial com lacircmpada de mercuacuterio Spektrallamp 80 W e iluminaccedilatildeo natural solar
36
342 ndash Experimentos Etapa 1
Nas etapas anteriores os filmes das amostras foram produzidos manualmente por
casting mas os resultados obtidos nas medidas iniciais natildeo foram satisfatoacuterios A fim de
buscar melhores resultados e tendo jaacute disponiacutevel no laboratoacuterio o equipamento de spin
coater para produzir filmes mais finos e homogecircneos a metodologia de confecccedilatildeo dos
filmes foi mudada Os filmes finos foram preparados em rotaccedilotildees variadas a fim de se
obter um filme adequado
3421 ndash Preparaccedilatildeo dos filmes por spin coater
Para preparar o primeiro grupo de amostras usaram-se substratos de vidro
recobertos com FTO Todos os substratos foram lavados em aacutegua deionizada e colocados
em estufa a 80degC para secar Para fazer o filme de PEDOTPSS inicialmente foi usada
rotaccedilatildeo de 500 rpm durante 25 segundos para espalhar a soluccedilatildeo uniformemente em todo
o substrato em seguida usou-se uma rotaccedilatildeo de 3000 rpm durante 40 segundos para
finalizar a confecccedilatildeo do filme
O filme de PEDOTPSS obtido dessa forma ficou bastante fino de modo que a
amostra saia do spin coater quase seca A fim de eliminar-se qualquer vestiacutegio do
solvente que no caso do PEDOT PSS usou-se agrave aacutegua as amostras foram colocadas na
estufa em temperatura de 50 degC por 1 hora Antes de depositar a camada ativa uma parte
do filme de PEDOTPSS foi protegido com fita onde foi construiacutedo o eletrodo inferior
Foram preparados trecircs tipos de soluccedilotildees para formar a camada ativa A primeira foi
uma soluccedilatildeo jaacute preparada de PS OB 47 no LABPOL do instituto de Quiacutemica UnB [41]
A segunda uma mistura de PS OB 47 mais o P3HT na proporccedilatildeo de 11 e a terceira foi
uma soluccedilatildeo de 1 ml de P3HT com 001 ml de OB puro As trecircs soluccedilotildees foram agitadas
durante 2 horas antes de serem depositadas por spin coating Os filmes da camada ativa
foram feitos com rotaccedilatildeo de 4000 rpm durante 40 segundos
Como o clorofoacutermio eacute um solvente que tem evaporaccedilatildeo raacutepida a deposiccedilatildeo da
camada ativa foi feita com o substrato jaacute girando no spin coater A deposiccedilatildeo foi realizada
com ajuda de uma pipeta As secagens das camadas ativas foram em temperatura ambiente
dentro da estufa para proteger as amostras de impurezas tais como poeira e contaminaccedilotildees
em geral
37
Por fim foi pintado no topo das amostras o eletrodo de Ag Foram construiacutedas duas
geometrias para se observar a influecircncia na quantidade de cargas coletadas e tambeacutem a
influecircncia do tamanho da aacuterea ativa As geometrias satildeo mostradas nas figuras 39 (a) e 39
(b)
Figura 3 9 ndash (a) Geometria do eletrodo de Ag confeccionado em forma de ponto e (b)
geometria do eletrodo de Ag feito em forma de trilhas
3422 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W
A fonte de iluminaccedilatildeo utilizada na caracterizaccedilatildeo dos dados experimentais e
resultados II consistiu em uma lacircmpada Hg spektrallamp de 80 W ligada a uma fonte de
alimentaccedilatildeo DROSSEL FUumlR SPEKTRALLAMP POWER SUPPLY FOR SPECTRAL
LAMPS
As medidas eleacutetricas das amostras foram realizadas usando os mesmos
equipamentos jaacute citados nos dados experimentais e resultados I
Cada amostra ficou exposta agrave radiaccedilatildeo direta da lacircmpada de Hg aproximadamente
por 5 minutos Para estas medidas natildeo foram considerados interferecircncia acircngulo de
inclinaccedilatildeo da amostra ou da lacircmpada Os valores de VOC e ISC obtidos para os dois tipos de
contatos para as geometrias desenhadas em forma de ponto e em trilha satildeo mostrados nas
tabelas 36 e 37 respectivamente
38
Tabela 3 6 ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito com um ponto de
prata Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PSOB 47 02 001 2
OB puroP3HT 06 002 12
PSOB 47P3HT 06 002 12
Tabela 3 7ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito de prata em forma de
trilhas com concentraccedilatildeo em um ponto Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PSOB 47 12 006 72
OB puroP3HT 11 005 55
PSOB 47P3HT 11 005 55
3423 ndash Caracterizaccedilatildeo com luz solar direta
As amostras com geometria de contato em forma de trilhas foram escolhidas para
serem caracterizadas pela luz solar direta Pois este grupo de amostra apresentou melhores
desempenhos quando submetidas agrave luz da lacircmpada espectral de Hg em relaccedilatildeo agraves amostras
confeccionadas com eletrodos em forma de ponto As medidas foram realizadas em dia de
sol intenso nos horaacuterios entre onze horas e doze horas Para realizar estas medidas foi
utilizada uma lente convergente [45] Isso foi feito para concentrar os raios solares sobre as
amostras Todas as amostras deste grupo ficaram expostas por aproximadamente 5 minutos
cada Os resultados satildeo mostrados na tabela 38
Tabela 3 8 ndash Resultados obtidos das medidas de VOC e ISC usando luz solar direta durante
5 minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PSOB 47 22 002 44
OB puroP3HT 18 002 36
PSOB 47P3HT 17 001 17
39
3423 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Para as amostras com contato de prata com a geometria desenhada em forma de
trilhas foram observados valores de VOC e ISC maiores do que aqueles com contato de
prata desenhado em forma de ponto Isto indica que realmente a geometria das trilhas
favorece a coleta das cargas geradas Neste caso tambeacutem existe uma aacuterea ativa maior o
que contribuiu para uma maior absorccedilatildeo da luz e consequumlentemente um aumento na
quantidade de cargas
As amostras com a camada ativa de PSOB 47 mostraram VOC e ISC superiores agraves
outras que continham a mistura do P3HT em sua camada ativa
Quando as amostras foram submetidas agrave luz solar direta houve um aumento
significativo de VOC contudo tivemos valores de ISC reduzidos em relaccedilatildeo aos valores
obtidos com a iluminaccedilatildeo da lacircmpada Hg Isto pode ser devido ao calor gerado pelo sol
que promoveu um espalhamento das cargas Pode-se notar que a potecircncia fornecida
tambeacutem diminuiu quando a luz solar foi usada como fonte de luz para caracterizaccedilatildeo das
amostras
343 ndash Experimentos Etapa 2
Para fazer uma investigaccedilatildeo em funccedilatildeo da espessura da camada ativa foram
confeccionadas novas amostras Continuou-se o uso dos trecircs tipos de soluccedilotildees para as
camadas ativas PSOB 47 OB puro+P3HT e PSOB 47 +P3HT Com a teacutecnica de
spin coating quanto maior a velocidade de rotaccedilatildeo menores satildeo as espessuras dos filmes
Para se obter filmes com espessuras adequadas os seguintes paracircmetros devem ser
observados viscosidade da soluccedilatildeo velocidade de rotaccedilatildeo e tempo de rotaccedilatildeo
3431 ndash Preparando novas amostras
Nesta etapa utilizou-se apenas rotaccedilatildeo de 3000 rpm para confeccionar o filme de
PEDOTPSS A deposiccedilatildeo foi feita com o auxiacutelio de uma conta gotas sendo que para cada
filme foram usadas duas pequenas gotas (001ml) Essa quantidade de soluccedilatildeo foi
suficiente para conseguir um espalhamento satisfatoacuterio e obter um filme fino e uniforme
Depois da deposiccedilatildeo os substratos satildeo colocados na estufa a 100 degC durante 15 minutos
para concluir o processo de secagem
40
Os trecircs tipos de camadas ativas foram preparadas seguindo o procedimento citado
na etapa 1 dos dados experimentais e resultados II Para esse grupo de amostra foi usado
um programa para o espalhamento do filme da camada ativa com uma rotaccedilatildeo fixa de 6000
rpm durante 25 segundos
Para depositar a mistura da camada ativa usou-se uma pipeta com 01 ml de
soluccedilatildeo Primeiramente depositou-se a mistura e em seguida colocou-se o spin coater
para girar atraveacutes do programa de rotaccedilatildeo previamente programado Esse procedimento
garante a uniformidade do filme As amostras foram levadas para a estufa a 100 degC por 20
minutos
O eletrodo superior foi pintado agrave matildeo O esquema usado para a confecccedilatildeo dos
dispositivos e a foto de uma amostra satildeo mostrados na figura 310 As amostras foram
confeccionadas seguindo o esquema mostrado na figura 310 (b) Todas as amostras deste
grupo tiveram um desenho semelhante ao da foto da figura 310 (a) Pois existem
variaccedilotildees nas espessuras dos contatos de Ag pois foram feitos a matildeo livre e sem muito
controle Isso pode ser um problema pois este eleacutetrodo pode aumentar a resistecircncia da
amostra fazendo diminuir as correntes coletadas das cargas geradas pelo dispositivo
Figura 3 10 ndash (a) Foto da amostra (b) Estruturas das camadas dos dispositivos das
novas amostras
41
3431 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W
Usou-se para este grupo de amostras os mesmos procedimentos de caracterizaccedilotildees
para as medidas de o VOC e ISC descrito na etapa 1 dos dados experimentais e resultados II
Para cada medida as amostras ficaram expostas sob o feixe de luz da lacircmpada de Hg que
foi focalizada diretamente na aacuterea ativa por aproximadamente cinco minutos
A aacuterea ativa foi estimada em torno de 05 cmsup2 Foram confeccionadas nove
amostras e os valores de VOC e ISC das amostras que apresentaram melhores desempenhos
satildeo apresentadas na tabela 39
Tabela 3 9 ndash Medidas de VOC e ISC para amostras iluminadas pela lacircmpada Hg 80 W
aproximadamente cinco minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) P (nW)
PS OB 47 21 009 189
OBP3HT 18 002 36
PSOB 47P3HT 17 001 17
3433 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar direta
O mesmo grupo de amostras foi exposto sob luz solar direta em horaacuterio de sol
intenso entre onze horas e doze horas Todas as amostras tiveram um tempo de exposiccedilatildeo
de aproximadamente cinco minutos Os valores de VOC e ISC medidos podem ser vistos na
tabela 310 Nestes experimentos a lente convergente tambeacutem foi utilizada Poreacutem natildeo
foram observados acircngulos de incidecircncia e nem mudanccedila da irradiaccedilatildeo solar As medidas de
VOC e ISC foram realizadas em dia de sol forte e sempre no mesmo horaacuterio A figura 311
mostra como as medidas foram realizadas Para concentrar os raios solares usou-se uma
lente de aumento As medidas foram aferidas com uso de multiacutemetro digital descrito
anteriormente com cabos e garras de jacareacute comuns
42
Figura 3 11 ndash Ilustraccedilatildeo do experimento realizado com uma amostra tendo o contato
desenhado com a geometria em forma de trilhas camada ativa de PS OB 47
Para manter um padratildeo para todas as medidas a distacircncia entre a lente e a amostra
foram padronizadas a fim de que a intensidade de luz solar concentrada sobre cada
dispositivo fosse aproximadamente agrave mesma
Tabela 3 10 ndash Valores de VOC e ISC para amostras iluminada sob luz solar direta expostas
durante cinco minutos cada
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PS OB 47 62 009 558
OBP3HT 33 003 99
PSOB 47P3HT 25 002 50
3434 ndash Curva caracteriacutestica de corrente versus tensatildeo aplicada (IndashV)
A partir desta etapa as caracterizaccedilotildees eleacutetricas dos dispositivos tambeacutem foram
realizadas atraveacutes das medidas das curvas IndashV As medidas foram realizadas no escuro e
sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio Para estes experimentos foram usados os trecircs tipos de
camadas ativas jaacute mencionadas para confeccionar os dispositivos
Os experimentos das medidas foram realizados em sala com temperatura e pressatildeo
atmosferica ambiente e iluminaccedilatildeo de lacircmpadas comuns Tambeacutem foram realizados testes
43
usando a lacircmpada de Hg iluminando diretamente a parte superior da amostra Contudo
natildeo foram observadas mudanccedilas significativas nas medidas para este grupo de amostras
Figura 3 12 ndash Ilustraccedilatildeo da polarizaccedilatildeo direta para amostras com P3HT e gota de
PEDOTPSS para medidas das curvas (IndashV)
Para evitar que a agulha perfurasse o filme fino de PEDOTPSS e atingisse o filme
de FTO uma gota mais espessa de PEDOTPSS foi colocada sobre o filme no ponto onde
a agulha fazia o contato conforme mostra a figura 312
As amostras foram submetidas a uma tensatildeo que variou de um valor maacuteximo a um
valor miacutenimo com passo conhecido e constante de 002 Com os dados coletados nesse
experimento os graacuteficos de corrente versus tensatildeo aplicada foram gerados Este graacutefico eacute
conhecido como curva caracteriacutestica do dispositivo Os resultados obtidos satildeo mostrados
nas figuras 313 314 e 315 foram obtidas sob iluminaccedilatildeo comum do laboratorio LDCI
A figura 313 mostra a curva caracteriacutestica do dispositivo com a camada ativa de
PSOB 47 A iluminaccedilatildeo foi realizada com a lacircmpada do equipamento Keither 2400 e
iluminaccedilatildeo ambiente do laboratoacuterio LDCI (ambas satildeo luz branca) Para polarizaccedilatildeo direta
de -2 a 2 V foram observados valores de VOC de 09 volts enquanto que a corrente de 003
A foi negativa
A figura 314 mostra a curva IndashV para amostra com camada ativa usando
P3HT+OB puro Para essa amostra os valores de VOC = 002 V e ISC 0013 A foram
obtidos
A figura 315 mostra a curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PSOB
47 +P3HT Os valores de VOC = 11 V e ISC 00124 A foram observados neste graacutefico
44
Figura 3 13 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47 Corrente e
tensatildeo observadas 003 uA e 09 Volts respectivamente
Figura 3 14 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de OB puro + P3HT Corrente
e tensatildeo observadas 0013 uA e 002 Volts respectivamente
45
Figura 3 15 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47+P3HT
Corrente e tensatildeo observadas 0012 uA e 11 volts respectivamente
3435 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Aqui jaacute eacute possiacutevel notar um progresso nas medidas em relaccedilatildeo agraves amostras das
etapas anteriores que possuiacuteam camada ativa mais espessa Os valores de VOC e ISC obtidos
com o multiacutemetro digital foram maiores para os dois tipos de iluminaccedilotildees lacircmpada Hg e
luz solar Estes resultados podem ser observados nas tabelas 39 e 310 Os resultados
mostram que o comportamento das amostras com camada ativa de PSOB 47
apresentaram melhores resultados Nota-se que a potecircncia fornecida pelas amostras
iluminadas pela luz solar natural eacute significantemente maior que quando iluminadas pela
lacircmpada de Hg
Nas amostras confeccionadas com blenda de OB puro+P3HT e PSOB 47
+P3HT foram observados resultados semelhantes tanto para VOC quanto para ISC
As trecircs amostras apresentaram comportamento distinto sendo que a amostra com
camada ativa feita com o PSOB 47 o resultado eacute mais parecido com o efeito
fotovoltaico e por isso eacute mais relevante
46
Para as proacutexinas amostras natildeo seraacute mais empregado o uso do P3HT Pois como foi
mostrado nos resultados seu uso natildeo favoreceu melhoras nas medidas Apesar dos
resultados apresentados e conseguidos ateacute aqui serem pequenos ainda assim podem ser
considerados satisfatoacuterios e promissores Pois se trabalhou com materiais novos e estaacute
empregando poliacutemeros isolantes de baixo custo usando oacuteleo vegetal como dopante
Reforccedilando a motivaccedilatildeo para o uso destes materiais no desenvolvimento em dispositivos
fotovoltaicos orgacircnicos
35 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS III
351 ndash Experimentos Etapa 1
Nesta etapa as pesquisas foram centralizadas em misturas de poliacutemeros isolantes
dopados com OB Aleacutem da mistura do PS com OB estudado anteriormente tambeacutem foi
incorporado agrave pesquisa a mistura do PMAM com OB Estudos recentes de Duratildees et al [8]
sobre a absorccedilatildeo de luz destes materiais na faixa de ultravioleta e luz visiacutevel mostraram
que quando o OB eacute adicionado agraves matrizes de PS e de PMAM um aumento significante
na absorccedilatildeo da luz eacute observado
As amostras dos dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos consistiram em camada ativa
contendo PS puro PS com 47 OB PMAM puro e PMAM com 35 de OB
As amostras foram ensanduichadas entre dois eletrodos PEDOT PSS e Ag A
caracterizaccedilatildeo eleacutetrica para as medidas de VOC e ISC foi realizada com a iluminaccedilatildeo da
lacircmpada de Hg 80 W e luz solar As curvas IndashV foram mensuradas usando um sistema de
caracterizaccedilatildeo de semicondutores Keithey 2400
3511 ndash Confecccedilatildeo das amostras usando PS e PMAM 1ordm grupo
Os dispositivos foram preparados sobre um substrato de vidro recoberto com
camada de FTO a resistecircncia da lacircmina eacute de aproximadamente 41-60 Ω
Os filmes de PEDOT PSS foram confeccionados com rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante
25 segundos e secos em estufa a 80 degC por 15 minutos Apoacutes os filmes das camadas ativas
das amostras serem feitos usando rotaccedilatildeo de 5000 rpm por 40 segundos foram secos em
estufa a 100 Cdeg por 15 minutos
47
Por fim foi usada a tinta de Ag para fazer o eletrodo superior Esse eletrodo foi
pintado com pincel comum de cerdas finas O contato superior foi pintado em forma de
linhas sobre o filme da camada ativa conforme mostrado na Figura 310
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo usando lacircmpada de Hg 80 W
As mesmas formas descritas anteriormente de caracterizaccedilatildeo foram utilizadas aqui
para fazer as medidas de VOC e ISC Os resultados obtidos com iluminaccedilatildeo da lacircmpada de
Hg durante cinco minutos de exposiccedilatildeo para o 1ordm grupo de amostra satildeo mostrados na
tabela 311
Tabela 3 11 ndash Resultados das medidas de ISC e VOC das amostras do 1ordm grupo sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpada durante 05 minutos de exposiccedilatildeo
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W)
PS puro 02 000 00
PSOB 47 08 003 0024
PMAM puro 02 000 00
PMAMOB 35 06 002 0012
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar
Foram usados os mesmos procedimentos e instrumentos descritos anteriormente
para obter as medidas de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo de luz solar direta usando-se lentes
convergentes durante cinco minutos de exposiccedilatildeo A tabela 312 mostra os valores
obtidos
Tabela 3 12 ndash Resultados para ISC e VOC sob iluminaccedilatildeo luz solar por aproximadamente
05 minutos de exposiccedilatildeo
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W)
PS puro 11 001 0011
PSOB 47 39 006 0234
PMAM puro 09 002 0018
PMAMOB 35 27 004 0108
48
3512 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Como pode ser visto nas tabelas 311 e 312 os valores de VOC e ISC para as
amostras contendo PS puro e PMAM puro mostraram desempenhos inferiores que aquelas
com adiccedilatildeo do OB Nas caracterizaccedilotildees sob luz solar os desempenhos das amostras foram
superiores quando comparados com os valores obtidos sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada de Ag
Apesar da amostra com camada ativa da mistura de PMAMOB 35 ter mostrado valores
mais baixos quando comparados agrave amostras contendo camada ativa com a mistura de
PSOB 47 ela ainda tem valores superiores agravequeles mostrados quando a camada ativa
era composta por misturas de PSOB 47 +P3HT
352 ndash Experimentos Fase 2
3521 ndash Confecccedilatildeo das amostras do 2ordm grupo
Para o 2ordm grupo de amostras foram confeccionadas quinze unidades sendo que
foram reproduzidas mais de uma amostra para cada tipo de camada ativa Isto foi feito para
observar a reprodutibilidade das amostras e a repetibilidade das medidas As amostras
foram nomeadas de A5 a A19 Todas as amostras seguiram os mesmos criteacuterios de
confecccedilatildeo jaacute mencionados anteriormente Para este grupo foi usada uma rotaccedilatildeo maior no
spin coater
Para fazer o filme de PEDOTPSS foi usada uma rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante
trinta segundos Para a deposiccedilatildeo da camada ativa foi usada uma rotaccedilatildeo de 6000 rpm
durante sessenta segundos Neste caso as amostras foram secas em temperatura ambiente
Este conjunto de amostras deve possuir filmes mais finos que os filmes das amostras
anteriores devido ao aumento da rotaccedilatildeo do spin coater durante a deposiccedilatildeo
Para medir a aacuterea ativa com mais precisatildeo para este grupo de amostras os contatos
superiores de Ag foram desenhados em apenas um ponto A confecccedilatildeo dos dispositivos
seguiu a configuraccedilatildeo das camadas e a geometria do eletrodo de Ag conforme o esquema
mostrado na figura 316 O contato de prata foi pintado em forma de retacircngulo que
representa a aacuterea ativa e ficou em torno de 010cm2
49
Figura 3 16 ndash Estruturas das camadas e do contato de Ag dos dispositivos fotovoltaicos
orgacircnicos usado para o 2 ordm grupo de amostras
3522 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar
Este grupo de amostras foi submetido somente agrave caracterizaccedilatildeo de luz solar direta
As medidas foram realizadas em dias diferentes a fim de observar a repetibilidade das
medidas dos dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos confeccionados
Os dados da tabela 313 mostram medidas de VOC e ISC realizadas entre dez e onze
horas da manhatilde sob sol intenso e usando lentes convergentes Para estas amostras o
tempo de exposiccedilatildeo foi de aproximadamente dez minutos Com tempo de exposiccedilatildeo
maior e usando lentes convergentes as amostras A5 A6 A7 e A8 se aqueceram muito e
se danificaram Contudo valores de VOC obtidos foram bem superiores
Foram realizadas medidas em dois dias usando as amostras A9 A10 A11 A13
A14 A15 A16 A17 A18 e A19 para observar a repetibilidades das medidas As tabelas
14 e 15 mostram medidas de VOC e ISC realizadas nos dias 12052009 e 18052009
respectivamente entre dez e onze horas da manhatilde sob sol forte e usando lentes
convergentes para concentrar os raios solares na camada ativa da amostra
Tabela 3 13 ndash Medidas realizadas para as amostras A5 A6 A7 sob iluminaccedilatildeo solar
direta durante 10 minutos
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W) Amostra
PS puro 18 004 0072 A5
PS OB 47 49 008 0392 A6
PMAM puro 11 001 0011 A7
PMAMOB 35 48 005 024 A8
50
Tabela 3 14 ndash Medidas realizadas no dia 12052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W) Amostra
PS OB 47 11 003 0033 A9
PS puro 08 0 0 A10
PS puro 1 001 001 A11
PS OB 47 19 003 0057 A13
PS OB 47 11 003 0033 A14
PS OB 47 12 002 0024 A15
PMAM puro 09 001 0009 A16
PMAM puro 07 001 0007 A17
PMAMOB 35 11 001 0011 A18
PMAMOB 35 14 005 007 A19
Tabela 3 15 ndash Medidas realizadas no dia 18052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W) Amostra
PS OB 47 12 004 0048 A9
PS puro 06 01 006 A10
PS puro 08 001 008 A11
PS OB 47 21 004 0084 A13
PS OB 47 15 003 0045 A14
PS OB 47 10 002 002 A15
PMAM puro 07 001 00007 A16
PMAM puro 08 001 00008 A17
PMAMOB 35 12 003 0036 A18
PMAMOB 35 13 005 0065 A19
3523 ndash Curva caracteriacutestica corrente versus tensatildeo (IndashV)
Foram realizadas medidas das curvas IndashV usando o sistema de caracterizaccedilatildeo de
semicondutores Os procedimentos adotados foram descritos anteriormente Para estas
amostras foram usadas quatro tipos de camada ativa PS puro PSOB 47 PMAM puro e
51
PMAMOB 35 As medidas das curvas IndashV foram realizadas no escuro e sob iluminaccedilatildeo
natural do laboratoacuterio LDCI
Natildeo foram observadas grandes influecircncias sobre o efeito da iluminaccedilatildeo nas
amostras pois as curvas IndashV obtidas no escuro e no claro apresentaram valores parecidos
para VOC e ISC
Para a camada ativa confeccionada com o poliacutemero PS puro (figura 317) a curva
IndashV realizada no escuro e no ambiente iluminado mostra uma superposiccedilatildeo das curvas
O dispositivo com camada ativa feita de PSOB 47 mostrada na (figura 318)
natildeo se observa diferenccedila significativa nas curvas obtidas no escuro e com iluminaccedilatildeo do
laboratoacuterio O mesmo pode ser observado na (figura 319) onde a camada ativa eacute feita de
PMAM puro Contudo observou-se uma leve diferenccedila nas curvas mostradas na (figura
320) para a amostra confeccionada com camada ativa da mistura de PMAMOB 35
Onde houve um pequeno deslocamento para a corrente
Figura 3 17 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PS puro No escuro e sob
iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
52
Figura 3 18 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PSOB 47 No escuro e
sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
Figura 3 19 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAM puro No escuro
e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
53
Figura 3 20 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAMOB 35 No
escuro e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
3524 ndash Medida de espessura
As espessuras dos filmes foram medidas usando um Perfilocircmetro Dektak 150
VEECO Os filmes de PEDOTPSS depositados pela teacutecnica de spin coating usando
rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante quarenta segundos apresentaram espessuras na ordem de 180
nanocircmetros
Os procedimentos para medir as espessuras consistiram em medir vales e
superfiacutecie Para realizar as medidas dos filmes um risco foi feito usando a ponta de um
estilete conforme mostra a figura 321 O risco foi percorrido com a ponta do perfilocircmetro
com distacircncia de 500 m no sentido transversal Para obter a espessura do filme mede-se
entatildeo a diferenccedila de altura entre um ponto de referecircncia R fundo do vale e M superfiacutecie do
filme conforme mostrado na figura 322 Os procedimentos foram realizados em trecircs
diferentes regiotildees da amostra onde foi obtido um valor meacutedio da espessura do filme
54
Figura 3 21 ndash Risco feito no filme da amostra onde a ponta do perfilocircmetro executou a
varredura
Figura 3 22 ndash Medindo a diferenccedila da altura entre os cursores (R - reference) e (M -
measurement) para determinar a espessura do filme
Todos os quatro tipos de filmes usados para formar as camadas ativas dos
dispositivos que foram depositados por spin coating tiveram suas espessuras medidas Para
cada amostra foram feitos trecircs riscos em pontos alternados a fim de se verificar a
uniformidade na espessura Os riscos seguiram o exemplo ilustrado na figura 321 Os
resultados das trecircs medidas e o seu valor meacutedio para cada filme satildeo mostrados nas tabelas
316 e 317
A tabela 316 mostra os resultados das medidas de espessuras de filmes depositados
com rotaccedilatildeo de 5000 rpm durante 60 segundos A tabela 317 mostra os valores das
afericcedilotildees das espessuras para os filmes depositados com rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante 60
segundos Pode-se observar que os filmes feitos com rotaccedilotildees maiores apresentaram
valores de espessuras menores Tambeacutem eacute observado que a adiccedilatildeo do OB nas matrizes
polimeacutericas isolantes tende a camadas mais espessas mesmo para um mesmo valor de
rotaccedilatildeo quando comparada com os filmes sem o OB
55
Tabela 3 16 ndash Medida dos pontos e a media medida dos filmes das camadas ativas feitos
com rotaccedilatildeo de 5000 rpm Valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M
Camada ativa 1deg Ponto (nm) 2deg Ponto (nm) 3deg Ponto (nm) Meacutedia (nm)
PS puro 194 202 189 195
PS OB 47 283 305 296 2946
PMAM puro 127 90 105 1073
PMAM OB 35 235 269 259 2543
Tabela 3 17 ndash Medida dos pontos e a media dos filmes das camadas ativas feitos com
rotaccedilatildeo de 6000 rpm O valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M
Camada ativa 1deg ponto (nm) 2deg ponto (nm) 3deg ponto (nm) Meacutedia (nm)
PS puro 126 130 128 128
PS OB 47 221 218 208 2156
PMMA puro 76 113 97 953
PMMA OB 35 196 163 180 1796
3524 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Pode-se observar nestas medidas que as amostras contendo misturas de PSOB
47 em sua camada ativa mostraram resultados melhores que as outras amostras
analisadas Tambeacutem foi comprovado que as amostras podem ser reproduzidas sendo que
suas medidas foram repedidas As amostras que foram feitas em duplicatas ou triplicadas
possuem valores de VOC e ISC muito parecidos confirmando assim a reprodutibilidade na
sua fabricaccedilatildeo Atraveacutes das tabelas 314 e 315 pode ser observado que os valores obtidos
satildeo repetidos em dias diferentes mesmo assim natildeo ocorreram diminuiccedilotildees nos valores
medidos de VOC e ISC
Para as curvas IndashV coletadas no laboratoacuterio no escuro e sob iluminaccedilatildeo ambiente
para os dispositivos com camadas ativas com misturas das matrizes polimeacutericas de PSOB
47 e PMAM OB 35 (figuras 318 319 319 e 320) natildeo foram detectadas variaccedilotildees
relevantes entre os diferentes tipos de camadas ativas sob diferentes condiccedilotildees de
iluminaccedilatildeo O intrigante nestas medidas eacute que o mesmo efeito que aparece no claro
aparece tambeacutem no escuro As curvas tendem a um comportamento com resistecircncia de
56
diferencial negativa proacuteximo a tensotildees mais baixas Talvez isso aconteccedila devido agrave
caracteriacutestica intriacutenseca dos materiais utilizados nas confecccedilotildees das amostras
353 ndash Experimentos Etapa 3
3531 ndash Confecccedilatildeo das amostras com parte do FTO removido
Nesta etapa os dispositivos tambeacutem foram preparados sobre substrato de vidro o
mesmo tipo usado anteriormente Poreacutem aqui antes de fazer a deposiccedilatildeo dos filmes parte
do FTO foi removida do substrato de vidro A corrosatildeo do FTO foi feita utilizando uma
tinta homogecircnea preparada com poacute de zinco (Zn)
Para conservar parte do FTO no substrato foi utilizada fita adesiva sendo tambeacutem
possiacutevel utilizar tinta ou esmalte [46] Com parte do FTO protegido o substrato foi
mergulhado em soluccedilatildeo diluiacuteda de aacutecido cloriacutedrico (HCI)
Apoacutes a etapa de corrosatildeo as lacircminas passaram por um processo de limpeza Os
substratos foram limpos para retirar gorduras e resiacuteduos quiacutemicos
A corrosatildeo se fez necessaacuteria para evitar curto circuito entre os eletrodos de contato
do dispositivo Mudou-se a geometria dos substratos porque em algumas medidas de
curvas IndashV que foram obtidas em algumas amostras obteve-se curvas do tipo ocirchmico Isto
pode ter ocorrido porque o eletrodo de FTO estava ocupando toda a superfiacutecie do
substrato de vidro e pode ter ocorrido que na hora das medidas a agulha do equipamento
de medidas pode ter perfurado os filmes das camadas do dispositivo medindo apenas o
filme de FTO que apresenta curva puramente ocirchmica Assim com parte do FTO retirado
garante que a corrente flua apenas pelas camadas dos filmes do dispositivo A geometria
da lacircmina de vidro apoacutes a corrosatildeo pode ser visualizada na figura 323
Figura 3 23 ndash Geometria da lacircmina de vidro apoacutes corrosatildeo do FTO
57
Com o substrato limpo e seco e com a nova geometria desenvolvida segue para a
etapa da deposiccedilatildeo do poliacutemero condutor PEDOTPSS que serviu de um dos eletrodos A
deposiccedilatildeo foi realizada sobre toda a lacircmina de vidro conforme mostra o esquema da figura
324 O filme foi feito usando a teacutecnica de spin coating com rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante
cinquumlenta e cinco segundos o filme foi seco em estufa a 50 degC por 15 minutos
Os materiais utilizados como camada ativa foram PS puro PSOB 47 PMAM
puro e PMAMOB 35 Os diferentes tipos de camadas ativas foram depositados sobre a
estrutura vidroFTOPEDOTPSS usando a teacutecnica de spin coating com rotaccedilatildeo de 7000
rpm durante quarenta segundos Os filmes das camadas ativas foram secos em temperatura
ambiente
O outro eletrodo foi pintado sobre a camada ativa com tinta condutora de Ag A
estrutura vidroFTOPEDOT PSScamada ativaAg do dispositivo final pode ser vista na
figura 324 A regiatildeo ativa tem aacuterea de aproximadamente 009 cm2
Figura 3 24 ndash Geometria das camadas do dispositivo
3532 ndash Caracterizaccedilatildeo das curvas (IndashV )
As amostras foram caracterizadas atraveacutes das curvas IndashV Na figura 325 satildeo
mostradas comparaccedilotildees entre resultados obtidos para camadas ativas com o PS puro e
PSOB 47 Na figura 326 satildeo mostradas comparaccedilotildees entre resultados obtidos para
camadas ativas com o PMAMOB 35 Foi observado que para as camadas ativas sem o
OB o comportamento da curva Indash V eacute puramente ocirchmico ou seja linear Pode-se ressaltar
58
um comportamento resistivo para o filme utilizado nessa camada ativa enquanto que para
o filme da camada ativa com OB as curvas natildeo satildeo lineares
Outro detalhe a ser notado foi que para os filmes de PS puro e PSOB 47 as
correntes obtidas satildeo maiores que para os filmes confeccionados com PMAM puro e
PMAMOB 35 isto concorda com os resultados obtidos atraveacutes da iluminaccedilatildeo onde os
valores de VOC e ISC tambeacutem se apresentaram maiores
O dispositivo feito com o PS puro apresenta uma resistecircncia maior que o
dispositivo feito com PMAM puro isto talvez aconteccedila devido agraves diferenccedilas nas
espessuras das camadas ou nas propriedades intriacutensecas do material
Como pode ainda ser observadas nas figuras 325 e 326 quando se usou camada
ativa contendo o OB em sua mistura mudanccedilas ocorreram nos comportamentos das curvas
IndashV O comportamento da curva natildeo eacute mais linear e apresenta simetria para as duas
polarizaccedilotildees aplicadas (-V+V) Nos casos das curvas observadas para as camadas ativas
contento OB observou-se curvas semelhantes agrave curva de um diodo do tipo metal isolante
metal (MIM) [47]
Figura 3 25 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PS puro
e PS OB 47
59
Figura 3 26 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PMAM
puro e PMAMOB 35
Para quase todas as amostras que confeccionamos nas condiccedilotildees descritas acima
teve-se respostas nas medidas eleacutetricas para as caracterizaccedilotildees das curvas IndashV realizadas
no laboratoacuterio LDCI Foi observado que os dispositivos contendo OB apresentaram um
efeito fotovoltaico em temperatura ambiente As medidas foram realizadas no escuro e
com iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio Nas figuras 327 e 328 satildeo mostradas as curvas IndashV para
os dispositivos confeccionados com camadas ativas de PSOB 47 e PMAMOB 35
respectivamente
Em quase todas as amostras que foram realizadas as medidas das curvas IndashV o
efeito fotovoltaico foi observado Pode-se observar nesses resultados um aumento da
fotocorrente quando as amostras foram iluminadas
60
Figura 3 27 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PSOB
47 no claro e escuro
Figura 3 28 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de
PMAMOB 35 no claro e escuro
61
3533 - Anaacutelise e discussatildeo
Paras esses dispositivos natildeo foram apresentados os caacutelculos da eficiecircncia ( nem o
valor de IPCE porque para determinar tais paracircmetros dos dispositivos fotovoltaicos seraacute
necessaacuterio conhecer a I0 e mencionados no capiacutetulo II Poreacutem para as medidas
realizadas nesta pesquisa natildeo foram considerados o coeficiente de massa de ar o acircngulo
de inclinaccedilatildeo da luz incidente na amostra nem o comprimento de onda Paracircmetros que soacute
seratildeo determinados usando-se um sistema utilizado para caracterizaccedilatildeo de dispositivo
fotovoltaico No momento natildeo havendo disponibilidade de tal equipamento no laboratoacuterio
Observou-se que a inserccedilatildeo de OB em matrizes polimeacutericas isolantes tais como a
de PMAM e PS promoveram a absorccedilatildeo de foacutetons e portanto a formaccedilatildeo de eacutexciton Os
VOC foram de 008 V para o PMAMOB 35 e 03 V para PSOB 47 No caso do valor
de VOC obtidos para o PSOB 47 o nuacutemero eacute aproximadamente o mesmo valor da
diferenccedila da funccedilatildeo trabalho entre o PEDOTPSS (49 eV ) e a Ag (46 eV) No entanto
para o PMAMOB 35 este nuacutemero eacute inferior agrave diferenccedila da funccedilatildeo trabalho entre
PEDOTPSS e a Ag Aqui vale a pena ressaltar que as funccedilotildees trabalho do PEDOTPSS
podem variar entre 48 e 49 eV e a funccedilatildeo trabalho da prata podem variar de 452 eV e
474 eV dependendo da interface entre os materiais da camada ativa Assim pegou-se o
valor de 474 eV para a funccedilatildeo trabalho da prata e de 48 eV para o PEDOTPSS obteve-se
um valor de 006 eV o qual estaacute bastante proacuteximo do valor de 008 eV que eacute a tensatildeo de
circuito aberto obtida para a amostra de PMAMOB 35 Os valores de VOC satildeo limitados
pelo potencial de contato ou pelas diferenccedilas entre a funccedilatildeo trabalho dos eletrodos Sendo
assim neste sistema natildeo eacute possiacutevel conseguir tensotildees de VOC maiores Entretanto se for
utilizado materiais onde as funccedilatildeo trabalho dos eletrodos sejam muito diferentes poderaacute
obter VOC ainda maiores Os resultados obtidos nesse trabalho satildeo menores que os
relatados em trabalhos publicados [48-52] Contudo trabalhou-se com novos materiais
abundantes e baratos Aleacutem de se ter usado oacuteleo vegetal que eacute um material natural e que se
acredita no seu potencial para em breve obter melhores resultados
354 Caracterizaccedilatildeo dos Materiais por Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM)
Um dos paracircmetros importantes nos filmes polimeacutericos eacute a topologia pois a partir
dela se se pode inferir a uniformidade das camadas A questatildeo da uniformidade da
superfiacutecie dos materiais em Eletrocircnica Orgacircnica eacute importante porque permite conhecer o
62
desempenho eletrocircnico dos filmes Fatores como injeccedilatildeo e o transporte de cargas podem
ser facilitados ou bloqueados dependendo da espessura da camada polimeacuterica e da sua
regularidade fiacutesica ou quiacutemica [53] Neste sentido eacute importante investigar a topografia dos
materiais para que se possam entender fenocircmenos de transporte eletrocircnico que podem
ocorrer ou natildeo sob influecircncia da morfologia
As imagens por microscopia de forccedila atocircmica (AFM) revelaram diferenccedilas entre
filmes com as matrizes polimeacutericas puras e filmes com as matrizes modificadas com OB
O PS puro mostrou uma superfiacutecie suave com alguns relevos dispersos na aacuterea de
varredura (Figura 329) A presenccedila de oacuteleo de buriti nesta matriz polimeacuterica modificou
significativamente a superfiacutecie do material Houve formaccedilatildeo de pequenos e numerosos
gloacutebulos que ocorrem em um periacuteodo de espaccedilo muito pequeno resultando em uma
superfiacutecie aparentemente rugosa (Figura 330) Para o material PSOB 47 eacute possiacutevel
observar uma maior ocorrecircncia de picos regiotildees mais claras confirmando a possibilidade
da rugosidade do material
Figura 3 29 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS puro obtida por AFM no modo
contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
63
Figura 3 30 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS OB 47 por AFM modo contato
Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
A superfiacutecie do PMAM ao contraacuterio da superfiacutecie do PS apresentou possiacutevel
protuberacircncia ou gloacutebulos esfeacutericos em toda aacuterea de varredura (Figura 331) Haacute aacutereas onde
existe uma grande incidecircncia de vales identificados na figura por regiotildees mais escuras
Essas podem ser localizadas nas extremidades da amostra enquanto que no centro da
superfiacutecie haacute grandes nuacutemeros de picos indicando a possibilidade de ser um material com
bastante rugosidade
64
Figura 3 31 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PMAM puro obtida por microscopia
de forccedila atocircmica no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
Figura 3 32 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PAMAM OB 35 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
65
A presenccedila de OB na concentraccedilatildeo de 35 na matriz de PMAM resultou em
pequenas mudanccedilas na topografia do material (Figura 332) Natildeo houve grandes mudanccedilas
na morfologia da superfiacutecie do filme que possa ser determinada visualmente Entretanto a
geometria dos gloacutebulos foi alterada de uma forma arredondada (Figura 331) para uma
forma pontiaguda (Figura 332)
Outro material estudado foi o P3HT com OB puro e o P3HT + PSOB 47 A
superfiacutecie do filme de P3HTOB puro (Figura 334) tambeacutem mostrou um material com
possiacuteveis rugosidade em sua superfiacutecie entretanto a diferenccedila entre esta superfiacutecie e a
topografia do material P3HT+ PSOB 47 (figura 335) estaacute no tamanho das estruturas
que compotildeem a superfiacutecie de ambos os materiais
Figura 3 33 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HTOB puro obtida por AFM no
modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
66
Figura 3 34 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HT+PS OB 47 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
A Figura 333 revela estruturas menores que consequumlentemente ocupam um
espaccedilo menor dentro da aacuterea de varredura e por isso se apresentam em grande nuacutemero
resultando a possibilidade de rugosidade mais alta
A Figura 334 mostra estruturas do material P3HT+PS OB 47 que apresentam
geometrias similares agrave do material P3HTOB puro contudo com dimensotildees maiores
Desta forma estas estruturas ocupam um espaccedilo maior dentro da aacuterea de varredura e se
apresentam em menor quantidade proporcionando possiacuteveis rugosidades em tamanhos
menores que o P3HT OB puro
67
Capiacutetulo IV
Conclusotildees e Recomendaccedilotildees
68
4 ndash CONCLUSOtildeES E RECOMENDACcedilOtildeES
Atraveacutes destes estudos preliminares em linhas gerais os dispositivos projetados
construiacutedos e as medidas obtidas neste trabalho permitem direcionar para a construccedilatildeo e
caracterizaccedilatildeo de dispositivos fotovoltaicos baseados no uso do OB como dopante Os
dados obtidos satildeo bastante promissores e sinalizam para o alcance do sucesso na
construccedilatildeo desses dispositivos a partir de matrizes modificadas com OB
Os resultados apresentados no capiacutetulo III no toacutepico referente aos dados
experimentais e resultados I foram dos dispositivos desenvolvidos baseados no modelo
dos dispositivos fotovoltaicos desenvolvidos por Graumltzel com o propoacutesito de observar o
OB como eletroacutelito da camada ativa Medidas de VOC e ISC para as amostras
confeccionadas foram mensuradas embora os resultados obtidos fossem baixos quando
comparados com a literatura Contudo os materiais empregados satildeo novos e mostraram
promissores
No contexto dos dados experimentais e resultados I apresentou-se o
desenvolvimento de dispositivos usando o substrato de PET desenvolvendo a
configuraccedilatildeo de dispositivo fotovoltaico orgacircnico monocamada direcionados na busca de
substratos flexiacuteveis de menor custo no propoacutesito de substituir o substrato de vidro
recoberto com FTO Para estes dispositivos consegui-se obter valores de VOC e ISC sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpada usando um multiacutemetro para as referidas medidas Entretanto esse
tipo de substrato apresentou diversas inviabilidades conforme relatado nesta pesquisa
Novamente trabalhou-se com substrato de vidro recoberto com FTO com
configuraccedilatildeo de dispositivo fotovoltaico orgacircnico monocamada Acredita-se que as
espessuras dos filmes das camadas ativas possam ter influenciado nos baixos resultados
obtidos Ateacute essa etapa dos experimentos as camadas ativas eram construiacutedas
manualmente proporcionando assim camadas ativas espessas
Os resultados apresentados no toacutepico referente aos dados experimentais e resultados
II abordaram a configuraccedilatildeo monocamada em substrato de vidro recoberto com FTO onde
se fez o uso de camadas ativas com poliacutemero semicondutor P3HT misturado com OB Para
efeito de comparaccedilatildeo construiu-se camada ativa usando o PS um poliacutemero isolante
misturado com 47 de OB A partir destes experimentos os filmes dos dispositivos foram
confeccionados com spin coater o que proporcionou a construccedilatildeo de filmes mais finos
As caracterizaccedilotildees foram realizadas usando lacircmpadas e luz solar direta para
medidas de VOC e ISC com o multiacutemetro tambeacutem foram realizadas caracterizaccedilotildees com
69
curvas I-V sob a luz ambiente do laboratoacuterio As curvas levantadas mostraram efeitos
semelhantes ao efeito fotovoltaico para os materiais das camadas ativas pesquisadas Pelos
resultados obtidos nessa etapa do trabalho observou-se que as amostras confeccionadas
com o poliacutemero isolante misturado com o OB apresentaram melhores desempenhos
Embora jaacute existam resultados na literatura usando o semicondutor P3HT para fazer
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos com desempenho relativamente alto nas pesquisas
desenvolvidas nesse trabalho o uso do P3HT natildeo sinalizou vantagens em relaccedilatildeo ao uso
do poliacutemero isolante PS
Nesse trabalho as pesquisas foram focadas apenas em materiais de baixo custo
que proporcionaram resultados animadores usando o poliacutemero PS misturado com OB
Os resultados apresentados nos toacutepicos que abrangem os dados experimentais e
resultados III abordaram o uso dos poliacutemeros isolantes PS e PMAM modificados com OB
na configuraccedilatildeo de dispositivo fotovoltaico em monocamada usando substrato de vidro
recoberto com FTO Foram realizadas medidas eleacutetricas diretas dos dispositivos sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpadas e iluminaccedilatildeo solar fazendo-se uso de multiacutemetro para as medidas
Tendo respostas interessantes com estes experimentos pois as medidas foram realizadas
com multiacutemetros comuns com cabos que apresentam impedacircncias que agregaram perdas
substanciais das tensotildees e correntes geradas pelos dispositivos Mesmo assim obtiveram-
se as medidas de VOC e ISC
Os resultados mais empolgantes foram os caracterizados com curvas I-V
desenvolvidos com substratos tendo parte do FTO removidas no qual se permitiu
visualizar as curvas de tensatildeo e corrente apenas dos filmes sem a interferecircncia do filme
condutor de FTO Em vaacuterias amostras pocircde-se observar um efeito fotovoltaico entretanto
com valores bem abaixo aos relatados pela literatura vigente sobre o assunto
Nesse trabalho apresentou-se um material novo e promissor na aacuterea de pesquisa
dos dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos como tambeacutem o uso de oacuteleos vegetais como
dopante de poliacutemeros para o desenvolvimento de dispositivo de baixo custo com
tecnologia de faacutecil domiacutenio e acessiacutevel
Os resultados apresentados sugerem os seguintes trabalhos futuros
1 Desenvolvimento de dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos agrave base de poliacutemeros
isolantes com camadas ativas mais finas na ordem de nanocircmetros a fim de facilitar
a dissociaccedilatildeo dos eacutexcitons nas interfaces dos materiais O uso de novas teacutecnicas de
deposiccedilatildeo para conseguir filmes nesta ordem de grandeza
70
2 Desenvolvimento de novas estruturas usando os PSOB 47 e PMAMOB 35
em novas arquiteturas como os dispositivos em bicamadas e heterojunccedilatildeo para
melhorar os resultados jaacute obtidos
3 Siacutentese de novas misturas com poliacutemeros usando outros oacuteleos vegetais abundantes
na natureza que apresentaram absorccedilatildeo na faixa do espectro visiacutevel
4 Construccedilatildeo de novos eletrodos de contatos usando teacutecnicas de evaporaccedilatildeo com o
intuito de diminuir as resistecircncias dos contatos e melhorando a coleta das correntes
geradas
5 Caracterizar as amostras usando o simulador solar Caracterizar os filmes usando
perfilocircmetro e AFM buscando filmes com menos rugosidades Correlacionar
medidas das curvas I ndashV com as medidas de AFM
71
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75
APEcircNDICES
77
APEcircNDICE 1
Produccedilotildees Bibliograacuteficas
Artigo Publicado
Silva E R Ceschin A M J A Duratildees A possible organic solar cell based on Buriti
oil In 24th Symposium on Microelectronics Technology and Devices SBMicro 2009
Natal - RN The Electrochemical Society (ECS) the society for solid-state and
electrochemical science and Technology EUA Pennigton 2009 v 23 P 553-556
(2009)
Artigo Aceito
Silva E R Romariz A R S Ceschin A M Study of organic MIM junctions for use
in photovoltaic devices In 25th Symposium on Microelectronics Technology and
Devices SBMicro 2010 Satildeo Paulo - SP The Electrochemical Society (ECS) the society
for solid-state and electrochemical science and Technology EUA Pennigton artigo
aceito (2010)
Resumo Publicado
Silva E R Ceschin A M Photovoltaic effect observed in junctions based on Buriti
oil In 11 th International Conference on Advanced Materials (ICAM2009) 2009 Rio
de Janeiro 11 th International Conference on Advanced Materials 2009
78
A possible Organic Solar Cell Based on Buriti Oil
E R da Silva a J A Duratildees
b and A M Ceschin
a
a Departamento de Engenharia Eleacutetrica - Laboratoacuterio de Dispositivos e Circuito
Integrado Universidade de Brasiacutelia CP 4386 CEP 70904-970 Brasiacutelia DF - Brasil b Instituto de Quiacutemica ndash Laboratoacuterio de Pesquisa em Poliacutemeros Universidade de
Brasiacutelia
CEP 70904-970 Brasiacutelia DF ndash Brasil
This work proposes a new approach - the possible production of
organic solar cells based on Buriti oil We propose the
formation of an active layer three types of mixture always
exploring the use of Buriti oil The active layers were deposited
by spin coating the mixture of Buriti oil polystyrene (PS) Buriti
oil poly (3- hexylthiophene) (P3HT) and blend Buriti oil PS
plus P3HT For the three devices investigated here we use a
glass substrate coated with fluoride-doped tin oxide (FTO) An
electrode of poly (34-ethylenedioxythiophene) poly (4-
styrenesulfonate) (PEDOT PSS) was deposited by spin coating
The other electrode was painted on top with silver conductive
ink (Ag) We show two different illuminations for the
characterization of the devices For the acquisition of measures
resistance () open circuit voltage (VOC) and the short circuit
current (ISC) a common digital multimeter was used
Introduction
Organic solar cells are being investigated for their potential use in the cheap and
clean conversion of abundant solar energy In addition polymer solar cells have
attracted considerable attention because of their potential use in low-cost lightweight
solution processable and flexible large-area panels (1) In the best performing solid state
organic solar cells reported to date (23) a conjugated polymer is blended with an
electron accepting material to form the bulk-heterojunction structure for efficient
exciton dissociation (34) Academic attention has focused on blends of poly (3-
hexylthiophene) (P3HT) and [66]-phenyl C61-butyc acid methyl ester (PCBM) since
these two materials show the highest power conversion efficiency in their bulk-
heterojunction which is around 5 The combination of unique semiconducting
electronic property and mechanical aspects similar to conventional plastics is an
attractive feature in spite of the lower efficiencies prevailing in these systems Each
polymer has unique properties and responds differently to different stimulus However
its characteristics can be improved by blending two polymers or by adding some
compounds called additives producing interesting results As an example we can take a
polystyrene (PS) matrix mixed with Buriti oil this modified material shows a very
broad absorption between 150 to 400 nm with a maximum at 320 nm (67) Figure 1
shows the spectrum of absorption for four types of concentration of Buriti oil in PS
matrix
79
Figure 1 Spectra of absorption of UV radiation of PS films and PS- Buriti oil (7)
This feature makes it a promising candidate for photovoltaic studies Based on
this result we decided to investigate Buriti oil P3HT Buriti oilPS and Buriti
oilPSP3HT mixtures in solar cell fabrication Thus the possible fabrication of the
Buriti oil solar cell and its results are reported and discussed here
Sample Preparation
The devices consist basically of an active layer made of Buriti oilPS or Buriti
oilP3HT films or Buriti oilPSP3HT material placed in-between the bottom
electrode of poly(34-ethylenedioxythiophene)poly(4-styrenesulfonate) (PEDOTPSS)
and the top silver (Ag) electrode Devices were assembled on glass substrates covered
with fluoridedoped tin oxide (FTO) with planar resistance in order of 30 _ cm without
further treatment The actives layer and the bottom electrode were deposited by spin
coating (6000 and 5000 rpm respectively) while the silver electrode was painted
PEDOT PSS was used in order to smooth the FTO surface and to decrease the hole
barrier A first kind of active layer was prepared through deposition (6000 rpm spin
coating) of a solution prepared by dissolving appropriate amounts of PS and Buriti oil
4681 wt (extracted with supercritical CO2) at room temperature in analytical grade
reagent chloroform The second kind of active layer was prepared through deposition of
Buriti oil and P3HT mix dissolved in analytical grade reagent toluene The last active
layer was prepared by mixing Buriti oilPS with P3HT dissolved in an analytical grade
reagent chloroform
After each spin coating deposition the films were dried in a stove at 100 0C for
about 15 minutes Devices of active area A~ 20 cm2 were obtained Figure 2 shows a
schematic view of the finished device
80
Figure 2 Structure of the Buriti oil solar cell
Characterization
The measurements were obtained using a common digital multimeter model
ET-2042C Minipa The samples were subjected to direct irradiation of an Hg spectral
lamp (80 W) for five minutes For such measures we did not consider neither
interference of the illumination nor the samplersquos angle of inclination The series
resistance of the device was also collected as this is one that has a direct relation with
the value of this measure as shown in Table 1 the lower the resistance the greater the
current collected All the results are shown in Table 1
Table 1 VOC and ISC for the different solar cell illuminated with an Hg spectral
lamp (80W)
VOC (mV) ISC (mA) R (cm2)
Buriti oil PS 21 009 740
Buriti oil P3HT 18 002 369
Buriti oil PS+P3HT 17 001 717
To observe a real situation the same sample group was exposed to direct
sunlight in hours of intense sun between 1100 am and 0100 pm taking into account
that all samples had an exposure time of approximately five minutes In this step a
convergent lens was used to concentrate the solar light on the device (8 and 9) In this
experiment angle of incidence and the solar irradiation were not measured The results
are shown in Table 2
Table 2 VOC and ISC for the different solar cell illuminated by direct solar light
VOC (mV) ISC (mA) R (cm2)
Buriti oil PS 62 009 740
Buriti oil P3HT 33 003 369
Buriti oil PS+P3HT 25 002 717
Results and analysis
Based on the values of VOC and ISC obtained for the samples it can be clearly
observed that sunlight exposure provided better results when compared to the artificial
81
illumination The main reason for such a situation could be related to the use of Hg
lamp that is not appropriated In spite of this the devices based-on Buriti oil presented
good performances in both cases This effect may be due to the lower resistance value
of the first samples When the illumination is promoted by the sun the VOC increases
but the ISC remains the same maybe as a consequence of the resistance value or
because the samples becomes hotter For the samples made with Buriti oil P3HT and
Buriti oil PS P3HT materials and illuminated by the spectral lamp similar results for
VOC and ISC were observed Under sunlight illumination the values of VOC and ISC
are greater than that obtained for the spectral lamp lighting
Conclusions
In this paper we show that Buriti oilPS and Buriti oil P3HT materials can be
used as an active layer for solar cells The behavior of the samples based-on Buriti
oilPS showed better results for the two types of illumination It is important to
emphasize tha these results are just a part of the devices characterization which still
requests the fulfillment factor (FF) as well as cell efficiency determination Such
calculations are on process but all the obtained data are satisfactory and promising
because our main aim is to develop solar cells using more accessible organic materials
such as the Buriti oil PS blend
Acknowledgments
The authors gratefully acknowledge CNPq and NAMITECMilenio Institute for
financial support
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8 httpwwwstumbleuponcomtoolbartopic=Alternative20Energyampurl=http2
53A252F252Fcausecastorg252Fnews_items252F7304
9 httpwwwgoodcleantechcom200805ibm_uses_magnifying_lens_to_bophp
82
Study of organic MIM junctions for use in photovoltaic devices
E R Silva A R S Romariz and A M Ceschin
Departamento De Engenharia Eleacutetrica Laboratoacuterio de Dispositivos e Circuito
Integrado (LDCI) Universidade de Brasiacutelia Campus Darcy Ribeiro Brasiacutelia CP
4386 CEP 70904-970 Brasiacutelia ndash DF Brasil
We report here photovoltaic effects on Buriti oil (Mauritia
flexuosa) mixed in an insulating polymers matrix The samples
studied here consist of an active layer based on polystyrene (PS)
and poly (methilmethacrilate) (PMMA) mixed with Buriti Oil
(BO) The structure of the device was glassFTO Poly (3 4-
ethylenedioxythiophene) (PEDOT) poly (styrenesulfonate)
(PSS) active layer Ag These mixtures are promising materials
in the fabrication of organic photovoltaic devices The advantage
of these mixtures is their low cost of production and ease in
fabrication Electrical measurements were obtained in both a lit
room and in the dark We can observe photovoltaic effects in all
samples mixed with OB This effect is very interesting because
we are working with an insulating polymer instead of the
semiconductor polymer In this work we have been developing a
junction of the metalndash insulatorndashmetal (MIM) diode that acts like
a photovoltaic device
Introduction
In the past years various new materials and mixtures for fabricating
photovoltaic devices have been proposed for higher conversion efficiencies and lower
cost processes (1 2) Organic solar cells are being investigated for their potential use in
the clean conversion of solar energy through large-area solar panels (3 4 and 5)
Academic attention has focused on blends of poly (3-hexylthiophene) (P3HT) and [6
6]-phenyl C61-butyc acid methyl ester (PCBM) since these two materials show the
highest power conversion efficiency in their bulkheterojunction which is around 5
(6)
Each polymer has unique properties and responds differently to different stimuli
However its characteristics can be improved by blending two polymers or by adding
some compounds called additives thus producing interesting results As an example we
can take the BO mixed in a PS matrix and one mixed in a PMMA matrix This modified
material shows a very broad absorption between 250 to 400 nm with a maximum at 320
nm (7) Based on this result we decided to investigate the OB mixtures in the fabrication
of photovoltaic devices One possible way to enhance the quantum efficiency of a
photovoltaic device is to add dyes that have high absorption efficiency to the host
materials (8) The addition of BO in the PS and PMMA matrices increases this
efficiency The OB is added with the polymers to improve the efficiency on the active
layers of the insulating materials In this paper we will present photovoltaic parameters
on devices based on insulating polymers mixed with BO deposited on a substrate
83
covered with fluorine doped tin oxide (FTO) The devices were fabricated by the spin
coating technique the open circuit voltage (VOC) and short-circuit current density (JSC)
of the BOPS device are 03V and 039 nAcm2 respectively which is 0212V higher
than BOPMMA devices The fill factor (FF) that defines power extraction efficiency of
BOPS devices is 026 against 020 in the BOPMMA devices
Experimental
Our devices were based on previous studies about insulating polymers mixed
with BO (7) The material for the active layer BOPS and BOPMMA of the MIM
junction was chosen because this materials posses two regionrsquos absorption the first
range in 250 at 400 nm that has a peak at 320 nm and the second in the range of 500 at
700 nm The fact these materials absolve in visible region allow to realization of study
about applications in photovoltaic devices (9) We were still able to get good results
from the investigation of BO for make photovoltaic devices
The samples were assembled on glass substrates covered with FTO The
resistance of the plate is asymp 41-60 Ω Prior to depositing the layers part of the FTO
substrate was removed the FTO was corroded using a homogenous ink prepared with
powdered zinc (Zn) Additionally it is possible to use tape or enamel in order to save
part of the FTO After these procedures the substrate is dipped in a diluted solution of
hydrochloric acid (HCI) After the corrosion stage the substrate goes through a cleaning
process that was also performed before corrosion The substrates are cleaned to remove
grease and residual chemicals Corrosion is necessary to avoid short circuits between
the devicersquos electrode contacts (10) The devices were fabricated in a typical
sandwiched structure with the active layers sandwiched between two electrodes the
bottom electrodes consist of conducting polymer film deposition of (PEDOT PSS)
purchased from Bayer This forms the anode that was deposited on the FTO We use it
in order to increase the positive carrier collection of the active layer The film was made
using the spin coating technique with 6000 rotations per minute (rpm) for 55 seconds
Next it was dried in an oven at a temperature of 50 deg C for 15 minutes The cathode was
made with a conductive ink of silver (Ag) acquired from Silver Ink having 99 purity
with painting done by hand because more precise techniques were not available The
materials used in the active layer were pure PS PS mixed with 47 BO pure PMMA
and PMMA mixed with 35 BO Four types of active layers were used All the
mixtures were made with an appropriate quantity of the analytical reagent chloroform at
room temperature Before the deposition the solutions were stirred with magnetic
agitate for 30 minutes in order to ensure greater uniformity for the mix A schematic
view finished device (glass FTO PEDOT PSS active layer Ag) is shown in figure
1 The film thicknesses of the active layers were measure using a Dektak 150
profilometer These values are about 1μm We could not obtain a thinner device because
of the high viscosity of the material In our final device the active area is approximately
009 cm2
Figure 1 Schematic of the finished Device
84
Results and Discussion
The devices with different active layers were prepared following the procedure
described above at room temperature The currentndashvoltage (I-V) characteristics were
measured using a Keithley 2400 programmable software semiconductor measuring
system In all samples without oil devices using only insulating polymer like PS and
PMMA ohmic behavior was observed for bias voltage between -2 and 2 V The device
with pure PS has greater resistance than the one with pure PMMA Perhaps this happens
due to differences in layer thickness or intrinsic material properties But when BO is
added to the mixture we get a different behavior for I-V curves in the two cases We
observed that the sample of PS BO had larger current than PMMABO Figure 2
shows the curves for the PS mixture with and without BO 47 In Figure 3 we have
curves for the PMMA mixture with and without BO 35 In these two cases we
observed curves that look like MIM diode characteristic curves
Figure 2 The I-V Curves characteristics of ohmic behavior and MIM diode for
the PMMA
Figure 3 The I-V Curves characteristics of ohmic behavior and MIM diode for the PS
85
We also noticed a photovoltaic effect in the junctions based in BO at room
temperature Measurements were taken both in the dark and with the room fluorescent
light on In all observations we saw slight photovoltaic effects in all devices made using
insulating polymers with BO mixtures in the active layer In Figure 4 this effect is
shown for PSBO and in Figure 5 for PMMABO
Figure 4 Curve characteristics PS dark and light
Figure 5 Curve characteristics PMMA dark and light
86
For such measures we did not consider either air mass coefficient or the
samplersquos inclination angle for these characterizations because we donrsquot have
characterization equipments Thus we are unable to calculate the conversion efficiency
() The voltage bias was varied from -1 to 1 V but here it is shown with a smaller
interval to better visualize this slight effect In Table 1 the values are shown for the
samples insulating polymer mixed with BO for Voc Jsc and fill factor FF In summary
these parameters are important for characterizing our devices The FF is the ratio that
determines the maximum operating current and voltage of the photovoltaic device and
was calculated as FF = VpIpVocIsc (11) All the values are extracted from the curves
Table 1 Summary of the photovoltaic devices performance with and without light
Active Layer VOC
(mV)
JSC
(nAcm2)
FF
PSBO 47 300 039 026
PMMABO 35 86 216 020
We have seen that the insertion of BO at the matrices of insulating polymers
such as PMMA and PS promote the absorption of photons and therefore the formation
of excitons However we do not have a maximum absorption because of the peak of
absorption of the active layers is in range of 200 to 400 nm while the illumination used
was in the visible region The excitons generated were dissociates and the charges
created were collected in their respective electrodes to form the short-circuit Current
(ISC) This current is small due to the film thickness of the active layer Thus carriersrsquo
recombination could be occurring before they reach their respective electrodes
The measured VOC was 008 V to PMMABO and 03 V to PSBO For the
PSBO this number is roughly the same as the difference in work function between
PEDOT PSS and Ag However for the PMMABO this number is lower than the
difference in work function between PEDOTPSS and Ag All this contributed for the
values low ISC VOC and FF The results obtained here are very below that reported in
recent papers (12 13)
Conclusion
We have been working with polymer insulating with additions of material cheap
an abundant of in nature We presented preliminary results for the MIM junction diode
We used BO mixed with insulating polymer to form the active layers This way we get a
value for ISC VOC and FF but we can observe photovoltaic effect in the majority of the
samples with the BO The active layers have a region of absorption outside of the solar
spectrum and the thickness was thick Because of the collection the carrier was hindered
before to reach the collectorrsquos electrode The devices shown here is very easy to make
and can be made in a large area
Acknowledgments
87
The authors gratefully for the financial support received from National Counsel
of Technological and Scientific Development (CNPq) National Institute of Science and
Technology of Micro and Nanoelectronics Systems (NAMITEC) This paper was
partially supported from a scholarship granted by Coordenaccedilatildeo de Aperfeiccediloamento de
Pessoal de Niacutevel Superior (CAPES) for the first author that also wishes to thank for this
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88
x
3313 ndash Formaccedilatildeo do dispositivo 28
3314 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W 28
3315 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 29
332 ndash Experimentos Etapa 2 29
3321 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras 29
3323 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 30
3331 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras 31
3332 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W 32
334 ndash Experimentos Etapa 4 33
3341 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras 34
3342 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W 34
3343 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 35
341 ndash Misturas usando P3HT 35
342 ndash Experimentos Etapa 1 36
3421 ndash Preparaccedilatildeo dos filmes por spin coater 36
3422 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W 37
3423 ndash Caracterizaccedilatildeo com luz solar direta 38
3423 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 39
343 ndash Experimentos Etapa 2 39
3431 ndash Preparando novas amostras 39
3431 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W 41
3433 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar direta 41
3434 ndash Curva caracteriacutestica de corrente versus tensatildeo aplicada (IndashV) 42
3435 ndash Anaacutelise e Discussatildeo 45
35 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS III 46
351 ndash Experimentos Etapa 1 46
xi
3511 ndash Confecccedilatildeo das amostras usando PS e PMAM 1ordm grupo 46
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo usando lacircmpada de Hg 80 W 47
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar 47
3522 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar 49
3523 ndash Curva caracteriacutestica corrente versus tensatildeo (IndashV) 50
3524 ndash Medida de espessura 53
353 ndash Experimentos Etapa 3 56
3531 ndash Confecccedilatildeo das amostras com parte do FTO removido 56
3532 ndash Caracterizaccedilatildeo das curvas (IndashV ) 57
3533 - Anaacutelise e discussatildeo 61
354 Caracterizaccedilatildeo dos Materiais por Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM) 61
4 ndash CONCLUSOtildeES E RECOMENDACcedilOtildeES 68
REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 71
APEcircNDICE 1 77
Produccedilotildees Bibliograacuteficas 77
xii
LISTA DE TABELAS
Tabela 3 1 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos 29
Tabela 3 2 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos 30
Tabela 3 3 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos 32
Tabela 3 4 ndash Valores medidos de VOC e ISC com iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W para variaccedilatildeo de iluminaccedilatildeo para a amostra P4 32
Tabela 3 5 ndash Valores de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo de lacircmpada incandescente de 100 W
durante 5 minutos 35
Tabela 3 6 ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito com um ponto de
prata Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos 38
Tabela 3 7ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito de prata em forma de
trilhas com concentraccedilatildeo em um ponto Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos 38
Tabela 3 8 ndash Resultados obtidos das medidas de VOC e ISC usando luz solar direta durante
5 minutos 38
Tabela 3 9 ndash Medidas de VOC e ISC para amostras iluminadas pela lacircmpada Hg 80 W
aproximadamente cinco minutos 41
Tabela 3 10 ndash Valores de VOC e ISC para amostras iluminada sob luz solar direta expostas
durante cinco minutos cada 42
Tabela 3 11 ndash Resultados das medidas de ISC e VOC das amostras do 1ordm grupo sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpada durante 05 minutos de exposiccedilatildeo 47
Tabela 3 12 ndash Resultados para ISC e VOC sob iluminaccedilatildeo luz solar por aproximadamente
05 minutos de exposiccedilatildeo 47
Tabela 3 13 ndash Medidas realizadas para as amostras A5 A6 A7 sob iluminaccedilatildeo solar
direta durante 10 minutos 49
Tabela 3 14 ndash Medidas realizadas no dia 12052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos 50
Tabela 3 15 ndash Medidas realizadas no dia 18052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos 50
Tabela 3 16 ndash Medida dos pontos e a media medida dos filmes das camadas ativas feitos
com rotaccedilatildeo de 5000 rpm Valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M 55
Tabela 3 17 ndash Medida dos pontos e a media dos filmes das camadas ativas feitos com
rotaccedilatildeo de 6000 rpm O valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M 55
xiii
LISTA DE FIGURAS
Figura 2 1 ndash Estrutura quiacutemica do poliacetileno mostrando as ligaccedilotildees alternadas em
simples e duplas 6
Figura 2 2 ndash Formaccedilatildeo da estrutura do condutor poliacetileno (a) Formaccedilatildeo de bandas
distintas pela superposiccedilatildeo de N orbitais (b) aproximaccedilatildeo da banda riacutegida para um nuacutemero
grande de orbitais 7
Figura 2 3 ndash Estrutura de uma ceacutelula solar orgacircnica A camada ativa pode compreender
uma ou mais camadas semicondutoras uma mistura de materiais ou a combinaccedilatildeo destas
duas estruturas 8
Figura 2 4 ndash Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um dispositivo fotovoltaico feito com uma
camada de poliacutemero entre dois eletrodos 8
Figura 2 5 ndash Processos envolvidos na geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica em um dispositivo
fotovoltaico orgacircnico 9
Figura 2 6 ndash Diagrama de niacuteveis de energia de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico Sob
iluminaccedilatildeo o eleacutetron (e-) eacute jogado para o niacutevel de maior energia LUMO deixando uma
lacuna (h+) no niacutevel de menor energia HOMO (Criaccedilatildeo do eacutexciton) que seratildeo coletados
pelos eletrodos 1 funccedilatildeo trabalho do 1ordm eletrodo (transparente) 2 funccedilatildeo trabalho do
2ordm eletrodo χ eletroafinidade IP potencial de ionizaccedilatildeo e Eg energia do gap 10
Figura 2 7 ndash Diagrama esquemaacutetico do dispositivo fotovoltaico 2 poliacutemero1 no escuro
com o alinhamento dos niacuteveis de Fermi a) e sob iluminaccedilatildeo b) potencial de built-in ( Vbi)
intriacutenseco em temperatura ambiente esta proacuteximo ao valor de tensatildeo 12
Figura 2 8 ndash Curva caracteriacutestica IndashV de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico no escuro e
sob iluminaccedilatildeo Tambeacutem eacute mostrado o ponto de corrente de curto circuito e tensatildeo de
circuito aberto O retacircngulo pintado indica o fator de preenchimento (FF) 13
Figura 2 9 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PS (C8H8)n 15
Figura 2 10 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PMMA (C5O2H8)n 16
Figura 2 11 ndash Representaccedilatildeo da cadeia principal do PEDOT [25] 17
Figura 2 12 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica da interaccedilatildeo entre o PEDOT e PSS [25]
17
Figura 2 13 ndash Estrutura quiacutemica do P3HT (C10H18S)n [13] 18
Figura 2 14 ndash Foto da palmeira do Buriti (Mauritia Flexuosa) conhecida como Buritizeiro
[21] 19
Figura 2 15 ndash Ilustraccedilatildeo dos frutos maduros do Buriti (a) aspecto da casca (b) polpa de
cor amarelada [21] 19
Figura 2 16 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PS puro e PSOB [40] 20
xiv
Figura 2 17 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PMAM puro e PMAM
OB [40] 21
Figura 3 1 ndash (a)bomba de vaacutecuo (b) compressor de ar comprimido (c) vaacutelvula de controle
e (d) spin coater 24
Figura 3 2 ndash Equipamento de spin coater instalado no laboratoacuterio LDCI vista lateral e
frontal 25
Figura 3 3 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores Keithley 2400 laboratoacuterio
LDCI 25
Figura 3 4 ndash Vista frontal do AFM marca VEECO Innova 26
Figura 3 5 ndash Amostras confeccionadas com duas lacircminas de substrato de vidro recoberto
com FTO baseada no modelo de Graumltzel 28
Figura 3 6 ndash (a) Esquema da amostra confeccionada no substrato flexiacutevel de plaacutestico
(PET) (b) foto do substrato finalizado 31
Figura 3 7 ndash Amostra feita com substrato de PET apoacutes ser submetidos agrave fonte de lacircmpada
incandescente de 100 W por 20 minutos 33
Figura 3 8 ndash (a) Esquema da amostra para substrato de vidro recoberto com FTO (b) foto
da amostra finalizada 34
Figura 3 9 ndash (a) Geometria do eletrodo de Ag confeccionado em forma de ponto e (b)
geometria do eletrodo de Ag feito em forma de trilhas 37
Figura 3 10 ndash (a) Foto da amostra (b) Estruturas das camadas dos dispositivos das novas
amostras 40
Figura 3 11 ndash Ilustraccedilatildeo do experimento realizado com uma amostra tendo o contato
desenhado com a geometria em forma de trilhas camada ativa de PS OB 47 42
Figura 3 12 ndash Ilustraccedilatildeo da polarizaccedilatildeo direta para amostras com P3HT e gota de
PEDOTPSS para medidas das curvas (IndashV) 43
Figura 3 13 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47 Corrente e
tensatildeo observadas 003 uA e 09 Volts respectivamente 44
Figura 3 14 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de OB puro + P3HT Corrente
e tensatildeo observadas 0013 uA e 002 Volts respectivamente 44
Figura 3 15 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47+P3HT
Corrente e tensatildeo observadas 0012 uA e 11 volts respectivamente 45
Figura 3 16 ndash Estruturas das camadas e do contato de Ag dos dispositivos fotovoltaicos
orgacircnicos usado para o 2 ordm grupo de amostras 49
Figura 3 17 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PS puro No escuro e sob
iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 51
xv
Figura 3 18 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PSOB 47 No escuro e
sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 52
Figura 3 19 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAM puro No escuro
e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 52
Figura 3 20 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAMOB 35 No
escuro e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 53
Figura 3 21 ndash Risco feito no filme da amostra onde a ponta do perfilocircmetro executou a
varredura 54
Figura 3 22 ndash Medindo a diferenccedila da altura entre os cursores (R - reference) e (M -
measurement) para determinar a espessura do filme 54
Figura 3 23 ndash Geometria da lacircmina de vidro apoacutes corrosatildeo do FTO 56
Figura 3 24 ndash Geometria das camadas do dispositivo 57
Figura 3 25 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PS puro
e PS OB 47 58
Figura 3 26 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PMAM
puro e PMAMOB 35 59
Figura 3 27 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PSOB
47 no claro e escuro 60
Figura 3 28 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de
PMAMOB 35 no claro e escuro 60
Figura 3 29 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS puro obtida por AFM no modo
contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 62
Figura 3 30 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS OB 47 por AFM modo
contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 63
Figura 3 31 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PMAM puro obtida por microscopia
de forccedila atocircmica no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 64
Figura 3 32 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PAMAM OB 35 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 64
Figura 3 33 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HTOB puro obtida por AFM no
modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 65
Figura 3 34 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HT+PS OB 47 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 66
xvi
LISTA DE SIacuteMBOLOS NOMENCLATURA E ABREVIACcedilOtildeES
Ag ndash Prata
BC ndash Banda de conduccedilatildeo
BV ndash Banda de valecircncia
CHCL3 ndash Clorofoacutermio
C7H8 ndash Tolueno
Eg ndash Energia de gap (Energia de banda proibida)
FTO ndash Oacutexido de estanho dopado com fluacuteor termo em inglecircs Tin Oxide doped with
Fluorine
FF ndash Fator de preenchimento termo em inglecircs fill factor
GPIB ndash General Purpose Interface Bus
HOMO ndash Orbital molecular mais alto ocupado termo em inglecircs highest occupied
molecular orbital
ITO ndash Oacutexido de iacutendio estanho termo em inglecircs Indium Tin Oxide
IPCE ndash Eficiecircncia de conversatildeo de foacutetons incidentes em eleacutetrons Eficiecircncia quacircntica
externa termo em inglecircs Incident Photon Converted in Electron Efficiency
I0 ndash Intensidade de luz incidente em W m2
ISC ndash Corrente de curto circuito termo em inglecircs current short circuit
IndashV ndash Corrente versus tensatildeo aplicada
JSC ndash Densidade de fotocorrente de curto circuito termo em inglecircs photocurrent density
short circuit
LUMO ndash Orbital molecular mais baixo desocupado termo em inglecircs lowest unoccupied
molecular orbital
OB ndash Oacuteleo de Buriti
OLED ndash Diodo emissor de luz orgacircnico termo em inglecircs Organic light emitting devices
OPV ndash Ceacutelulas orgacircnicas fotovoltaicas termo em inglecircs Organic Photovoltaic
PET ndash Poli (Tereftalato de Etila)
xvii
PEDOT ndash Poli (34-etileno dioxitiofeno)
PS ndash Poliestireno
PSSndash Poli (Estireno-Sulfonato)
PMAM ndash Poli Metacrilato de Metila
P3HT ndash Poli (3-hexil tiofeno)
rpm ndash Rotaccedilatildeo por minuto
TO - Oacutexido de estanho termo em inglecircs Tin Oacutexide
Tm ndash Temperatura de fusatildeo cristalina
Tg ndash Temperatura de transiccedilatildeo viacutetrea
UV ndash Ultravioleta
VIS ndash Visiacutevel
VOC ndash Tensatildeo circuito aberto termo em inglecircs Open-circuit voltage
V bi ndash Potencial de built-in
ndash eficiecircncia de conversatildeo de potecircncia
λ ndash comprimento de onda
π ndash orbital ligante
πndash orbital antiligante
ndash Funccedilatildeo trabalho do material
Capiacutetulo I
Introduccedilatildeo
2
1 ndash INTRODUCcedilAtildeO
Atualmente um assunto muito debatido na esfera mundial eacute o problema da emissatildeo
de gases que provocam o efeito estufa Essa questatildeo relaciona-se por exemplo com o
desvio do curso de um rio para formar barragem para construccedilatildeo de hidreleacutetrica ou o uso
de carvatildeo ou diesel para o funcionamento de geradores de energia eleacutetrica todas essas
accedilotildees tecircm forte contribuiccedilatildeo para mudanccedilas no ambiente natural
Uma maneira eficaz de amenizar o impacto de tais accedilotildees sobre o meio ambiente
consiste no aproveitamento da energia solar que eacute uma fonte de energia renovaacutevel tanto
como fonte de calor quanto de luz O sol eacute responsaacutevel direta ou indiretamente pela
maioria das fontes de energia utilizadas atualmente a energia do sol eacute responsaacutevel pela
evaporaccedilatildeo a radiaccedilatildeo solar induz as circulaccedilotildees atmosfeacutericas causando ventos necessaacuterios
para a obtenccedilatildeo de energia eoacutelica [1] A energia luminosa pode ser transformada em
energia eleacutetrica por meio das ceacutelulas solares Na atualidade eacute uma das alternativas
energeacuteticas mais promissoras para enfrentar os desafios dos proacuteximos anos
Por ser uma energia captada diretamente a partir da incidecircncia dos raios solares a
energia produzida por ceacutelulas fotovoltaicas eacute uma tecnologia que natildeo emite gases
poluentes na atmosfera e natildeo produz ruiacutedos nem vibraccedilotildees durante o processo de
conversatildeo
Embora seja uma tecnologia relativamente antiga a produccedilatildeo de energia por ceacutelulas
fotovoltaicas natildeo teve ainda grande expansatildeo comercial devido ao elevado preccedilo de
implantaccedilatildeo do sistema Com a existecircncia de grupo gerador movido a diesel mais barato
haacute um maior uso desse tipo de sistemas em lugares que natildeo satildeo atendidos pela rede de
energia puacuteblica [23]
Tendo em vista esse cenaacuterio soacutecio econocircmico e tambeacutem ambiental existe a
necessidade de se buscar novas tecnologias para a produccedilatildeo de ceacutelulas fotovoltaicas a
custos mais acessiacuteveis viabilizando assim sua execuccedilatildeo tendo em vista que a energia solar
eacute importante na preservaccedilatildeo do meio ambiente por apresentar vantagens sobre as outras
formas de obtenccedilatildeo de energia [4] Para cada metro quadrado de coletor solar instalado
evita-se a inundaccedilatildeo de cinquumlenta e seis metros quadrados de terras feacuterteis para a
construccedilatildeo de novas usinas hidreleacutetricas
A energia solar fotovoltaica eacute a energia da conversatildeo direta da luz em eletricidade
(Efeito Fotovoltaico) que consiste no aparecimento de uma diferenccedila de potencial nos
3
extremos de uma estrutura de material semicondutor produzido pela absorccedilatildeo da luz A
ceacutelula fotovoltaica eacute a unidade fundamental no processo de conversatildeo [5]
As ceacutelulas solares orgacircnicas necessitam de muito menos energia para serem
fabricadas que as de siliacutecio convencional ie o consumo de energia gasto para fabricaccedilatildeo
de uma ceacutelula solar orgacircnica eacute muito pequeno de forma que a energia por ela gerada seraacute
muito maior do que a gasta para a sua fabricaccedilatildeo A ceacutelula solar de siliacutecio possui um
processo de fabricaccedilatildeo com preccedilos elevados inviabilizando sua fabricaccedilatildeo em larga escala
devido aos gastos elevados de energia em sua produccedilatildeo O impacto final no balanccedilo de
energia natildeo eacute positivo ou seja se gasta muito mais energia para produzir a ceacutelula que a
energia que ela eacute capaz de gerar em curto prazo
A partir de uma reflexatildeo sobre este cenaacuterio observou-se que semicondutores
orgacircnicos baseados em pequenas moleacuteculas conjugadas e poliacutemeros oferecem a
oportunidade de produzir dispositivos com larga aacuterea e baixo custo sobre substratos
plaacutesticos flexiacuteveis [67] Nesse campo as misturas de poliacutemeros (blendas polimeacutericas) ou a
aditivaccedilatildeo de poliacutemeros produzem resultados interessantes Um exemplo eacute o poliestireno
(PS) e o poli-metacrilato de metila (PMAM) misturado com oacuteleo de buriti (Mauritia
flexuosa) o material modificado tem alta absorccedilatildeo entre 250 nm a 700 nm com o maacuteximo
em 320 nm [8] Isto o torna um candidato promissor para os estudos fotovoltaicos A partir
da descoberta dos poliacutemeros condutores e suas propriedades as investigaccedilotildees sobre a
possibilidade de empregaacute-los como mateacuteria prima na construccedilatildeo de dispositivos
fotovoltaicos foram intensificadas
Com base nessas observaccedilotildees optou-se por investigar misturas de PS e PMAM
com oacuteleo de buriti a fim de construir e caracterizar dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos
Tais dispositivos podem ser construiacutedos sobre substratos plaacutesticos e em temperatura
ambiente desta forma sendo flexiacuteveis e com baixo custo [9] Entre os diversos materiais
potencialmente interessantes para esse fim encontra-se tambeacutem o Poli (3-hexiltiofeno)
(P3HT) Com base em vaacuterias referecircncias [1011] sobre o uso do P3HT misturado com
nanopartiacuteculas e com C60 (Fulereno) resolveu-se testar a mistura P3HT com oacuteleo de Buriti
Este trabalho consiste no estudo para o desenvolvimento e caracterizaccedilatildeo de
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos baseados no oacuteleo de buriti que apresenta propriedades
oacutepticas de absorccedilatildeo misturado com poliacutemeros isolantes (PS e PMAM) e com o poliacutemero
semicondutor P3HT
4
11 ndash OBJETIVO GERAL
O objetivo do presente trabalho eacute o desenvolvimento e a caracterizaccedilatildeo de
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos a partir de poliacutemero semicondutor ou de poliacutemeros
isolantes modificados pelo oacuteleo de buriti
12 ndash OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS E ORGANIZACcedilAtildeO DO ESTUDO
1 Fazer deposiccedilatildeo de filmes finos de blendas polimeacutericas a partir de
mistura de poliacutemeros isolantes PS e PMAM e do poliacutemero
semicondutor P3HT com oacuteleo de buriti
2 Montagem dos dispositivos em substratos de vidro e de plaacutestico
3 Caracterizaccedilatildeo eleacutetrica dos dispositivos desenvolvidos atraveacutes de
medidas diretas sob iluminaccedilatildeo de lacircmpadas e luz solar direta
Medidas das curvas IndashV no escuro e com iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio
4 Caracterizaccedilatildeo morfoloacutegica dos filmes depositados por spin coater
Medir as espessuras dos filmes e aacuterea ativa
Ao longo desta pesquisa seraacute mostrada a confecccedilatildeo dos dispositivos que
apresentaram algum comportamento fotovoltaico ou aqueles que tiveram resultados
interessantes Vaacuterias tentativas foram feitas a fim de buscar aquelas que apresentassem
resultados e comportamento satisfatoacuterio para um dispositivo fotovoltaico orgacircnico
Este trabalho foi dividido em quatro capiacutetulos No capiacutetulo dois seraacute feita uma
revisatildeo de alguns conceitos importantes sobre dispositivos orgacircnicos materiais utilizados
e equipamentos de caracterizaccedilatildeo No capiacutetulo trecircs seratildeo descritos os procedimentos
experimentais e resultados os quais seratildeo subdivididos em dados experimentais I II e III e
em alguns casos subdivididos em etapas Seratildeo abordadas as teacutecnicas utilizadas nas
construccedilotildees e caracterizaccedilotildees dos dispositivos No capiacutetulo quatro seratildeo apresentadas as
conclusotildees e recomendaccedilotildees para trabalhos futuros
5
Capiacutetulo II
Conceitos Baacutesicos
6
2 ndash CONCEITOS BAacuteSICOS
21 ndash POLIacuteMEROS CONDUTORES
O termo poliacutemero eacute usado para designar macromoleacuteculas formadas pela repeticcedilatildeo
de unidades chamadas de monocircmeros Alguns poliacutemeros ocorrem naturalmente outros satildeo
sintetizados Os poliacutemeros sinteacuteticos tiveram seu grande desenvolvimento no iniacutecio do
seacuteculo 20 poreacutem a grande maioria dos poliacutemeros desenvolvidos nessa eacutepoca era isolante
Na deacutecada de 50 surgiram os primeiros poliacutemeros condutores extriacutensecos que eram
poliacutemeros isolantes incorporados com materiais portadores de cargas eleacutetricas
Nos anos 70 a equipe de Hideki Shirakawa et al [12] do instituto de Tecnologia de
Toacutequio produziu um filme de poliacetileno ([CH]n) de coloraccedilatildeo prateada e que conduzia
corrente depois Shirakawa produziu um outro filme condutor de poliacetileno de
coloraccedilatildeo dourada e com maior condutividade apoacutes dopagem com iodo Apoacutes as primeiras
descobertas vaacuterios outros poliacutemeros condutores foram desenvolvidos A descoberta das
propriedades eleacutetricas do poliacetileno laureou Heeger McDiarmid e Shirakwa com o
precircmio Nobel de quiacutemica em 2000 [12]
Os poliacutemeros condutores tambeacutem satildeo chamados de metais sinteacuteticos por possuiacuterem
propriedades eleacutetricas oacutepticas e magneacuteticas semelhantes aos metais e semicondutores
Os semicondutores orgacircnicos satildeo poliacutemeros cuja estrutura principal eacute composta por
carbono Satildeo semicondutores porque possuem ligaccedilotildees simples e duplas alternadas A
figura 21 mostra a estrutura quiacutemica do condutor orgacircnico poliacetileno cuja estrutura eacute a
mais simples
A sobreposiccedilatildeo de dois niacuteveis eletrocircnicos (orbitais) cria separaccedilotildees nos niacuteveis de
energia formando um orbital ligante (π) e um antiligante (π) que podem ser chamados de
banda de valecircncia e banda de conduccedilatildeo respectivamente Os orbitais podem ser
classificados de duas formas orbital molecular mais baixo desocupado (LUMO) e orbital
molecular mais alto ocupado (HOMO)
Figura 2 1 ndash Estrutura quiacutemica do poliacetileno mostrando as ligaccedilotildees alternadas em
simples e duplas
7
Semelhante aos semicondutores inorgacircnicos os semicondutores orgacircnicos possuem
dois eleacutetrons em cada niacutevel de energia com spin oposto formando ao longo da cadeia os
orbitais π e π com banda similar aos inorgacircnicos [13] Na figura 22 o orbital π
corresponde agrave banda de valecircncia (BV) e o orbital π a banda de conduccedilatildeo (BC)
Em temperatura de 0K todos os estados eletrocircnicos da banda BV estatildeo ocupados
enquanto que os da BC estatildeo desocupados O espaccedilo entre a BC (LUMO) e BV (HOMO) eacute
chamado de Energia de banda proibida (Eg)
Figura 2 2 ndash Formaccedilatildeo da estrutura do condutor poliacetileno (a) Formaccedilatildeo de bandas
distintas pela superposiccedilatildeo de N orbitais (b) aproximaccedilatildeo da banda riacutegida para um nuacutemero
grande de orbitais
22 ndash DISPOSITIVOS FOTOVOLTAICOS ORGAcircNICOS
Os dispositivos fotovoltaicos transformam energia luminosa em energia eleacutetrica
Satildeo divididos em duas classes de acordo com a aplicaccedilatildeo tecnoloacutegica Detectores de luz
como os fotodetectores e fotocondutores e ceacutelulas solares que convertem luz em energia
eleacutetrica [14 15] A conversatildeo da luz solar em energia eleacutetrica nas ceacutelulas solares depende
da geraccedilatildeo de cargas positivas e negativas e da captura das mesmas pelos eletrodos antes
das recombinaccedilotildees dos pares eleacutetrons ndash lacunas
O dispositivo fotovoltaico orgacircnico eacute composto de uma camada ativa
ensanduichada entre dois eletrodos com diferentes funccedilotildees trabalho Para melhor captaccedilatildeo
da luz um dos eletrodos tem que ser transparente Os materiais mais usados como eletrodo
8
transparente satildeo o oacutexido de estanho (TO) o oacutexido de estanho iacutendio (ITO) e oacutexido de
estanho dopado com fluacuteor (FTO) [14] O outro eletrodo pode ser feito de alumiacutenio caacutelcio
ouro prata cobre etc A figura 23 mostra o esquema de um dispositivo fotovoltaico
orgacircnico (ceacutelula solar orgacircnica)
Figura 2 3 ndash Estrutura de uma ceacutelula solar orgacircnica A camada ativa pode compreender
uma ou mais camadas semicondutoras uma mistura de materiais ou a combinaccedilatildeo destas
duas estruturas
Quando a camada ativa eacute iluminada por alguma fonte de luz atraveacutes do eletrodo
transparente a energia luminosa eacute transferida aos eleacutetrons que estatildeo no niacutevel HOMO Os
eleacutetrons absorvem a energia do foacuteton e satildeo promovidos para o niacutevel LUMO criando assim
uma lacuna no niacutevel HOMO O eacutexciton eacute definido como o par eleacutetron-lacuna ligado pela
atraccedilatildeo Coulombiana e eacute chamado de ―eacutexciton Wannier ―[16]
A figura 24 mostra a seccedilatildeo transversal de um dispositivo fabricado da maneira
mais simples contendo uma camada de poliacutemero entre dois eletrodos A aacuterea ativa eacute a
parte da sobreposiccedilatildeo do filme da camada ativa com o filme do eletrodo de contato de
prata Um dos eletrodos deve ser transparente agrave entrada de luz neste caso o FTO
Figura 2 4 ndash Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um dispositivo fotovoltaico feito com uma
camada de poliacutemero entre dois eletrodos
9
O processo de geraccedilatildeo de fotocorrente em dispositivos orgacircnicos fotovoltaicos
segue os seguintes passos mostrados na figura 25
Figura 2 5 ndash Processos envolvidos na geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica em um dispositivo
fotovoltaico orgacircnico
Apesar dos poliacutemeros conjugados apresentarem alto coeficiente de absorccedilatildeo em
torno de 105 cm
-1 somente parte da luz eacute absorvida e seraacute convertida em pares eleacutetrons-
lacunas Esses pares eleacutetrons - lacunas contribuiratildeo para a fotocorrente a qual ainda
depende da espessura da camada ativa polimeacuterica
O comprimento de difusatildeo de um eacutexciton em poliacutemeros conjugados eacute cerca de 10
nm devido a isso a espessura da camada ativa possui influecircncia direta sobre o
funcionamento do dispositivo Dispositivo com camada ativa muito espessa apresenta
resistecircncia agrave movimentaccedilatildeo dos portadores de cargas impedindo que as cargas positivas e
negativas sejam coletadas em seus respectivos eletrodos
Para ter um dispositivo com bom desempenho deve se construir camada ativa na
ordem de dezenas de nanocircmetros Os eacutexcitons devem ser criados nas proximidades das
interfaces do metalcamada ativa (regiatildeo ativa mostrado na figura 24) onde possa existir
maior efeito de alto campo eleacutetrico favorecendo assim a dissociaccedilatildeo dos eacutexcitons [17]
Para haver uma diferenccedila de potencial eacute necessaacuterio que os portadores sejam
coletados pelos respectivos eletrodos antes de se recombinarem A dissociaccedilatildeo do eacutexciton
ocorre em regiatildeo de alto campo eleacutetrico geralmente na interface metal-poliacutemero A figura
26 mostra um diagrama de energia para o dispositivo fotovoltaico orgacircnico sob
iluminaccedilatildeo
10
Figura 2 6 ndash Diagrama de niacuteveis de energia de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico Sob
iluminaccedilatildeo o eleacutetron (e-) eacute jogado para o niacutevel de maior energia LUMO deixando uma
lacuna (h+) no niacutevel de menor energia HOMO (Criaccedilatildeo do eacutexciton) que seratildeo coletados
pelos eletrodos 1 funccedilatildeo trabalho do 1ordm eletrodo (transparente) 2 funccedilatildeo trabalho do
2ordm eletrodo χ eletroafinidade IP potencial de ionizaccedilatildeo e Eg energia do gap
23 ndash CARACTERIZACcedilAtildeO DO DISPOSITIVO FOTOVOLTAICO
Para fazer comparaccedilotildees e caracterizar os dispositivos alguns paracircmetros satildeo
importantes para determinar a eficiecircncia entre os diferentes tipos de camada ativa dos
dispositivos Por meio do espectro dinacircmico ou resposta espectral teremos a eficiecircncia
quacircntica externa (IPCE) Para obterem-se os valores de tensatildeo circuito abeto (VOC)
corrente de curto circuito (ISC) fator de preenchimento (FF) e eficiecircncia de conversatildeo de
potecircncia () foram usados os valores retirados das curvas caracteriacutesticas I ndashV no escuro e
sob iluminaccedilatildeo [18]
231ndash Eficiecircncia quacircntica externa (IPCE)
Para se obter a resposta espectral ou espectro dinacircmico a amostra eacute submetida a
um feixe de luz monocromaacutetica de vaacuterios comprimentos de onda sem a aplicaccedilatildeo de
11
tensatildeo A eficiecircncia quacircntica externa eacute a razatildeo entre a densidade de fotocorrente de curto
circuito (JSC) medida e a intensidade de luz monocromaacutetica que incide sobre a amostra
conforme mostra a equaccedilatildeo 21
IPCE()=
(21)
Onde
JSC eacute a densidade de fotocorrente de curto circuito dada em microAcm2
λ eacute o comprimento de onda em nm
I0 eacute a intensidade de luz incidente em W m2
1024 eacute o fator de conversatildeo de energia em comprimento de onda [18]
Portanto o IPCE eacute um valor de medida de eficiecircncia para os dispositivos
fotovoltaicos
232 ndash Tensatildeo de circuito aberto (VOC) e Corrente de curto circuito (ISC)
Quando os materiais orgacircnicos das camadas ativas satildeo colocados em contato com o
eletrodo inorgacircnico existe um balanceamento de cargas entre os materiais de diferentes
funccedilotildees trabalhos ateacute que o equiliacutebrio seja atingido Nesta situaccedilatildeo haacute um nivelamento dos
niacuteveis de energia de Fermi dos materiais e um campo eleacutetrico intriacutenseco eacute criado na
interface do dispositivo
Em um dispositivo sob iluminaccedilatildeo depois da dissociaccedilatildeo dos eacutexcitons as cargas
satildeo transportadas para os eletrodos pelo campo eleacutetrico intriacutenseco que iraacute aumentar a
energia do eletrodo de menor funccedilatildeo trabalho (1) e diminuir a energia de Fermi do
eletrodo de maior funccedilatildeo trabalho (2) quase atingindo a condiccedilatildeo de banda plana
criando uma diferenccedila de potencial definida como tensatildeo de circuito aberto VOC
A figura 27 mostra o diagrama esquemaacutetico de um dispositivo fotovoltaico A
tensatildeo de circuito aberto VOC pode ser obtida da curva caracteriacutestica IndashV de um dispositivo
sob iluminaccedilatildeo quando a corrente eacute zero
12
Figura 2 7 ndash Diagrama esquemaacutetico do dispositivo fotovoltaico 2 poliacutemero1 no escuro
com o alinhamento dos niacuteveis de Fermi a) e sob iluminaccedilatildeo b) potencial de built-in ( Vbi)
intriacutenseco em temperatura ambiente esta proacuteximo ao valor de tensatildeo
Em temperaturas baixas a iluminaccedilatildeo poderaacute trazer a condiccedilatildeo de banda plana e a
tensatildeo de circuito aberto VOC seraacute igual ao potencial de built in (Vbi) Este potencial eacute
definido como a diferenccedila de funccedilatildeo trabalho entre os eletrodos em temperatura ambiente
pois a condiccedilatildeo de banda plana natildeo eacute totalmente atingida e uma pequena correccedilatildeo deve ser
adicionada ao VOC para obter o Vbi [14]
O valor da corrente eleacutetrica maacutexima que atravessa o dispositivo quando iluminado
sem nenhuma tensatildeo aplicada eacute chamado de corrente de curto circuito (ISC)
Para definir a densidade de fotocorrente (JSC) utiliza-se o valor de ISC dividido pela
aacuterea ativa do dispositivo
233 ndash Curva caracteriacutestica IndashV
Atraveacutes da curva IndashV temos a resposta eleacutetrica do dispositivo fotovoltaico A figura
28 mostra a curva caracteriacutestica IndashV no escuro e sob iluminaccedilatildeo de um dispositivo ideal
fotovoltaico No escuro a curva de resposta eacute semelhante agrave de um diodo retificador quando
a corrente soacute aparece para a tensatildeo direta Sob iluminaccedilatildeo a curva de ISC desce para o
terceiro e quarto quadrante Na polarizaccedilatildeo direta o eletrodo de maior funccedilatildeo trabalho eacute
polarizado positivamente e o de menor funccedilatildeo trabalho eacute polarizado negativamente
[1819]
13
Figura 2 8 ndash Curva caracteriacutestica IndashV de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico no escuro e
sob iluminaccedilatildeo Tambeacutem eacute mostrado o ponto de corrente de curto circuito e tensatildeo de
circuito aberto O retacircngulo pintado indica o fator de preenchimento (FF)
234 ndash Fator de preenchimento (FF) e Conversatildeo de Potencia ()
A quantidade maacutexima de energia eleacutetrica extraiacuteda do dispositivo fotovoltaico eacute
determinada pelo fator de preenchimento (FF) ou seja eacute a razatildeo entre a potecircncia maacutexima
fornecida pelo dispositivo fotovoltaico e a potecircncia nominal do mesmo Na figura 8 o fator
de preenchimento eacute representado pela razatildeo entre as aacutereas do retacircngulo cinza (representa a
potecircncia maacutexima que o dispositivo fornece) pela aacuterea do retacircngulo azul (representa a
potecircncia nominal) Assim a equaccedilatildeo 22 mostra a relaccedilatildeo matemaacutetica para a obtenccedilatildeo do
FF
(22)
Onde Vm e Im satildeo as intersecccedilotildees da curva IndashV com a potecircncia maacutexima do
retacircngulo
14
Para aplicaccedilatildeo de um dispositivo fotovoltaico como ceacutelulas solares um dos focos
de interesse eacute a potecircncia eleacutetrica extraiacuteda que eacute determinada pela eficiecircncia de conversatildeo
de potecircncia () Para encontrar este valor divide-se o valor da potecircncia maacutexima gerada
pela ceacutelula (P) pela potecircncia da luz incidente (Pin) A expressatildeo para o caacutelculo de eacute
mostrada na equaccedilatildeo 23
=
(23)
Onde I0 eacute a intensidade de luz incidente sobre a ceacutelula solar Usando a equaccedilatildeo 22
para calculara o FF temos a equaccedilatildeo 24
(24)
24 ndash POLIacuteMEROS UTILIZADOS
Os poliacutemeros sinteacuteticos satildeo produtos quiacutemicos obtidos sinteticamente que
apresentam cadeias longas e dentre eles podemos encontrar materiais importantes para o
uso em engenharia
As propriedades dos poliacutemeros dependem muito do tipo de monocircmero que o
originaram Outros fatores que influenciam suas propriedades satildeo o tipo de reaccedilatildeo
empregada para sua obtenccedilatildeo e a teacutecnica de preparaccedilatildeo Podemos citar trecircs tipos de reaccedilotildees
a partir das quais se podem produzir um poliacutemero a poliadiccedilatildeo policondensaccedilatildeo e a
modificaccedilatildeo quiacutemica de outro poliacutemero [20]
241 ndash Polistireno (PS)
O PS eacute uma resina termoplaacutestica foi descoberto em 1831 Apesar de ter sido
proposto para uso logo apoacutes sua descoberta demorou a ser colocado no comeacutercio Isto
ocorreu porque a polimerizaccedilatildeo do monocircmero natildeo era controlada e ocorria muito
rapidamente dificultando o carregamento e a estocagem dos monocircmeros A representaccedilatildeo
da estrutura quiacutemica do PS pode ser vista na figura 29 [21]
15
Figura 2 9 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PS (C8H8)n
O PS eacute um dos plaacutesticos mais utilizados no Brasil cuja aplicaccedilatildeo pode se estender a
diversos tipos de utensiacutelios para uso domeacutesticos Em uso na fabricaccedilatildeo de objetos tais
como brinquedos escovas embalagens riacutegidas para cosmeacuteticos no isolamento ao frio na
embalagem de equipamentos em pranchas flutuantes em paineacuteis para a induacutestria
automobiliacutestica e produtos para a induacutestria de eletro-eletrocircnico etc
Suas caracteriacutesticas marcantes satildeo rigidez semelhante ao vidro alta resistecircncia
quiacutemica baixa resistecircncia a solventes orgacircnicos baixa resistecircncia a intempeacuteries boa
condiccedilatildeo de isolamento teacutermico e eleacutetrico relevante sensibilidade agrave luz incolor e
transparente [21] Frente ao calor eacute classificado como termoplaacutestico de uso geral Trata-se
de um poliacutemero de baixo custo e de faacutecil aquisiccedilatildeo No Brasil os principais fabricantes satildeo
a BASF do Brasil que produz o PS com o nome comercial de Plystirol e a Monsanto do
Brasil que o fabrica com o nome comercial de Lustrex Possui temperatura de fusatildeo
cristalina (Tm) 235 degC e temperatura de transiccedilatildeo viacutetrea (Tg) de 100 degC [20]
242 ndash Poli metacrilato de metila (PMAM)
Eacute um poliacutemero amorfo linear sua siacutentese eacute por adiccedilatildeo e requer um centro ativo
como iniciador Possui caracteriacutesticas oacutepticas e mecacircnicas resistentes aos aacutecidos orgacircnicos
[21 22] A representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica pode ser vista na figura 210
16
Figura 2 10 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PMMA (C5O2H8)n
Tambeacutem conhecido como plaacutestico acriacutelico esse termoplaacutestico eacute um poliacutemero
sinteacutetico de origem petroquiacutemica assim como o PS cujas principais caracteriacutesticas satildeo
transparecircncia boa resistecircncia quiacutemica resistente a impactos e a intempeacuteries
Eacute um poliacutemero considerado de baixo custo e de faacutecil aquisiccedilatildeo No Brasil
destacam-se como fabricantes a CP Bahia e a Rohm amp Haas que produzem
respectivamente o Acrigel e o Acryloid
O PMAM eacute usado em placas para sinalizaccedilatildeo de traacutefego em estradas nas induacutestrias
automobiliacutesticas de aviaccedilatildeo e na construccedilatildeo civil Eacute vastamente empregado na fabricaccedilatildeo
de fibras oacutepticas e em eletro-eletrocircnicos aleacutem disso o PMAM tem sido utilizado na
ortopedia desde sua siacutentese Pesquisa na aacuterea da eletrocircnica orgacircnica estaacute sendo
desenvolvida [2223] e tambeacutem na aacuterea da medicina como na esteacutetica e em outras
aplicaccedilotildees na aacuterea da sauacutede [2425]
Possui temperatura de fusatildeo cristalina (Tm) 160 degC e temperatura de transiccedilatildeo viacutetrea
(Tg) de 105 degC[20]
243 ndash Poli(34-Etileno Dioxitiofeno)Poli(Estireno-Sulfonato) (PEDOTPSS)
As pesquisas sobre poliacutemeros condutores tecircm atraiacutedo cientistas e grandes empresas
Ao longo desta deacutecada grandes descobertas foram realizadas em relaccedilatildeo aos poliacutemeros
condutores [26]
Cientistas da Bayer AG [27 28] contribuiacuteram para o desenvolvimento do Poli (34-
etileno dioxitiofeno) (PEDOT) que apresenta propriedades e caracteriacutesticas interessantes
mesmo em seu estado dopado A cadeia principal estaacute representada na figura 211
17
Figura 2 11 ndash Representaccedilatildeo da cadeia principal do PEDOT [28]
O PEDOT possui alta condutividade contudo natildeo eacute soluacutevel em aacutegua Para tornaacute-lo
soluacutevel foi adicionado o poli (estireno sulfonado) (PSS) assim as altas taxas de
condutividade foram perdidas no processo de dopagem Apesar disto a combinaccedilatildeo do
PEDOTPSS ilustrado na figura 212 resultou em um poliacutemero com caracteriacutesticas e
condiccedilotildees favoraacuteveis tornando simples a deposiccedilatildeo dos filmes
O PEDOTPSS eacute apresentado em soluccedilatildeo azul escuro e possui condutividade
maacutexima de 10 S cm (depende da espessura e do processo de confecccedilatildeo do filme) Mostra
alta taxa de absorccedilatildeo luminosa entre 900 nm e 2000 nm [28]
Figura 2 12 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica da interaccedilatildeo entre o PEDOT e PSS [28]
O PEDOTPSS eacute um exemplo de poliacutemero condutor comercial que atraiu usuaacuterios e
pesquisadores em vaacuterios paiacuteses Atualmente existem vaacuterios estudos de dispositivos
orgacircnicos para aplicaccedilotildees em ceacutelulas solares que utilizam o PEDOTPSS [30-32] Seu uso
18
em pesquisas se estende a outros dispositivos orgacircnicos como OLEDs sensores
transistores etc [32 33]
244 ndash Poli (3-hexiltiofeno) (P3HT)
O P3HT eacute um poliacutemero sinteacutetico semicondutor tipo p fabricado e comercializado
pela Aldrichreg possui alto peso molecular Sua estrutura com grades reacutegio-regulares
favorece os estudos para aplicaccedilotildees em ceacutelulas fotovoltaicas orgacircnicas (OPV) Possui
propriedades fotoluminescentes na faixa de comprimento de onda 450 nm e 575 nm [34]
Tambeacutem pode ser combinado com outro tipo de poliacutemeros para aplicaccedilotildees em ceacutelulas
solares [35-37] O transporte de cargas majoritaacuterio eacute de lacunas
A Soluccedilatildeo do P3HT pode ser solubilizada em clorofoacutermio (CHCL3) Aleacutem deste
solvente o P3HT pode ser diluiacutedo em tolueno (C7H8) tri-cloro-benzeno cloro-benzeno e
xyleno soluacutevel A estrutura quiacutemica pode ser vista na figura 213
Figura 2 13 ndash Estrutura quiacutemica do P3HT (C10H18S)n
245 ndash Oacuteleo de Buriti (Mauritia Flexuosa L) ndash OB
A palmeira do buriti (Mauritia flexuosa L) aparece em regiotildees de vaacuterzea e brejo e eacute
comumente encontrada na regiatildeo da Amazocircnia A figura 214 ilustra a foto da palmeira do
buritizeiro Tanto as palmeiras como os frutos satildeo muito utilizados pelas pessoas que
moram nas regiotildees ribeirinhas por exemplo para fazer coberturas de casas com as folhas
ou para extrair a polpa dos frutos para o uso na alimentaccedilatildeo
19
Figura 2 14 ndash Foto da palmeira do Buriti (Mauritia Flexuosa) conhecida como Buritizeiro
[21]
A palmeira do buritizeiro costuma ter altura de ateacute cinquumlenta metros A meacutedia de
frutos colhidos em todos os cachos varia de quinhentos a oitocentos frutos O fruto do
buriti apresenta forma arredondada e eliacuteptica mede aproximadamente de quatro a seis
centiacutemetros de diacircmetro com peso variando entre vinte e cinco a quarenta gramas A
figura 215 ilustra o fruto do buritizeiro tambeacutem pode ser observada a cor amarelada da
polpa
Figura 2 15 ndash Ilustraccedilatildeo dos frutos maduros do Buriti (a) aspecto da casca (b) polpa de
cor amarelada [21]
Estudos desenvolvidos por Moreira et al [38- 40] mostram propriedades oacutepticas de
absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica na faixa do ultravioleta e do visiacutevel solar (UV-VIS)
20
Duratildees et al [39] estudando as soluccedilotildees do OB diluiacuteda em clorofoacutermio observaram
grau de absorccedilatildeo de radiaccedilatildeo UV-VIS na faixa de 245 248 e 276 nm Tambeacutem foram
avaliadas a incorporaccedilatildeo do OB em matrizes de PMAM e PS que apresentaram niacuteveis de
absorccedilatildeo em comprimentos de onda maiores do que 276 nm
A figura 216 mostra os espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo ultravioleta (UV) dos
filmes de PS e PS com OB nas proporccedilotildees estudadas Observa-se nesses espectros que o
filme de PS sem o OB apresenta absorccedilatildeo insignificante nessa regiatildeo do espectro
eletromagneacutetico Esse material mostra uma pequena banda de absorccedilatildeo entre 250 nm Nos
espectros do material polimeacuterico misturado com OB percebe-se um aumento da absorccedilatildeo
da radiaccedilatildeo como consequumlecircncia do aumento do teor de OB nas amostras Esta absorccedilatildeo eacute
indicada por uma banda larga e intensa entre 275 nm e 375 nm que se desloca para
comprimentos de onda maiores agrave medida que a concentraccedilatildeo do oacuteleo aumenta nos
materiais compostos [40]
Figura 2 16 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PS puro e PSOB [40]
A figura 217 mostra os espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes de
PMAM puro e PMAM OB nas proporccedilotildees estudadas O estudo de espectroscopia por
absorccedilatildeo na regiatildeo do UV mostrou que o OB proporcionou uma elevaccedilatildeo de ateacute 400 na
absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo pelo PMAM misturado com OB Este aumento ocorreu regularmente
21
com o teor do dopante exceto para o material com maior percentual do oacuteleo onde
provavelmente a sua maior quantidade tenha dificultado a incorporaccedilatildeo no PMAM
Como consequumlecircncia da incorporaccedilatildeo do OB na matriz de PMAM foi observada
uma banda larga de absorccedilatildeo entre 260 nm e 380 nm que sofreu deslocamento para
comprimentos de onda maiores acompanhando o aumento no teor de oacuteleo das amostras
Nota-se portanto que o comportamento das amostras de PMAM OB eacute semelhante ao dos
materiais PS OB com exceccedilatildeo da inversatildeo de absorccedilatildeo dos filmes feitos com percentuais
do OB de 3455 e 4681 nos filmes de PMAM
Figura 2 17 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PMAM puro e PMAM
OB [40]
22
Capiacutetulo III
Procedimentos Experimentais e
Resultados
23
3 ndash PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS
31 ndash MATERIAIS
Escolheu-se trabalhar com substrato de vidro por que eacute transparente fornece
sustentaccedilatildeo mecacircnica natildeo se degrada com o calor permite a entrada de luz no dispositivo
e possui uma camada condutora com resistecircncia relativamente baixa As resistecircncias das
lacircminas foram medidas com multiacutemetro digital comum e apresentaram um valor em torno
de 41-70 Ω A resistecircncia desses substratos muda de acordo com o processo de
deposiccedilatildeo dos filmes de FTO [41 42] Tambeacutem foram usados substratos flexiacuteveis de
plaacutestico (PET) no tamanho de 2 cm x 3 cm
Os poliacutemeros condutores usados foram o PEDOTPSS e o P3HT Usou-se o PEDOT
PSS para fazer um dos eletrodos O P3HT foi usado misturado com o oacuteleo de buriti para
fazer um tipo de camada ativa Trabalhou-se com misturas de poliacutemeros isolantes PS e
PMAM com OB preparadas no Laboratoacuterio de Poliacutemeros do Instituto de Quiacutemica da UnB
Usou-se misturas com concentraccedilotildees de 8 e 47 de OB na matriz de PS e misturas com
35 de OB na matriz de PMAM conforme descrito por JR Duratildees em [40]
Para fazer o eletrodo superior usou-se a tinta condutora de prata marca INK
SILVER (tinta 100 prata) com pureza da prata 99 e tamanho da partiacutecula de prata 05
a 70 m dissolvidas em solvente e um verniz de alta aderecircncia (NOS002) Em algumas
amostras usou-se tambeacutem o grafite de um laacutepis HB
32 ndash EQUIPAMENTOS UTILIZADOS
321 ndash Multiacutemetros
Para fazer as medidas eleacutetricas diretas de ISC empregou-se o uso do multiacutemetro
analoacutegico ET-3021 porque possuiacutea escala de ateacute micro ampeacutere Para as medidas diretas de
resistecircncia seacuterie e de VOC usou-se o multiacutemetro digital modelo ET-2042C
322 ndash Spin coater
Os filmes finos foram preparados utilizando um conjunto de equipamento que
compotildee o spin coater (Laureal modelo WS- 400B-6NPPLITE) do Laboratoacuterio de
Dispositivo e Circuitos Integrados da UnB (LDCI) mostrado na figura 31
24
Figura 3 1 ndash (a)bomba de vaacutecuo (b) compressor de ar comprimido (c) vaacutelvula de
controle e (d) spin coater
O equipamento de spin coater consiste em um conjunto composto de bomba de
vaacutecuo compressor de ar comprimido regulador de pressatildeo e o spin coater que possui
compartimento feito de teflon Acoplado ao spin coater haacute um display de cristal liquido
(LCD) para visualizaccedilatildeo dos programas realizados
Tem-se ateacute 20 programas de processamentos (A ateacute T) contendo ateacute 51 etapas cada
um que podem ser armazenados definitivamente na memoacuteria caso haja possibilidade de
modificar o programa posteriormente Cada etapa do programa inclui tempo total de
duraccedilatildeo da deposiccedilatildeo velocidade de rotaccedilatildeo do substrato em rpm e
aceleraccedilatildeodesaceleraccedilatildeo Satildeo possiacuteveis rotaccedilotildees de ateacute 11000 rpm
Na figura 32 haacute uma foto mostrando a lateral e parte da frente do compartimento
onde o substrato eacute colocado no momento da centrifugaccedilatildeo Ao lado do spin coater pode ser
visualizado o display de LCD programaacutevel acoplado
25
Figura 3 2 ndash Equipamento de spin coater instalado no laboratoacuterio LDCI vista lateral e
frontal
323 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores (Curva IndashV)
As curvas IndashV das amostras foram obtidas com um sistema de caracterizaccedilatildeo de
semicondutores Keithley modelo 2400 mostrado na figura 33 o qual permite aplicar
tensotildees entre 1 μV e 1100 V e medir a corrente entre 10 pA e 105 A
Figura 3 3 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores Keithley 2400 laboratoacuterio
LDCI
26
Todo o processo de medidas eacute controlado atraveacutes de um microcomputador que eacute
conectado aos equipamentos atraveacutes de uma interface paralela (General Purpose Interface
Bus (GPIB) que controla os equipamentos coleta e armazena os dados O programa usado
para este fim eacute o software LABVIEW 61
324 ndash Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM)
A caracterizaccedilatildeo morfoloacutegica dos filmes das camadas ativas foi obtida em um
equipamento de medidas de microscopia de forccedila atocircmica AFM marca VEECO DInnova
(figura 34) com ponteira de nitrato de siliacutecio (forma em V) com constante de mola de
058 Nm Todas as imagens foram obtidas em modo contato (512 x 512 pixel) e taxa de
varredura de 1 Hz
Figura 3 4 ndash Vista frontal do AFM marca VEECO Innova
27
Os filmes caracterizados por AFM consistiram em camadas ativas feitas com
soluccedilotildees de PS puro PSOB 47 PMAM puro PMAMOB 35 P3HTOB puro e
P3HT PS OB 47 depositadas sobre substrato de vidro recoberto com FTO por spin
coating e com rotaccedilatildeo de 7000 rpm por 40 segundos
33 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS I
331 ndash Experimentos Etapa 1
Nesta etapa utilizou-se a metodologia adaptada a partir da descriccedilatildeo da montagem da
ceacutelula solar de Graumltzel [43] Essa ceacutelula eacute tambeacutem conhecida como ceacutelula solar de corante
Nessa ceacutelula a geraccedilatildeo de energia eacute produzida por um efeito eletroquiacutemico [44] Para cada
amostra foram usadas duas lacircminas de vidro tamanho 1 cm x 25 cm recoberto com FTO
Os substratos foram utilizados conforme retirados das embalagens ou seja natildeo passaram
por nenhum tipo de limpeza
3311 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo dos eletrodos
Para um dos eletrodos usou-se o grafite que foi obtido a partir de um laacutepis para
desenho HB No lado do substrato contendo o FTO pintou-se a lacircmina com o laacutepis Para o
outro eletrodo foi usado uma soluccedilatildeo PEDOT PSS As amostras foram confeccionadas
manualmente e as deposiccedilotildees foram feitas com pincel comum A soluccedilatildeo de PEDOT PSS
ficou agitando durante 2 horas antes da deposiccedilatildeo sobre o substrato a fim de obter-se uma
soluccedilatildeo mais homogecircnea Devido o filme de PEDOTPSS ser espesso o processo de
secagem a temperatura ambiente foi demorado Assim apoacutes a pintura se fez necessaacuterio a
secagem das amostras na estufa durante 8 horas a 80 ordmC e para concluir o processo
ficaram em temperatura ambiente por mais 24 horas
3312 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo da camada ativa
Antes de fazer a deposiccedilatildeo do filme da camada ativa de PSOB 8 a mistura foi
agitada durante 30 minutos com intuito de obter-se uma dissoluccedilatildeo completa da soluccedilatildeo
28
Sobre o eletrodo de PEDOTPSS foi depositada por casting uma quantidade da soluccedilatildeo de
PSOB 8
3313 ndash Formaccedilatildeo do dispositivo
Para formar o dispositivo as duas lacircminas de vidro foram juntadas uma com
grafite e a outra com PEDOTPSS e a camada ativa de PSOB 8 As duas foram juntadas
antes que a camada ativa estivesse seca de modo a ajudar na colagem das mesmas Para
garantir a uniatildeo fiacutesica das lacircminas foi usado um clipe conforme mostrado na figura 35 A
aacuterea ativa eacute da ordem de 1 cm2
Figura 3 5 ndash Amostras confeccionadas com duas lacircminas de substrato de vidro
recoberto com FTO baseada no modelo de Graumltzel
3314 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
A fonte de iluminaccedilatildeo utilizada na caracterizaccedilatildeo dos dados experimentais e
resultados I consistiu em uma lacircmpada incandescente comum de 100 W ligada em seacuterie
com um varivolt de 240 volts
Foram feitas quatro amostras (CS1 CS2 CS3 e CS4) da forma como descrito
acima As medidas eleacutetricas foram tomadas usando-se dois multiacutemetros um digital e outro
analoacutegico As amostras foram iluminadas com a lacircmpada incandescente de 100 W e foram
observados valores de ISC e VOC nos multiacutemetros a partir de uma tensatildeo de 240 volts na
lacircmpada Todas as amostras ficaram expostas durante aproximadamente 5 minutos Os
valores de ISC e VOC obtidos satildeo mostrados na tabela 31
29
Tabela 3 1 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W) Tensatildeo da
lacircmpada
CS1 mdash mdash mdash 240
CS2 03 09 027 240
CS3 06 05 030 240
CS4 02 01 020 240
3315 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Pode-se observar o aparecimento de VOC e tambeacutem de ISC em trecircs das amostras
confeccionadas com tensatildeo de alimentaccedilatildeo na fonte de iluminaccedilatildeo de 240 volts Os
valores de VOC e ISC satildeo um pouco diferentes entre as trecircs amostras apesar de elas terem
sido confeccionadas seguindo os mesmos procedimentos Isto pode ter sido devido agrave
dificuldade em se controlar a espessura das camadas ativas Os resultados obtidos para VOC
e ISC satildeo menores do que os reportados na literatura [4344] Contudo os materiais usados
satildeo diferentes dos relatados na literatura Neste dispositivo o OB estaacute se comportando
como um corante e promovendo o processo eletroquiacutemico de transformaccedilatildeo de energia
luminosa em energia eleacutetrica Assim uma mudanccedila na concentraccedilatildeo de oacuteleo poderaacute
modificar os resultados obtidos ateacute aqui
332 ndash Experimentos Etapa 2
3321 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras
Na segunda etapa foram confeccionadas quatro amostras (CS5 CS6 CS7 e CS8)
utilizando a mesma metodologia do experimento da Etapa 1 mudando apenas a
concentraccedilatildeo do OB de 8 para 47 No lugar do clipe para unir as duas lacircminas usou-se
fita adesiva
3322 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
As medidas das amostras foram realizadas usando os mesmos equipamentos jaacute
citados e descritos anteriormente Duas destas amostras natildeo tiveram medidas de ISC nem
30
VOC Para as demais soacute foram observadas medidas de VOC e ISC apoacutes a tensatildeo da lacircmpada
atingir 200 volts Todas as amostras ficaram expostas durante 5 minutos Os valores de ISC
e VOC obtidos satildeo mostrados na tabela 32
Tabela 3 2 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W) Tensatildeo da
lacircmpada
CS5 ndash ndash ndash 240
CS6 18 09 162 240
CS7 ndash ndash 240
CS8 09 03 027 240
3323 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Os valores de VOC e ISC obtidos nesta etapa satildeo maiores que os obtidos na Etapa1
Isto pode estar relacionado ao efeito corante do OB Nesta etapa mudou-se a concentraccedilatildeo
de 8 de OB para 47 de OB esse paracircmetro foi o uacutenico a ser mudado entre as duas
etapas Estas amostras bem como as da Etapa 1 natildeo puderam ter seus valores de VOC e ISC
medidos novamente porque as amostras descolavam os eletrodos danificando os
dispositivos Assim estas estruturas natildeo foram repetidas
333 ndash Experimentos Etapa 3
Nesta etapa mudou-se o tipo de substrato e a configuraccedilatildeo das amostras A
configuraccedilatildeo de construccedilatildeo baseada na estrutura dos dispositivos desenvolvidos por
Graumltzel natildeo foi mais usada O substrato de vidro foi substituiacutedo por um substrato de
plaacutestico de Poli (Tereftalato de Etila) (PET) a fim de desenvolver amostras flexiacuteveis e de
menor custo As camadas ativas tiveram a concentraccedilatildeo do OB de 47 O substrato de
PET foi limpo com clorofoacutermio acetona e aacutegua deionizada Apoacutes o processo de limpeza os
substratos foram secos a temperatura ambiente por 2 horas Para substituir a camada
condutora de FTO e construir um dos eletrodos utilizou-se leit-C e leit-C diluente
adquirido da FLUKA esses dois elementos produzem a pasta de carbono O PEDOTPSS
31
foi utilizado para formar um filme sobre o eletrodo de carbono E por uacuteltimo foi usada a
Ag para fazer o eletrodo superior
3331 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras
Com o substrato recortado no tamanho de 2 cm x 3 cm inicia-se o processo de
limpeza As folhas de PET foram imersas em clorofoacutermio durante 30 minutos em soluccedilatildeo
de acetona por mais 30 minutos e por ultimo foram enxaguadas com aacutegua deionizada O
processo de secagem foi realizado em temperatura ambiente dentro da estufa
A pasta de carbono foi preparada para ser o eletrodo inferior Essa foi espalhada
manualmente com ajuda de uma espaacutetula sobre toda a folha do PET Com o substrato
preparado e tendo a superfiacutecie recoberta com um filme de carbono jaacute seco a soluccedilatildeo de
PEDOT PSS foi pintada sobre o filme de carbono com um pincel de cerdas macias
comum Antes da deposiccedilatildeo a soluccedilatildeo de PEDOT PSS foi agitada durante 2 horas
Apoacutes a pintura do filme de PEDOTPSS as amostras foram colocadas na estufa agrave
temperatura de 50 degC durante 8 horas e permaneceram por mais 24 horas em temperatura
ambiente dentro da estufa A camada ativa foi depositada usando uma pipeta contendo 001
uL de PSOB 47 Para formar o contato inferior uma pequena parte do filme de
PEDOTPSS foi deixado visiacutevel
Apoacutes a deposiccedilatildeo da camada ativa as amostras ficaram em temperatura ambiente
por 24 horas para concluir o processo de secagem O eletrodo superior foi pintado com
tinta de Ag sobre uma pequena aacuterea da camada ativa A secagem do eletrodo superior foi
em temperatura ambiente A aacuterea ativa destas amostras eacute da ordem de 05 cm2 A figura 36
a) mostra o esquema final da amostra e a figura 36 b) uma foto do dispositivo finalizado
Figura 3 6 ndash (a) Esquema da amostra confeccionada no substrato flexiacutevel de plaacutestico
(PET) (b) foto do substrato finalizado
32
3332 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
Nesta etapa foram confeccionadas cinco amostras chamadas de P1 P2 P3 P4 e
P5 As medidas eleacutetricas foram realizadas usando os equipamentos jaacute descritos nas etapas
anteriores Os valores de VOC e ISC foram medidos apoacutes a tensatildeo da lacircmpada atingir 200
volts Todas as amostras ficaram expostas sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada durante cinco
minutos As amostras tiveram as resistecircncias medidas Pois os substratos utilizados aqui
eram isolantes e o filme condutor foi construiacutedo manualmente As resistecircncias das
amostras satildeo mostradas na tabela 33 juntamente com os valores de ISC VOC e potecircncia
calculada
Todas as amostras apresentaram valores de VOC e ISC para tensatildeo de iluminaccedilatildeo da
lacircmpada acima de 220 volts exceto a amostra P4 A amostra P4 mostrou valores
mensuraacuteveis de VOC e ISC a partir de iluminaccedilatildeo da lacircmpada com tensatildeo de 110 volts Os
valores desta variaccedilatildeo satildeo mostrados na tabela 34
Tabela 3 3 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (W) Tensatildeo da
Lacircmpada
Resistecircncia
Ohms
P1 ndash ndash ndash 240 540
P2 09 01 09 240 890
P3 15 07 105 240 550
P4 09 06 054 240 1500
2000 P5 24 09 216 240
Tabela 3 4 ndash Valores medidos de VOC e ISC com iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W para variaccedilatildeo de iluminaccedilatildeo para a amostra P4
Variaccedilatildeo das tensotildees VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W)
110 04 01 04
160 06 02 012
220 07 03 021
240 09 06 054
33
3333 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Na tabela 33 natildeo foi observada nenhuma ligaccedilatildeo direta dos valores de ISC e VOC
com as resistecircncias medidas das amostras Em relaccedilatildeo agraves amostras feitas nas Etapas 1 e 2
pode-se notar valores de ISC e VOC maiores
Foi observado que em todas as amostras confeccionadas no substrato de PET apoacutes
alguns minutos de aquecimento pela fonte de luz (lacircmpada de 100 w) as amostras se
deformavam Agrave medida que os testes eram repetidos as amostras se retorciam e em
algumas amostras os filmes ressecaram e se soltaram dos substratos Apesar destes
comportamentos ao se repetir os testes os valores de VOC e ISC permaneciam inalterados
para as amostras que os filmes natildeo estavam completamente rompidos A figura 37
apresenta a foto de uma amostra apoacutes ser submetida agrave fonte iluminaccedilatildeo de lacircmpada
incandescente de 100 W por 20 minutos Devido aacute sua deformaccedilatildeo e degradaccedilatildeo com o
calor este tipo de substrato foi descartada
Figura 3 7 ndash Amostra feita com substrato de PET apoacutes ser submetidos agrave fonte de lacircmpada
incandescente de 100 W por 20 minutos
334 ndash Experimentos Etapa 4
Devido ao retorcimento e agrave deterioraccedilatildeo das amostras confeccionadas com
substrato de PET nesta etapa voltou-se a utilizar o substrato de vidro recoberto com FTO
A prata foi usada para construir o eletrodo superior das amostras Para a camada ativa
continuou-se com uso do PSOB 47 Seguindo o mesmo esquema utilizado anteriormente
34
para confecccedilatildeo das amostras de PET mudou-se apenas o substrato O esquema do
dispositivo pode ser visto na figura 38
3341 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras
As resistecircncias dos substratos de vidro de 1 cm x 25 cm estatildeo entre 89 a 115 Ω
Os substratos foram limpos com clorofoacutermio acetona e aacutegua deionizada
Apoacutes o processo de limpeza todos os substratos foram secos a temperatura
ambiente por 2 horas
O eletrodo de PEDOTPSS foi pintado sobre o filme de FTO do substrato Em
seguida as amostras foram colocadas na estufa a 80 degC durante 24 horas
Apoacutes a secagem da camada de PEDOTPSS foi realizada a deposiccedilatildeo da camada
ativa com o auxilio de uma pipeta contendo 001 ml de soluccedilatildeo de PSOB 47 O
processo de secagem foi em temperatura ambiente por 24 horas
Por uacuteltimo foi feito o contato superior de tinta de Ag sobre a camada ativa de PS
OB 47 utilizando um pincel fino de cerdas comuns A aacuterea ativa foi estimada e ficou em
torno de 025 cm2 A figura 38 a) mostra o esquema que foi usado para confeccionar as
amostras e a figura 38 b) ilustra a amostra finalizada
Figura 3 8 ndash (a) Esquema da amostra para substrato de vidro recoberto com FTO (b) foto
da amostra finalizada
3342 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
Nesta etapa foram confeccionadas 10 amostras que foram nomeadas de v1 v2 v3
v4 v5 v6 v7 v8 v9 e v10 A tabela 35 mostra os valores daquelas que apresentaram
melhores desempenhos de VOC e ISC As medidas eleacutetricas foram realizadas usando os
equipamentos jaacute descritos nas etapas anteriores As medidas obtidas satildeo inferiores agravequelas
jaacute conseguidas nos itens anteriores Valores de VOC e ISC significativos ocorreram apoacutes a
tensatildeo da lacircmpada atingir 220 volts Todas as amostras ficaram expostas sob a luz da
lacircmpada durante 10 minutos As amostras foram iluminadas atraveacutes do vidroFTO
35
Tabela 3 5 ndash Valores de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo de lacircmpada incandescente de 100 W
durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W) Tensatildeo lacircmpada
v3 06 02 012 240
v5 05 01 050 240
v7 11 09 099 240
3343 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Apesar das amostras terem sido feitas seguindo os mesmos procedimentos os
valores de VOC e ISC obtidos satildeo diferentes Isto pode ter ocorrido devido agraves diferenccedilas nas
espessuras das camadas ativas que natildeo puderam ser controladas e tambeacutem no tamanho das
aacutereas ativas que podem ser levemente diferentes Aqui natildeo se pode falar em comparaccedilatildeo
com as outras amostras feitas anteriormente porque a aacuterea da camada ativa foi bastante
reduzida e as estruturas satildeo diferenciadas Desta forma os valores obtidos mesmo
menores ainda satildeo vaacutelidos
34 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS II
341 ndash Misturas usando P3HT
Nesta etapa foi proposto um estudo sobre diferentes misturas para a construccedilatildeo das
camadas ativas sempre incorporando o uso do OB Tipos de camadas ativas utilizadas
PSOB 47 P3HT+OB puro e PSOB 47 + P3HT
Para os trecircs tipos de dispositivos aqui investigados foi usado substrato de vidro
recoberto com FTO sobre o qual foi depositado por spin coating um filme de
PEDOTPSS que serviu como eletrodo inferior As camadas ativas foram depositadas
sobre o eletrodo de PEDOTPSS usando a teacutecnica de spin coating O eletrodo superior foi
pintado com tinta condutiva de Ag A figura 38 mostra o esquema do dispositivo que foi
utilizado para a confecccedilatildeo destas amostras
Para as medidas diretas de VOC e ISC foram usados dois tipos de iluminaccedilatildeo
artificial com lacircmpada de mercuacuterio Spektrallamp 80 W e iluminaccedilatildeo natural solar
36
342 ndash Experimentos Etapa 1
Nas etapas anteriores os filmes das amostras foram produzidos manualmente por
casting mas os resultados obtidos nas medidas iniciais natildeo foram satisfatoacuterios A fim de
buscar melhores resultados e tendo jaacute disponiacutevel no laboratoacuterio o equipamento de spin
coater para produzir filmes mais finos e homogecircneos a metodologia de confecccedilatildeo dos
filmes foi mudada Os filmes finos foram preparados em rotaccedilotildees variadas a fim de se
obter um filme adequado
3421 ndash Preparaccedilatildeo dos filmes por spin coater
Para preparar o primeiro grupo de amostras usaram-se substratos de vidro
recobertos com FTO Todos os substratos foram lavados em aacutegua deionizada e colocados
em estufa a 80degC para secar Para fazer o filme de PEDOTPSS inicialmente foi usada
rotaccedilatildeo de 500 rpm durante 25 segundos para espalhar a soluccedilatildeo uniformemente em todo
o substrato em seguida usou-se uma rotaccedilatildeo de 3000 rpm durante 40 segundos para
finalizar a confecccedilatildeo do filme
O filme de PEDOTPSS obtido dessa forma ficou bastante fino de modo que a
amostra saia do spin coater quase seca A fim de eliminar-se qualquer vestiacutegio do
solvente que no caso do PEDOT PSS usou-se agrave aacutegua as amostras foram colocadas na
estufa em temperatura de 50 degC por 1 hora Antes de depositar a camada ativa uma parte
do filme de PEDOTPSS foi protegido com fita onde foi construiacutedo o eletrodo inferior
Foram preparados trecircs tipos de soluccedilotildees para formar a camada ativa A primeira foi
uma soluccedilatildeo jaacute preparada de PS OB 47 no LABPOL do instituto de Quiacutemica UnB [41]
A segunda uma mistura de PS OB 47 mais o P3HT na proporccedilatildeo de 11 e a terceira foi
uma soluccedilatildeo de 1 ml de P3HT com 001 ml de OB puro As trecircs soluccedilotildees foram agitadas
durante 2 horas antes de serem depositadas por spin coating Os filmes da camada ativa
foram feitos com rotaccedilatildeo de 4000 rpm durante 40 segundos
Como o clorofoacutermio eacute um solvente que tem evaporaccedilatildeo raacutepida a deposiccedilatildeo da
camada ativa foi feita com o substrato jaacute girando no spin coater A deposiccedilatildeo foi realizada
com ajuda de uma pipeta As secagens das camadas ativas foram em temperatura ambiente
dentro da estufa para proteger as amostras de impurezas tais como poeira e contaminaccedilotildees
em geral
37
Por fim foi pintado no topo das amostras o eletrodo de Ag Foram construiacutedas duas
geometrias para se observar a influecircncia na quantidade de cargas coletadas e tambeacutem a
influecircncia do tamanho da aacuterea ativa As geometrias satildeo mostradas nas figuras 39 (a) e 39
(b)
Figura 3 9 ndash (a) Geometria do eletrodo de Ag confeccionado em forma de ponto e (b)
geometria do eletrodo de Ag feito em forma de trilhas
3422 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W
A fonte de iluminaccedilatildeo utilizada na caracterizaccedilatildeo dos dados experimentais e
resultados II consistiu em uma lacircmpada Hg spektrallamp de 80 W ligada a uma fonte de
alimentaccedilatildeo DROSSEL FUumlR SPEKTRALLAMP POWER SUPPLY FOR SPECTRAL
LAMPS
As medidas eleacutetricas das amostras foram realizadas usando os mesmos
equipamentos jaacute citados nos dados experimentais e resultados I
Cada amostra ficou exposta agrave radiaccedilatildeo direta da lacircmpada de Hg aproximadamente
por 5 minutos Para estas medidas natildeo foram considerados interferecircncia acircngulo de
inclinaccedilatildeo da amostra ou da lacircmpada Os valores de VOC e ISC obtidos para os dois tipos de
contatos para as geometrias desenhadas em forma de ponto e em trilha satildeo mostrados nas
tabelas 36 e 37 respectivamente
38
Tabela 3 6 ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito com um ponto de
prata Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PSOB 47 02 001 2
OB puroP3HT 06 002 12
PSOB 47P3HT 06 002 12
Tabela 3 7ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito de prata em forma de
trilhas com concentraccedilatildeo em um ponto Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PSOB 47 12 006 72
OB puroP3HT 11 005 55
PSOB 47P3HT 11 005 55
3423 ndash Caracterizaccedilatildeo com luz solar direta
As amostras com geometria de contato em forma de trilhas foram escolhidas para
serem caracterizadas pela luz solar direta Pois este grupo de amostra apresentou melhores
desempenhos quando submetidas agrave luz da lacircmpada espectral de Hg em relaccedilatildeo agraves amostras
confeccionadas com eletrodos em forma de ponto As medidas foram realizadas em dia de
sol intenso nos horaacuterios entre onze horas e doze horas Para realizar estas medidas foi
utilizada uma lente convergente [45] Isso foi feito para concentrar os raios solares sobre as
amostras Todas as amostras deste grupo ficaram expostas por aproximadamente 5 minutos
cada Os resultados satildeo mostrados na tabela 38
Tabela 3 8 ndash Resultados obtidos das medidas de VOC e ISC usando luz solar direta durante
5 minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PSOB 47 22 002 44
OB puroP3HT 18 002 36
PSOB 47P3HT 17 001 17
39
3423 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Para as amostras com contato de prata com a geometria desenhada em forma de
trilhas foram observados valores de VOC e ISC maiores do que aqueles com contato de
prata desenhado em forma de ponto Isto indica que realmente a geometria das trilhas
favorece a coleta das cargas geradas Neste caso tambeacutem existe uma aacuterea ativa maior o
que contribuiu para uma maior absorccedilatildeo da luz e consequumlentemente um aumento na
quantidade de cargas
As amostras com a camada ativa de PSOB 47 mostraram VOC e ISC superiores agraves
outras que continham a mistura do P3HT em sua camada ativa
Quando as amostras foram submetidas agrave luz solar direta houve um aumento
significativo de VOC contudo tivemos valores de ISC reduzidos em relaccedilatildeo aos valores
obtidos com a iluminaccedilatildeo da lacircmpada Hg Isto pode ser devido ao calor gerado pelo sol
que promoveu um espalhamento das cargas Pode-se notar que a potecircncia fornecida
tambeacutem diminuiu quando a luz solar foi usada como fonte de luz para caracterizaccedilatildeo das
amostras
343 ndash Experimentos Etapa 2
Para fazer uma investigaccedilatildeo em funccedilatildeo da espessura da camada ativa foram
confeccionadas novas amostras Continuou-se o uso dos trecircs tipos de soluccedilotildees para as
camadas ativas PSOB 47 OB puro+P3HT e PSOB 47 +P3HT Com a teacutecnica de
spin coating quanto maior a velocidade de rotaccedilatildeo menores satildeo as espessuras dos filmes
Para se obter filmes com espessuras adequadas os seguintes paracircmetros devem ser
observados viscosidade da soluccedilatildeo velocidade de rotaccedilatildeo e tempo de rotaccedilatildeo
3431 ndash Preparando novas amostras
Nesta etapa utilizou-se apenas rotaccedilatildeo de 3000 rpm para confeccionar o filme de
PEDOTPSS A deposiccedilatildeo foi feita com o auxiacutelio de uma conta gotas sendo que para cada
filme foram usadas duas pequenas gotas (001ml) Essa quantidade de soluccedilatildeo foi
suficiente para conseguir um espalhamento satisfatoacuterio e obter um filme fino e uniforme
Depois da deposiccedilatildeo os substratos satildeo colocados na estufa a 100 degC durante 15 minutos
para concluir o processo de secagem
40
Os trecircs tipos de camadas ativas foram preparadas seguindo o procedimento citado
na etapa 1 dos dados experimentais e resultados II Para esse grupo de amostra foi usado
um programa para o espalhamento do filme da camada ativa com uma rotaccedilatildeo fixa de 6000
rpm durante 25 segundos
Para depositar a mistura da camada ativa usou-se uma pipeta com 01 ml de
soluccedilatildeo Primeiramente depositou-se a mistura e em seguida colocou-se o spin coater
para girar atraveacutes do programa de rotaccedilatildeo previamente programado Esse procedimento
garante a uniformidade do filme As amostras foram levadas para a estufa a 100 degC por 20
minutos
O eletrodo superior foi pintado agrave matildeo O esquema usado para a confecccedilatildeo dos
dispositivos e a foto de uma amostra satildeo mostrados na figura 310 As amostras foram
confeccionadas seguindo o esquema mostrado na figura 310 (b) Todas as amostras deste
grupo tiveram um desenho semelhante ao da foto da figura 310 (a) Pois existem
variaccedilotildees nas espessuras dos contatos de Ag pois foram feitos a matildeo livre e sem muito
controle Isso pode ser um problema pois este eleacutetrodo pode aumentar a resistecircncia da
amostra fazendo diminuir as correntes coletadas das cargas geradas pelo dispositivo
Figura 3 10 ndash (a) Foto da amostra (b) Estruturas das camadas dos dispositivos das
novas amostras
41
3431 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W
Usou-se para este grupo de amostras os mesmos procedimentos de caracterizaccedilotildees
para as medidas de o VOC e ISC descrito na etapa 1 dos dados experimentais e resultados II
Para cada medida as amostras ficaram expostas sob o feixe de luz da lacircmpada de Hg que
foi focalizada diretamente na aacuterea ativa por aproximadamente cinco minutos
A aacuterea ativa foi estimada em torno de 05 cmsup2 Foram confeccionadas nove
amostras e os valores de VOC e ISC das amostras que apresentaram melhores desempenhos
satildeo apresentadas na tabela 39
Tabela 3 9 ndash Medidas de VOC e ISC para amostras iluminadas pela lacircmpada Hg 80 W
aproximadamente cinco minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) P (nW)
PS OB 47 21 009 189
OBP3HT 18 002 36
PSOB 47P3HT 17 001 17
3433 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar direta
O mesmo grupo de amostras foi exposto sob luz solar direta em horaacuterio de sol
intenso entre onze horas e doze horas Todas as amostras tiveram um tempo de exposiccedilatildeo
de aproximadamente cinco minutos Os valores de VOC e ISC medidos podem ser vistos na
tabela 310 Nestes experimentos a lente convergente tambeacutem foi utilizada Poreacutem natildeo
foram observados acircngulos de incidecircncia e nem mudanccedila da irradiaccedilatildeo solar As medidas de
VOC e ISC foram realizadas em dia de sol forte e sempre no mesmo horaacuterio A figura 311
mostra como as medidas foram realizadas Para concentrar os raios solares usou-se uma
lente de aumento As medidas foram aferidas com uso de multiacutemetro digital descrito
anteriormente com cabos e garras de jacareacute comuns
42
Figura 3 11 ndash Ilustraccedilatildeo do experimento realizado com uma amostra tendo o contato
desenhado com a geometria em forma de trilhas camada ativa de PS OB 47
Para manter um padratildeo para todas as medidas a distacircncia entre a lente e a amostra
foram padronizadas a fim de que a intensidade de luz solar concentrada sobre cada
dispositivo fosse aproximadamente agrave mesma
Tabela 3 10 ndash Valores de VOC e ISC para amostras iluminada sob luz solar direta expostas
durante cinco minutos cada
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PS OB 47 62 009 558
OBP3HT 33 003 99
PSOB 47P3HT 25 002 50
3434 ndash Curva caracteriacutestica de corrente versus tensatildeo aplicada (IndashV)
A partir desta etapa as caracterizaccedilotildees eleacutetricas dos dispositivos tambeacutem foram
realizadas atraveacutes das medidas das curvas IndashV As medidas foram realizadas no escuro e
sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio Para estes experimentos foram usados os trecircs tipos de
camadas ativas jaacute mencionadas para confeccionar os dispositivos
Os experimentos das medidas foram realizados em sala com temperatura e pressatildeo
atmosferica ambiente e iluminaccedilatildeo de lacircmpadas comuns Tambeacutem foram realizados testes
43
usando a lacircmpada de Hg iluminando diretamente a parte superior da amostra Contudo
natildeo foram observadas mudanccedilas significativas nas medidas para este grupo de amostras
Figura 3 12 ndash Ilustraccedilatildeo da polarizaccedilatildeo direta para amostras com P3HT e gota de
PEDOTPSS para medidas das curvas (IndashV)
Para evitar que a agulha perfurasse o filme fino de PEDOTPSS e atingisse o filme
de FTO uma gota mais espessa de PEDOTPSS foi colocada sobre o filme no ponto onde
a agulha fazia o contato conforme mostra a figura 312
As amostras foram submetidas a uma tensatildeo que variou de um valor maacuteximo a um
valor miacutenimo com passo conhecido e constante de 002 Com os dados coletados nesse
experimento os graacuteficos de corrente versus tensatildeo aplicada foram gerados Este graacutefico eacute
conhecido como curva caracteriacutestica do dispositivo Os resultados obtidos satildeo mostrados
nas figuras 313 314 e 315 foram obtidas sob iluminaccedilatildeo comum do laboratorio LDCI
A figura 313 mostra a curva caracteriacutestica do dispositivo com a camada ativa de
PSOB 47 A iluminaccedilatildeo foi realizada com a lacircmpada do equipamento Keither 2400 e
iluminaccedilatildeo ambiente do laboratoacuterio LDCI (ambas satildeo luz branca) Para polarizaccedilatildeo direta
de -2 a 2 V foram observados valores de VOC de 09 volts enquanto que a corrente de 003
A foi negativa
A figura 314 mostra a curva IndashV para amostra com camada ativa usando
P3HT+OB puro Para essa amostra os valores de VOC = 002 V e ISC 0013 A foram
obtidos
A figura 315 mostra a curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PSOB
47 +P3HT Os valores de VOC = 11 V e ISC 00124 A foram observados neste graacutefico
44
Figura 3 13 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47 Corrente e
tensatildeo observadas 003 uA e 09 Volts respectivamente
Figura 3 14 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de OB puro + P3HT Corrente
e tensatildeo observadas 0013 uA e 002 Volts respectivamente
45
Figura 3 15 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47+P3HT
Corrente e tensatildeo observadas 0012 uA e 11 volts respectivamente
3435 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Aqui jaacute eacute possiacutevel notar um progresso nas medidas em relaccedilatildeo agraves amostras das
etapas anteriores que possuiacuteam camada ativa mais espessa Os valores de VOC e ISC obtidos
com o multiacutemetro digital foram maiores para os dois tipos de iluminaccedilotildees lacircmpada Hg e
luz solar Estes resultados podem ser observados nas tabelas 39 e 310 Os resultados
mostram que o comportamento das amostras com camada ativa de PSOB 47
apresentaram melhores resultados Nota-se que a potecircncia fornecida pelas amostras
iluminadas pela luz solar natural eacute significantemente maior que quando iluminadas pela
lacircmpada de Hg
Nas amostras confeccionadas com blenda de OB puro+P3HT e PSOB 47
+P3HT foram observados resultados semelhantes tanto para VOC quanto para ISC
As trecircs amostras apresentaram comportamento distinto sendo que a amostra com
camada ativa feita com o PSOB 47 o resultado eacute mais parecido com o efeito
fotovoltaico e por isso eacute mais relevante
46
Para as proacutexinas amostras natildeo seraacute mais empregado o uso do P3HT Pois como foi
mostrado nos resultados seu uso natildeo favoreceu melhoras nas medidas Apesar dos
resultados apresentados e conseguidos ateacute aqui serem pequenos ainda assim podem ser
considerados satisfatoacuterios e promissores Pois se trabalhou com materiais novos e estaacute
empregando poliacutemeros isolantes de baixo custo usando oacuteleo vegetal como dopante
Reforccedilando a motivaccedilatildeo para o uso destes materiais no desenvolvimento em dispositivos
fotovoltaicos orgacircnicos
35 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS III
351 ndash Experimentos Etapa 1
Nesta etapa as pesquisas foram centralizadas em misturas de poliacutemeros isolantes
dopados com OB Aleacutem da mistura do PS com OB estudado anteriormente tambeacutem foi
incorporado agrave pesquisa a mistura do PMAM com OB Estudos recentes de Duratildees et al [8]
sobre a absorccedilatildeo de luz destes materiais na faixa de ultravioleta e luz visiacutevel mostraram
que quando o OB eacute adicionado agraves matrizes de PS e de PMAM um aumento significante
na absorccedilatildeo da luz eacute observado
As amostras dos dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos consistiram em camada ativa
contendo PS puro PS com 47 OB PMAM puro e PMAM com 35 de OB
As amostras foram ensanduichadas entre dois eletrodos PEDOT PSS e Ag A
caracterizaccedilatildeo eleacutetrica para as medidas de VOC e ISC foi realizada com a iluminaccedilatildeo da
lacircmpada de Hg 80 W e luz solar As curvas IndashV foram mensuradas usando um sistema de
caracterizaccedilatildeo de semicondutores Keithey 2400
3511 ndash Confecccedilatildeo das amostras usando PS e PMAM 1ordm grupo
Os dispositivos foram preparados sobre um substrato de vidro recoberto com
camada de FTO a resistecircncia da lacircmina eacute de aproximadamente 41-60 Ω
Os filmes de PEDOT PSS foram confeccionados com rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante
25 segundos e secos em estufa a 80 degC por 15 minutos Apoacutes os filmes das camadas ativas
das amostras serem feitos usando rotaccedilatildeo de 5000 rpm por 40 segundos foram secos em
estufa a 100 Cdeg por 15 minutos
47
Por fim foi usada a tinta de Ag para fazer o eletrodo superior Esse eletrodo foi
pintado com pincel comum de cerdas finas O contato superior foi pintado em forma de
linhas sobre o filme da camada ativa conforme mostrado na Figura 310
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo usando lacircmpada de Hg 80 W
As mesmas formas descritas anteriormente de caracterizaccedilatildeo foram utilizadas aqui
para fazer as medidas de VOC e ISC Os resultados obtidos com iluminaccedilatildeo da lacircmpada de
Hg durante cinco minutos de exposiccedilatildeo para o 1ordm grupo de amostra satildeo mostrados na
tabela 311
Tabela 3 11 ndash Resultados das medidas de ISC e VOC das amostras do 1ordm grupo sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpada durante 05 minutos de exposiccedilatildeo
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W)
PS puro 02 000 00
PSOB 47 08 003 0024
PMAM puro 02 000 00
PMAMOB 35 06 002 0012
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar
Foram usados os mesmos procedimentos e instrumentos descritos anteriormente
para obter as medidas de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo de luz solar direta usando-se lentes
convergentes durante cinco minutos de exposiccedilatildeo A tabela 312 mostra os valores
obtidos
Tabela 3 12 ndash Resultados para ISC e VOC sob iluminaccedilatildeo luz solar por aproximadamente
05 minutos de exposiccedilatildeo
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W)
PS puro 11 001 0011
PSOB 47 39 006 0234
PMAM puro 09 002 0018
PMAMOB 35 27 004 0108
48
3512 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Como pode ser visto nas tabelas 311 e 312 os valores de VOC e ISC para as
amostras contendo PS puro e PMAM puro mostraram desempenhos inferiores que aquelas
com adiccedilatildeo do OB Nas caracterizaccedilotildees sob luz solar os desempenhos das amostras foram
superiores quando comparados com os valores obtidos sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada de Ag
Apesar da amostra com camada ativa da mistura de PMAMOB 35 ter mostrado valores
mais baixos quando comparados agrave amostras contendo camada ativa com a mistura de
PSOB 47 ela ainda tem valores superiores agravequeles mostrados quando a camada ativa
era composta por misturas de PSOB 47 +P3HT
352 ndash Experimentos Fase 2
3521 ndash Confecccedilatildeo das amostras do 2ordm grupo
Para o 2ordm grupo de amostras foram confeccionadas quinze unidades sendo que
foram reproduzidas mais de uma amostra para cada tipo de camada ativa Isto foi feito para
observar a reprodutibilidade das amostras e a repetibilidade das medidas As amostras
foram nomeadas de A5 a A19 Todas as amostras seguiram os mesmos criteacuterios de
confecccedilatildeo jaacute mencionados anteriormente Para este grupo foi usada uma rotaccedilatildeo maior no
spin coater
Para fazer o filme de PEDOTPSS foi usada uma rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante
trinta segundos Para a deposiccedilatildeo da camada ativa foi usada uma rotaccedilatildeo de 6000 rpm
durante sessenta segundos Neste caso as amostras foram secas em temperatura ambiente
Este conjunto de amostras deve possuir filmes mais finos que os filmes das amostras
anteriores devido ao aumento da rotaccedilatildeo do spin coater durante a deposiccedilatildeo
Para medir a aacuterea ativa com mais precisatildeo para este grupo de amostras os contatos
superiores de Ag foram desenhados em apenas um ponto A confecccedilatildeo dos dispositivos
seguiu a configuraccedilatildeo das camadas e a geometria do eletrodo de Ag conforme o esquema
mostrado na figura 316 O contato de prata foi pintado em forma de retacircngulo que
representa a aacuterea ativa e ficou em torno de 010cm2
49
Figura 3 16 ndash Estruturas das camadas e do contato de Ag dos dispositivos fotovoltaicos
orgacircnicos usado para o 2 ordm grupo de amostras
3522 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar
Este grupo de amostras foi submetido somente agrave caracterizaccedilatildeo de luz solar direta
As medidas foram realizadas em dias diferentes a fim de observar a repetibilidade das
medidas dos dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos confeccionados
Os dados da tabela 313 mostram medidas de VOC e ISC realizadas entre dez e onze
horas da manhatilde sob sol intenso e usando lentes convergentes Para estas amostras o
tempo de exposiccedilatildeo foi de aproximadamente dez minutos Com tempo de exposiccedilatildeo
maior e usando lentes convergentes as amostras A5 A6 A7 e A8 se aqueceram muito e
se danificaram Contudo valores de VOC obtidos foram bem superiores
Foram realizadas medidas em dois dias usando as amostras A9 A10 A11 A13
A14 A15 A16 A17 A18 e A19 para observar a repetibilidades das medidas As tabelas
14 e 15 mostram medidas de VOC e ISC realizadas nos dias 12052009 e 18052009
respectivamente entre dez e onze horas da manhatilde sob sol forte e usando lentes
convergentes para concentrar os raios solares na camada ativa da amostra
Tabela 3 13 ndash Medidas realizadas para as amostras A5 A6 A7 sob iluminaccedilatildeo solar
direta durante 10 minutos
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W) Amostra
PS puro 18 004 0072 A5
PS OB 47 49 008 0392 A6
PMAM puro 11 001 0011 A7
PMAMOB 35 48 005 024 A8
50
Tabela 3 14 ndash Medidas realizadas no dia 12052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W) Amostra
PS OB 47 11 003 0033 A9
PS puro 08 0 0 A10
PS puro 1 001 001 A11
PS OB 47 19 003 0057 A13
PS OB 47 11 003 0033 A14
PS OB 47 12 002 0024 A15
PMAM puro 09 001 0009 A16
PMAM puro 07 001 0007 A17
PMAMOB 35 11 001 0011 A18
PMAMOB 35 14 005 007 A19
Tabela 3 15 ndash Medidas realizadas no dia 18052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W) Amostra
PS OB 47 12 004 0048 A9
PS puro 06 01 006 A10
PS puro 08 001 008 A11
PS OB 47 21 004 0084 A13
PS OB 47 15 003 0045 A14
PS OB 47 10 002 002 A15
PMAM puro 07 001 00007 A16
PMAM puro 08 001 00008 A17
PMAMOB 35 12 003 0036 A18
PMAMOB 35 13 005 0065 A19
3523 ndash Curva caracteriacutestica corrente versus tensatildeo (IndashV)
Foram realizadas medidas das curvas IndashV usando o sistema de caracterizaccedilatildeo de
semicondutores Os procedimentos adotados foram descritos anteriormente Para estas
amostras foram usadas quatro tipos de camada ativa PS puro PSOB 47 PMAM puro e
51
PMAMOB 35 As medidas das curvas IndashV foram realizadas no escuro e sob iluminaccedilatildeo
natural do laboratoacuterio LDCI
Natildeo foram observadas grandes influecircncias sobre o efeito da iluminaccedilatildeo nas
amostras pois as curvas IndashV obtidas no escuro e no claro apresentaram valores parecidos
para VOC e ISC
Para a camada ativa confeccionada com o poliacutemero PS puro (figura 317) a curva
IndashV realizada no escuro e no ambiente iluminado mostra uma superposiccedilatildeo das curvas
O dispositivo com camada ativa feita de PSOB 47 mostrada na (figura 318)
natildeo se observa diferenccedila significativa nas curvas obtidas no escuro e com iluminaccedilatildeo do
laboratoacuterio O mesmo pode ser observado na (figura 319) onde a camada ativa eacute feita de
PMAM puro Contudo observou-se uma leve diferenccedila nas curvas mostradas na (figura
320) para a amostra confeccionada com camada ativa da mistura de PMAMOB 35
Onde houve um pequeno deslocamento para a corrente
Figura 3 17 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PS puro No escuro e sob
iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
52
Figura 3 18 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PSOB 47 No escuro e
sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
Figura 3 19 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAM puro No escuro
e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
53
Figura 3 20 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAMOB 35 No
escuro e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
3524 ndash Medida de espessura
As espessuras dos filmes foram medidas usando um Perfilocircmetro Dektak 150
VEECO Os filmes de PEDOTPSS depositados pela teacutecnica de spin coating usando
rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante quarenta segundos apresentaram espessuras na ordem de 180
nanocircmetros
Os procedimentos para medir as espessuras consistiram em medir vales e
superfiacutecie Para realizar as medidas dos filmes um risco foi feito usando a ponta de um
estilete conforme mostra a figura 321 O risco foi percorrido com a ponta do perfilocircmetro
com distacircncia de 500 m no sentido transversal Para obter a espessura do filme mede-se
entatildeo a diferenccedila de altura entre um ponto de referecircncia R fundo do vale e M superfiacutecie do
filme conforme mostrado na figura 322 Os procedimentos foram realizados em trecircs
diferentes regiotildees da amostra onde foi obtido um valor meacutedio da espessura do filme
54
Figura 3 21 ndash Risco feito no filme da amostra onde a ponta do perfilocircmetro executou a
varredura
Figura 3 22 ndash Medindo a diferenccedila da altura entre os cursores (R - reference) e (M -
measurement) para determinar a espessura do filme
Todos os quatro tipos de filmes usados para formar as camadas ativas dos
dispositivos que foram depositados por spin coating tiveram suas espessuras medidas Para
cada amostra foram feitos trecircs riscos em pontos alternados a fim de se verificar a
uniformidade na espessura Os riscos seguiram o exemplo ilustrado na figura 321 Os
resultados das trecircs medidas e o seu valor meacutedio para cada filme satildeo mostrados nas tabelas
316 e 317
A tabela 316 mostra os resultados das medidas de espessuras de filmes depositados
com rotaccedilatildeo de 5000 rpm durante 60 segundos A tabela 317 mostra os valores das
afericcedilotildees das espessuras para os filmes depositados com rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante 60
segundos Pode-se observar que os filmes feitos com rotaccedilotildees maiores apresentaram
valores de espessuras menores Tambeacutem eacute observado que a adiccedilatildeo do OB nas matrizes
polimeacutericas isolantes tende a camadas mais espessas mesmo para um mesmo valor de
rotaccedilatildeo quando comparada com os filmes sem o OB
55
Tabela 3 16 ndash Medida dos pontos e a media medida dos filmes das camadas ativas feitos
com rotaccedilatildeo de 5000 rpm Valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M
Camada ativa 1deg Ponto (nm) 2deg Ponto (nm) 3deg Ponto (nm) Meacutedia (nm)
PS puro 194 202 189 195
PS OB 47 283 305 296 2946
PMAM puro 127 90 105 1073
PMAM OB 35 235 269 259 2543
Tabela 3 17 ndash Medida dos pontos e a media dos filmes das camadas ativas feitos com
rotaccedilatildeo de 6000 rpm O valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M
Camada ativa 1deg ponto (nm) 2deg ponto (nm) 3deg ponto (nm) Meacutedia (nm)
PS puro 126 130 128 128
PS OB 47 221 218 208 2156
PMMA puro 76 113 97 953
PMMA OB 35 196 163 180 1796
3524 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Pode-se observar nestas medidas que as amostras contendo misturas de PSOB
47 em sua camada ativa mostraram resultados melhores que as outras amostras
analisadas Tambeacutem foi comprovado que as amostras podem ser reproduzidas sendo que
suas medidas foram repedidas As amostras que foram feitas em duplicatas ou triplicadas
possuem valores de VOC e ISC muito parecidos confirmando assim a reprodutibilidade na
sua fabricaccedilatildeo Atraveacutes das tabelas 314 e 315 pode ser observado que os valores obtidos
satildeo repetidos em dias diferentes mesmo assim natildeo ocorreram diminuiccedilotildees nos valores
medidos de VOC e ISC
Para as curvas IndashV coletadas no laboratoacuterio no escuro e sob iluminaccedilatildeo ambiente
para os dispositivos com camadas ativas com misturas das matrizes polimeacutericas de PSOB
47 e PMAM OB 35 (figuras 318 319 319 e 320) natildeo foram detectadas variaccedilotildees
relevantes entre os diferentes tipos de camadas ativas sob diferentes condiccedilotildees de
iluminaccedilatildeo O intrigante nestas medidas eacute que o mesmo efeito que aparece no claro
aparece tambeacutem no escuro As curvas tendem a um comportamento com resistecircncia de
56
diferencial negativa proacuteximo a tensotildees mais baixas Talvez isso aconteccedila devido agrave
caracteriacutestica intriacutenseca dos materiais utilizados nas confecccedilotildees das amostras
353 ndash Experimentos Etapa 3
3531 ndash Confecccedilatildeo das amostras com parte do FTO removido
Nesta etapa os dispositivos tambeacutem foram preparados sobre substrato de vidro o
mesmo tipo usado anteriormente Poreacutem aqui antes de fazer a deposiccedilatildeo dos filmes parte
do FTO foi removida do substrato de vidro A corrosatildeo do FTO foi feita utilizando uma
tinta homogecircnea preparada com poacute de zinco (Zn)
Para conservar parte do FTO no substrato foi utilizada fita adesiva sendo tambeacutem
possiacutevel utilizar tinta ou esmalte [46] Com parte do FTO protegido o substrato foi
mergulhado em soluccedilatildeo diluiacuteda de aacutecido cloriacutedrico (HCI)
Apoacutes a etapa de corrosatildeo as lacircminas passaram por um processo de limpeza Os
substratos foram limpos para retirar gorduras e resiacuteduos quiacutemicos
A corrosatildeo se fez necessaacuteria para evitar curto circuito entre os eletrodos de contato
do dispositivo Mudou-se a geometria dos substratos porque em algumas medidas de
curvas IndashV que foram obtidas em algumas amostras obteve-se curvas do tipo ocirchmico Isto
pode ter ocorrido porque o eletrodo de FTO estava ocupando toda a superfiacutecie do
substrato de vidro e pode ter ocorrido que na hora das medidas a agulha do equipamento
de medidas pode ter perfurado os filmes das camadas do dispositivo medindo apenas o
filme de FTO que apresenta curva puramente ocirchmica Assim com parte do FTO retirado
garante que a corrente flua apenas pelas camadas dos filmes do dispositivo A geometria
da lacircmina de vidro apoacutes a corrosatildeo pode ser visualizada na figura 323
Figura 3 23 ndash Geometria da lacircmina de vidro apoacutes corrosatildeo do FTO
57
Com o substrato limpo e seco e com a nova geometria desenvolvida segue para a
etapa da deposiccedilatildeo do poliacutemero condutor PEDOTPSS que serviu de um dos eletrodos A
deposiccedilatildeo foi realizada sobre toda a lacircmina de vidro conforme mostra o esquema da figura
324 O filme foi feito usando a teacutecnica de spin coating com rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante
cinquumlenta e cinco segundos o filme foi seco em estufa a 50 degC por 15 minutos
Os materiais utilizados como camada ativa foram PS puro PSOB 47 PMAM
puro e PMAMOB 35 Os diferentes tipos de camadas ativas foram depositados sobre a
estrutura vidroFTOPEDOTPSS usando a teacutecnica de spin coating com rotaccedilatildeo de 7000
rpm durante quarenta segundos Os filmes das camadas ativas foram secos em temperatura
ambiente
O outro eletrodo foi pintado sobre a camada ativa com tinta condutora de Ag A
estrutura vidroFTOPEDOT PSScamada ativaAg do dispositivo final pode ser vista na
figura 324 A regiatildeo ativa tem aacuterea de aproximadamente 009 cm2
Figura 3 24 ndash Geometria das camadas do dispositivo
3532 ndash Caracterizaccedilatildeo das curvas (IndashV )
As amostras foram caracterizadas atraveacutes das curvas IndashV Na figura 325 satildeo
mostradas comparaccedilotildees entre resultados obtidos para camadas ativas com o PS puro e
PSOB 47 Na figura 326 satildeo mostradas comparaccedilotildees entre resultados obtidos para
camadas ativas com o PMAMOB 35 Foi observado que para as camadas ativas sem o
OB o comportamento da curva Indash V eacute puramente ocirchmico ou seja linear Pode-se ressaltar
58
um comportamento resistivo para o filme utilizado nessa camada ativa enquanto que para
o filme da camada ativa com OB as curvas natildeo satildeo lineares
Outro detalhe a ser notado foi que para os filmes de PS puro e PSOB 47 as
correntes obtidas satildeo maiores que para os filmes confeccionados com PMAM puro e
PMAMOB 35 isto concorda com os resultados obtidos atraveacutes da iluminaccedilatildeo onde os
valores de VOC e ISC tambeacutem se apresentaram maiores
O dispositivo feito com o PS puro apresenta uma resistecircncia maior que o
dispositivo feito com PMAM puro isto talvez aconteccedila devido agraves diferenccedilas nas
espessuras das camadas ou nas propriedades intriacutensecas do material
Como pode ainda ser observadas nas figuras 325 e 326 quando se usou camada
ativa contendo o OB em sua mistura mudanccedilas ocorreram nos comportamentos das curvas
IndashV O comportamento da curva natildeo eacute mais linear e apresenta simetria para as duas
polarizaccedilotildees aplicadas (-V+V) Nos casos das curvas observadas para as camadas ativas
contento OB observou-se curvas semelhantes agrave curva de um diodo do tipo metal isolante
metal (MIM) [47]
Figura 3 25 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PS puro
e PS OB 47
59
Figura 3 26 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PMAM
puro e PMAMOB 35
Para quase todas as amostras que confeccionamos nas condiccedilotildees descritas acima
teve-se respostas nas medidas eleacutetricas para as caracterizaccedilotildees das curvas IndashV realizadas
no laboratoacuterio LDCI Foi observado que os dispositivos contendo OB apresentaram um
efeito fotovoltaico em temperatura ambiente As medidas foram realizadas no escuro e
com iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio Nas figuras 327 e 328 satildeo mostradas as curvas IndashV para
os dispositivos confeccionados com camadas ativas de PSOB 47 e PMAMOB 35
respectivamente
Em quase todas as amostras que foram realizadas as medidas das curvas IndashV o
efeito fotovoltaico foi observado Pode-se observar nesses resultados um aumento da
fotocorrente quando as amostras foram iluminadas
60
Figura 3 27 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PSOB
47 no claro e escuro
Figura 3 28 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de
PMAMOB 35 no claro e escuro
61
3533 - Anaacutelise e discussatildeo
Paras esses dispositivos natildeo foram apresentados os caacutelculos da eficiecircncia ( nem o
valor de IPCE porque para determinar tais paracircmetros dos dispositivos fotovoltaicos seraacute
necessaacuterio conhecer a I0 e mencionados no capiacutetulo II Poreacutem para as medidas
realizadas nesta pesquisa natildeo foram considerados o coeficiente de massa de ar o acircngulo
de inclinaccedilatildeo da luz incidente na amostra nem o comprimento de onda Paracircmetros que soacute
seratildeo determinados usando-se um sistema utilizado para caracterizaccedilatildeo de dispositivo
fotovoltaico No momento natildeo havendo disponibilidade de tal equipamento no laboratoacuterio
Observou-se que a inserccedilatildeo de OB em matrizes polimeacutericas isolantes tais como a
de PMAM e PS promoveram a absorccedilatildeo de foacutetons e portanto a formaccedilatildeo de eacutexciton Os
VOC foram de 008 V para o PMAMOB 35 e 03 V para PSOB 47 No caso do valor
de VOC obtidos para o PSOB 47 o nuacutemero eacute aproximadamente o mesmo valor da
diferenccedila da funccedilatildeo trabalho entre o PEDOTPSS (49 eV ) e a Ag (46 eV) No entanto
para o PMAMOB 35 este nuacutemero eacute inferior agrave diferenccedila da funccedilatildeo trabalho entre
PEDOTPSS e a Ag Aqui vale a pena ressaltar que as funccedilotildees trabalho do PEDOTPSS
podem variar entre 48 e 49 eV e a funccedilatildeo trabalho da prata podem variar de 452 eV e
474 eV dependendo da interface entre os materiais da camada ativa Assim pegou-se o
valor de 474 eV para a funccedilatildeo trabalho da prata e de 48 eV para o PEDOTPSS obteve-se
um valor de 006 eV o qual estaacute bastante proacuteximo do valor de 008 eV que eacute a tensatildeo de
circuito aberto obtida para a amostra de PMAMOB 35 Os valores de VOC satildeo limitados
pelo potencial de contato ou pelas diferenccedilas entre a funccedilatildeo trabalho dos eletrodos Sendo
assim neste sistema natildeo eacute possiacutevel conseguir tensotildees de VOC maiores Entretanto se for
utilizado materiais onde as funccedilatildeo trabalho dos eletrodos sejam muito diferentes poderaacute
obter VOC ainda maiores Os resultados obtidos nesse trabalho satildeo menores que os
relatados em trabalhos publicados [48-52] Contudo trabalhou-se com novos materiais
abundantes e baratos Aleacutem de se ter usado oacuteleo vegetal que eacute um material natural e que se
acredita no seu potencial para em breve obter melhores resultados
354 Caracterizaccedilatildeo dos Materiais por Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM)
Um dos paracircmetros importantes nos filmes polimeacutericos eacute a topologia pois a partir
dela se se pode inferir a uniformidade das camadas A questatildeo da uniformidade da
superfiacutecie dos materiais em Eletrocircnica Orgacircnica eacute importante porque permite conhecer o
62
desempenho eletrocircnico dos filmes Fatores como injeccedilatildeo e o transporte de cargas podem
ser facilitados ou bloqueados dependendo da espessura da camada polimeacuterica e da sua
regularidade fiacutesica ou quiacutemica [53] Neste sentido eacute importante investigar a topografia dos
materiais para que se possam entender fenocircmenos de transporte eletrocircnico que podem
ocorrer ou natildeo sob influecircncia da morfologia
As imagens por microscopia de forccedila atocircmica (AFM) revelaram diferenccedilas entre
filmes com as matrizes polimeacutericas puras e filmes com as matrizes modificadas com OB
O PS puro mostrou uma superfiacutecie suave com alguns relevos dispersos na aacuterea de
varredura (Figura 329) A presenccedila de oacuteleo de buriti nesta matriz polimeacuterica modificou
significativamente a superfiacutecie do material Houve formaccedilatildeo de pequenos e numerosos
gloacutebulos que ocorrem em um periacuteodo de espaccedilo muito pequeno resultando em uma
superfiacutecie aparentemente rugosa (Figura 330) Para o material PSOB 47 eacute possiacutevel
observar uma maior ocorrecircncia de picos regiotildees mais claras confirmando a possibilidade
da rugosidade do material
Figura 3 29 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS puro obtida por AFM no modo
contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
63
Figura 3 30 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS OB 47 por AFM modo contato
Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
A superfiacutecie do PMAM ao contraacuterio da superfiacutecie do PS apresentou possiacutevel
protuberacircncia ou gloacutebulos esfeacutericos em toda aacuterea de varredura (Figura 331) Haacute aacutereas onde
existe uma grande incidecircncia de vales identificados na figura por regiotildees mais escuras
Essas podem ser localizadas nas extremidades da amostra enquanto que no centro da
superfiacutecie haacute grandes nuacutemeros de picos indicando a possibilidade de ser um material com
bastante rugosidade
64
Figura 3 31 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PMAM puro obtida por microscopia
de forccedila atocircmica no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
Figura 3 32 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PAMAM OB 35 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
65
A presenccedila de OB na concentraccedilatildeo de 35 na matriz de PMAM resultou em
pequenas mudanccedilas na topografia do material (Figura 332) Natildeo houve grandes mudanccedilas
na morfologia da superfiacutecie do filme que possa ser determinada visualmente Entretanto a
geometria dos gloacutebulos foi alterada de uma forma arredondada (Figura 331) para uma
forma pontiaguda (Figura 332)
Outro material estudado foi o P3HT com OB puro e o P3HT + PSOB 47 A
superfiacutecie do filme de P3HTOB puro (Figura 334) tambeacutem mostrou um material com
possiacuteveis rugosidade em sua superfiacutecie entretanto a diferenccedila entre esta superfiacutecie e a
topografia do material P3HT+ PSOB 47 (figura 335) estaacute no tamanho das estruturas
que compotildeem a superfiacutecie de ambos os materiais
Figura 3 33 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HTOB puro obtida por AFM no
modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
66
Figura 3 34 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HT+PS OB 47 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
A Figura 333 revela estruturas menores que consequumlentemente ocupam um
espaccedilo menor dentro da aacuterea de varredura e por isso se apresentam em grande nuacutemero
resultando a possibilidade de rugosidade mais alta
A Figura 334 mostra estruturas do material P3HT+PS OB 47 que apresentam
geometrias similares agrave do material P3HTOB puro contudo com dimensotildees maiores
Desta forma estas estruturas ocupam um espaccedilo maior dentro da aacuterea de varredura e se
apresentam em menor quantidade proporcionando possiacuteveis rugosidades em tamanhos
menores que o P3HT OB puro
67
Capiacutetulo IV
Conclusotildees e Recomendaccedilotildees
68
4 ndash CONCLUSOtildeES E RECOMENDACcedilOtildeES
Atraveacutes destes estudos preliminares em linhas gerais os dispositivos projetados
construiacutedos e as medidas obtidas neste trabalho permitem direcionar para a construccedilatildeo e
caracterizaccedilatildeo de dispositivos fotovoltaicos baseados no uso do OB como dopante Os
dados obtidos satildeo bastante promissores e sinalizam para o alcance do sucesso na
construccedilatildeo desses dispositivos a partir de matrizes modificadas com OB
Os resultados apresentados no capiacutetulo III no toacutepico referente aos dados
experimentais e resultados I foram dos dispositivos desenvolvidos baseados no modelo
dos dispositivos fotovoltaicos desenvolvidos por Graumltzel com o propoacutesito de observar o
OB como eletroacutelito da camada ativa Medidas de VOC e ISC para as amostras
confeccionadas foram mensuradas embora os resultados obtidos fossem baixos quando
comparados com a literatura Contudo os materiais empregados satildeo novos e mostraram
promissores
No contexto dos dados experimentais e resultados I apresentou-se o
desenvolvimento de dispositivos usando o substrato de PET desenvolvendo a
configuraccedilatildeo de dispositivo fotovoltaico orgacircnico monocamada direcionados na busca de
substratos flexiacuteveis de menor custo no propoacutesito de substituir o substrato de vidro
recoberto com FTO Para estes dispositivos consegui-se obter valores de VOC e ISC sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpada usando um multiacutemetro para as referidas medidas Entretanto esse
tipo de substrato apresentou diversas inviabilidades conforme relatado nesta pesquisa
Novamente trabalhou-se com substrato de vidro recoberto com FTO com
configuraccedilatildeo de dispositivo fotovoltaico orgacircnico monocamada Acredita-se que as
espessuras dos filmes das camadas ativas possam ter influenciado nos baixos resultados
obtidos Ateacute essa etapa dos experimentos as camadas ativas eram construiacutedas
manualmente proporcionando assim camadas ativas espessas
Os resultados apresentados no toacutepico referente aos dados experimentais e resultados
II abordaram a configuraccedilatildeo monocamada em substrato de vidro recoberto com FTO onde
se fez o uso de camadas ativas com poliacutemero semicondutor P3HT misturado com OB Para
efeito de comparaccedilatildeo construiu-se camada ativa usando o PS um poliacutemero isolante
misturado com 47 de OB A partir destes experimentos os filmes dos dispositivos foram
confeccionados com spin coater o que proporcionou a construccedilatildeo de filmes mais finos
As caracterizaccedilotildees foram realizadas usando lacircmpadas e luz solar direta para
medidas de VOC e ISC com o multiacutemetro tambeacutem foram realizadas caracterizaccedilotildees com
69
curvas I-V sob a luz ambiente do laboratoacuterio As curvas levantadas mostraram efeitos
semelhantes ao efeito fotovoltaico para os materiais das camadas ativas pesquisadas Pelos
resultados obtidos nessa etapa do trabalho observou-se que as amostras confeccionadas
com o poliacutemero isolante misturado com o OB apresentaram melhores desempenhos
Embora jaacute existam resultados na literatura usando o semicondutor P3HT para fazer
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos com desempenho relativamente alto nas pesquisas
desenvolvidas nesse trabalho o uso do P3HT natildeo sinalizou vantagens em relaccedilatildeo ao uso
do poliacutemero isolante PS
Nesse trabalho as pesquisas foram focadas apenas em materiais de baixo custo
que proporcionaram resultados animadores usando o poliacutemero PS misturado com OB
Os resultados apresentados nos toacutepicos que abrangem os dados experimentais e
resultados III abordaram o uso dos poliacutemeros isolantes PS e PMAM modificados com OB
na configuraccedilatildeo de dispositivo fotovoltaico em monocamada usando substrato de vidro
recoberto com FTO Foram realizadas medidas eleacutetricas diretas dos dispositivos sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpadas e iluminaccedilatildeo solar fazendo-se uso de multiacutemetro para as medidas
Tendo respostas interessantes com estes experimentos pois as medidas foram realizadas
com multiacutemetros comuns com cabos que apresentam impedacircncias que agregaram perdas
substanciais das tensotildees e correntes geradas pelos dispositivos Mesmo assim obtiveram-
se as medidas de VOC e ISC
Os resultados mais empolgantes foram os caracterizados com curvas I-V
desenvolvidos com substratos tendo parte do FTO removidas no qual se permitiu
visualizar as curvas de tensatildeo e corrente apenas dos filmes sem a interferecircncia do filme
condutor de FTO Em vaacuterias amostras pocircde-se observar um efeito fotovoltaico entretanto
com valores bem abaixo aos relatados pela literatura vigente sobre o assunto
Nesse trabalho apresentou-se um material novo e promissor na aacuterea de pesquisa
dos dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos como tambeacutem o uso de oacuteleos vegetais como
dopante de poliacutemeros para o desenvolvimento de dispositivo de baixo custo com
tecnologia de faacutecil domiacutenio e acessiacutevel
Os resultados apresentados sugerem os seguintes trabalhos futuros
1 Desenvolvimento de dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos agrave base de poliacutemeros
isolantes com camadas ativas mais finas na ordem de nanocircmetros a fim de facilitar
a dissociaccedilatildeo dos eacutexcitons nas interfaces dos materiais O uso de novas teacutecnicas de
deposiccedilatildeo para conseguir filmes nesta ordem de grandeza
70
2 Desenvolvimento de novas estruturas usando os PSOB 47 e PMAMOB 35
em novas arquiteturas como os dispositivos em bicamadas e heterojunccedilatildeo para
melhorar os resultados jaacute obtidos
3 Siacutentese de novas misturas com poliacutemeros usando outros oacuteleos vegetais abundantes
na natureza que apresentaram absorccedilatildeo na faixa do espectro visiacutevel
4 Construccedilatildeo de novos eletrodos de contatos usando teacutecnicas de evaporaccedilatildeo com o
intuito de diminuir as resistecircncias dos contatos e melhorando a coleta das correntes
geradas
5 Caracterizar as amostras usando o simulador solar Caracterizar os filmes usando
perfilocircmetro e AFM buscando filmes com menos rugosidades Correlacionar
medidas das curvas I ndashV com as medidas de AFM
71
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(Mauritia Flexuosa L) Tese de Doutorado Instituto de Quiacutemica Universidade de Brasiacutelia
Brasiacutelia DF 2008
75
APEcircNDICES
77
APEcircNDICE 1
Produccedilotildees Bibliograacuteficas
Artigo Publicado
Silva E R Ceschin A M J A Duratildees A possible organic solar cell based on Buriti
oil In 24th Symposium on Microelectronics Technology and Devices SBMicro 2009
Natal - RN The Electrochemical Society (ECS) the society for solid-state and
electrochemical science and Technology EUA Pennigton 2009 v 23 P 553-556
(2009)
Artigo Aceito
Silva E R Romariz A R S Ceschin A M Study of organic MIM junctions for use
in photovoltaic devices In 25th Symposium on Microelectronics Technology and
Devices SBMicro 2010 Satildeo Paulo - SP The Electrochemical Society (ECS) the society
for solid-state and electrochemical science and Technology EUA Pennigton artigo
aceito (2010)
Resumo Publicado
Silva E R Ceschin A M Photovoltaic effect observed in junctions based on Buriti
oil In 11 th International Conference on Advanced Materials (ICAM2009) 2009 Rio
de Janeiro 11 th International Conference on Advanced Materials 2009
78
A possible Organic Solar Cell Based on Buriti Oil
E R da Silva a J A Duratildees
b and A M Ceschin
a
a Departamento de Engenharia Eleacutetrica - Laboratoacuterio de Dispositivos e Circuito
Integrado Universidade de Brasiacutelia CP 4386 CEP 70904-970 Brasiacutelia DF - Brasil b Instituto de Quiacutemica ndash Laboratoacuterio de Pesquisa em Poliacutemeros Universidade de
Brasiacutelia
CEP 70904-970 Brasiacutelia DF ndash Brasil
This work proposes a new approach - the possible production of
organic solar cells based on Buriti oil We propose the
formation of an active layer three types of mixture always
exploring the use of Buriti oil The active layers were deposited
by spin coating the mixture of Buriti oil polystyrene (PS) Buriti
oil poly (3- hexylthiophene) (P3HT) and blend Buriti oil PS
plus P3HT For the three devices investigated here we use a
glass substrate coated with fluoride-doped tin oxide (FTO) An
electrode of poly (34-ethylenedioxythiophene) poly (4-
styrenesulfonate) (PEDOT PSS) was deposited by spin coating
The other electrode was painted on top with silver conductive
ink (Ag) We show two different illuminations for the
characterization of the devices For the acquisition of measures
resistance () open circuit voltage (VOC) and the short circuit
current (ISC) a common digital multimeter was used
Introduction
Organic solar cells are being investigated for their potential use in the cheap and
clean conversion of abundant solar energy In addition polymer solar cells have
attracted considerable attention because of their potential use in low-cost lightweight
solution processable and flexible large-area panels (1) In the best performing solid state
organic solar cells reported to date (23) a conjugated polymer is blended with an
electron accepting material to form the bulk-heterojunction structure for efficient
exciton dissociation (34) Academic attention has focused on blends of poly (3-
hexylthiophene) (P3HT) and [66]-phenyl C61-butyc acid methyl ester (PCBM) since
these two materials show the highest power conversion efficiency in their bulk-
heterojunction which is around 5 The combination of unique semiconducting
electronic property and mechanical aspects similar to conventional plastics is an
attractive feature in spite of the lower efficiencies prevailing in these systems Each
polymer has unique properties and responds differently to different stimulus However
its characteristics can be improved by blending two polymers or by adding some
compounds called additives producing interesting results As an example we can take a
polystyrene (PS) matrix mixed with Buriti oil this modified material shows a very
broad absorption between 150 to 400 nm with a maximum at 320 nm (67) Figure 1
shows the spectrum of absorption for four types of concentration of Buriti oil in PS
matrix
79
Figure 1 Spectra of absorption of UV radiation of PS films and PS- Buriti oil (7)
This feature makes it a promising candidate for photovoltaic studies Based on
this result we decided to investigate Buriti oil P3HT Buriti oilPS and Buriti
oilPSP3HT mixtures in solar cell fabrication Thus the possible fabrication of the
Buriti oil solar cell and its results are reported and discussed here
Sample Preparation
The devices consist basically of an active layer made of Buriti oilPS or Buriti
oilP3HT films or Buriti oilPSP3HT material placed in-between the bottom
electrode of poly(34-ethylenedioxythiophene)poly(4-styrenesulfonate) (PEDOTPSS)
and the top silver (Ag) electrode Devices were assembled on glass substrates covered
with fluoridedoped tin oxide (FTO) with planar resistance in order of 30 _ cm without
further treatment The actives layer and the bottom electrode were deposited by spin
coating (6000 and 5000 rpm respectively) while the silver electrode was painted
PEDOT PSS was used in order to smooth the FTO surface and to decrease the hole
barrier A first kind of active layer was prepared through deposition (6000 rpm spin
coating) of a solution prepared by dissolving appropriate amounts of PS and Buriti oil
4681 wt (extracted with supercritical CO2) at room temperature in analytical grade
reagent chloroform The second kind of active layer was prepared through deposition of
Buriti oil and P3HT mix dissolved in analytical grade reagent toluene The last active
layer was prepared by mixing Buriti oilPS with P3HT dissolved in an analytical grade
reagent chloroform
After each spin coating deposition the films were dried in a stove at 100 0C for
about 15 minutes Devices of active area A~ 20 cm2 were obtained Figure 2 shows a
schematic view of the finished device
80
Figure 2 Structure of the Buriti oil solar cell
Characterization
The measurements were obtained using a common digital multimeter model
ET-2042C Minipa The samples were subjected to direct irradiation of an Hg spectral
lamp (80 W) for five minutes For such measures we did not consider neither
interference of the illumination nor the samplersquos angle of inclination The series
resistance of the device was also collected as this is one that has a direct relation with
the value of this measure as shown in Table 1 the lower the resistance the greater the
current collected All the results are shown in Table 1
Table 1 VOC and ISC for the different solar cell illuminated with an Hg spectral
lamp (80W)
VOC (mV) ISC (mA) R (cm2)
Buriti oil PS 21 009 740
Buriti oil P3HT 18 002 369
Buriti oil PS+P3HT 17 001 717
To observe a real situation the same sample group was exposed to direct
sunlight in hours of intense sun between 1100 am and 0100 pm taking into account
that all samples had an exposure time of approximately five minutes In this step a
convergent lens was used to concentrate the solar light on the device (8 and 9) In this
experiment angle of incidence and the solar irradiation were not measured The results
are shown in Table 2
Table 2 VOC and ISC for the different solar cell illuminated by direct solar light
VOC (mV) ISC (mA) R (cm2)
Buriti oil PS 62 009 740
Buriti oil P3HT 33 003 369
Buriti oil PS+P3HT 25 002 717
Results and analysis
Based on the values of VOC and ISC obtained for the samples it can be clearly
observed that sunlight exposure provided better results when compared to the artificial
81
illumination The main reason for such a situation could be related to the use of Hg
lamp that is not appropriated In spite of this the devices based-on Buriti oil presented
good performances in both cases This effect may be due to the lower resistance value
of the first samples When the illumination is promoted by the sun the VOC increases
but the ISC remains the same maybe as a consequence of the resistance value or
because the samples becomes hotter For the samples made with Buriti oil P3HT and
Buriti oil PS P3HT materials and illuminated by the spectral lamp similar results for
VOC and ISC were observed Under sunlight illumination the values of VOC and ISC
are greater than that obtained for the spectral lamp lighting
Conclusions
In this paper we show that Buriti oilPS and Buriti oil P3HT materials can be
used as an active layer for solar cells The behavior of the samples based-on Buriti
oilPS showed better results for the two types of illumination It is important to
emphasize tha these results are just a part of the devices characterization which still
requests the fulfillment factor (FF) as well as cell efficiency determination Such
calculations are on process but all the obtained data are satisfactory and promising
because our main aim is to develop solar cells using more accessible organic materials
such as the Buriti oil PS blend
Acknowledgments
The authors gratefully acknowledge CNPq and NAMITECMilenio Institute for
financial support
References
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Bicalho and MJ Arauacutejo Sales Eur PolymJ 42 (2006) 3324
7 JA Duratildees Compoacutesitos Fotoprotetores-Siacutentese e Caracterizaccedilatildeo de Poliestireno
e Poli(metacrilato de metila) Dopados com Oacuteleo de Buriti (Mauritia Flexuosa)
Dissertaccedilatildeo de mestrado do Instituto de Quiacutemica da Universidade de Brasiacutelia (2004)
8 httpwwwstumbleuponcomtoolbartopic=Alternative20Energyampurl=http2
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9 httpwwwgoodcleantechcom200805ibm_uses_magnifying_lens_to_bophp
82
Study of organic MIM junctions for use in photovoltaic devices
E R Silva A R S Romariz and A M Ceschin
Departamento De Engenharia Eleacutetrica Laboratoacuterio de Dispositivos e Circuito
Integrado (LDCI) Universidade de Brasiacutelia Campus Darcy Ribeiro Brasiacutelia CP
4386 CEP 70904-970 Brasiacutelia ndash DF Brasil
We report here photovoltaic effects on Buriti oil (Mauritia
flexuosa) mixed in an insulating polymers matrix The samples
studied here consist of an active layer based on polystyrene (PS)
and poly (methilmethacrilate) (PMMA) mixed with Buriti Oil
(BO) The structure of the device was glassFTO Poly (3 4-
ethylenedioxythiophene) (PEDOT) poly (styrenesulfonate)
(PSS) active layer Ag These mixtures are promising materials
in the fabrication of organic photovoltaic devices The advantage
of these mixtures is their low cost of production and ease in
fabrication Electrical measurements were obtained in both a lit
room and in the dark We can observe photovoltaic effects in all
samples mixed with OB This effect is very interesting because
we are working with an insulating polymer instead of the
semiconductor polymer In this work we have been developing a
junction of the metalndash insulatorndashmetal (MIM) diode that acts like
a photovoltaic device
Introduction
In the past years various new materials and mixtures for fabricating
photovoltaic devices have been proposed for higher conversion efficiencies and lower
cost processes (1 2) Organic solar cells are being investigated for their potential use in
the clean conversion of solar energy through large-area solar panels (3 4 and 5)
Academic attention has focused on blends of poly (3-hexylthiophene) (P3HT) and [6
6]-phenyl C61-butyc acid methyl ester (PCBM) since these two materials show the
highest power conversion efficiency in their bulkheterojunction which is around 5
(6)
Each polymer has unique properties and responds differently to different stimuli
However its characteristics can be improved by blending two polymers or by adding
some compounds called additives thus producing interesting results As an example we
can take the BO mixed in a PS matrix and one mixed in a PMMA matrix This modified
material shows a very broad absorption between 250 to 400 nm with a maximum at 320
nm (7) Based on this result we decided to investigate the OB mixtures in the fabrication
of photovoltaic devices One possible way to enhance the quantum efficiency of a
photovoltaic device is to add dyes that have high absorption efficiency to the host
materials (8) The addition of BO in the PS and PMMA matrices increases this
efficiency The OB is added with the polymers to improve the efficiency on the active
layers of the insulating materials In this paper we will present photovoltaic parameters
on devices based on insulating polymers mixed with BO deposited on a substrate
83
covered with fluorine doped tin oxide (FTO) The devices were fabricated by the spin
coating technique the open circuit voltage (VOC) and short-circuit current density (JSC)
of the BOPS device are 03V and 039 nAcm2 respectively which is 0212V higher
than BOPMMA devices The fill factor (FF) that defines power extraction efficiency of
BOPS devices is 026 against 020 in the BOPMMA devices
Experimental
Our devices were based on previous studies about insulating polymers mixed
with BO (7) The material for the active layer BOPS and BOPMMA of the MIM
junction was chosen because this materials posses two regionrsquos absorption the first
range in 250 at 400 nm that has a peak at 320 nm and the second in the range of 500 at
700 nm The fact these materials absolve in visible region allow to realization of study
about applications in photovoltaic devices (9) We were still able to get good results
from the investigation of BO for make photovoltaic devices
The samples were assembled on glass substrates covered with FTO The
resistance of the plate is asymp 41-60 Ω Prior to depositing the layers part of the FTO
substrate was removed the FTO was corroded using a homogenous ink prepared with
powdered zinc (Zn) Additionally it is possible to use tape or enamel in order to save
part of the FTO After these procedures the substrate is dipped in a diluted solution of
hydrochloric acid (HCI) After the corrosion stage the substrate goes through a cleaning
process that was also performed before corrosion The substrates are cleaned to remove
grease and residual chemicals Corrosion is necessary to avoid short circuits between
the devicersquos electrode contacts (10) The devices were fabricated in a typical
sandwiched structure with the active layers sandwiched between two electrodes the
bottom electrodes consist of conducting polymer film deposition of (PEDOT PSS)
purchased from Bayer This forms the anode that was deposited on the FTO We use it
in order to increase the positive carrier collection of the active layer The film was made
using the spin coating technique with 6000 rotations per minute (rpm) for 55 seconds
Next it was dried in an oven at a temperature of 50 deg C for 15 minutes The cathode was
made with a conductive ink of silver (Ag) acquired from Silver Ink having 99 purity
with painting done by hand because more precise techniques were not available The
materials used in the active layer were pure PS PS mixed with 47 BO pure PMMA
and PMMA mixed with 35 BO Four types of active layers were used All the
mixtures were made with an appropriate quantity of the analytical reagent chloroform at
room temperature Before the deposition the solutions were stirred with magnetic
agitate for 30 minutes in order to ensure greater uniformity for the mix A schematic
view finished device (glass FTO PEDOT PSS active layer Ag) is shown in figure
1 The film thicknesses of the active layers were measure using a Dektak 150
profilometer These values are about 1μm We could not obtain a thinner device because
of the high viscosity of the material In our final device the active area is approximately
009 cm2
Figure 1 Schematic of the finished Device
84
Results and Discussion
The devices with different active layers were prepared following the procedure
described above at room temperature The currentndashvoltage (I-V) characteristics were
measured using a Keithley 2400 programmable software semiconductor measuring
system In all samples without oil devices using only insulating polymer like PS and
PMMA ohmic behavior was observed for bias voltage between -2 and 2 V The device
with pure PS has greater resistance than the one with pure PMMA Perhaps this happens
due to differences in layer thickness or intrinsic material properties But when BO is
added to the mixture we get a different behavior for I-V curves in the two cases We
observed that the sample of PS BO had larger current than PMMABO Figure 2
shows the curves for the PS mixture with and without BO 47 In Figure 3 we have
curves for the PMMA mixture with and without BO 35 In these two cases we
observed curves that look like MIM diode characteristic curves
Figure 2 The I-V Curves characteristics of ohmic behavior and MIM diode for
the PMMA
Figure 3 The I-V Curves characteristics of ohmic behavior and MIM diode for the PS
85
We also noticed a photovoltaic effect in the junctions based in BO at room
temperature Measurements were taken both in the dark and with the room fluorescent
light on In all observations we saw slight photovoltaic effects in all devices made using
insulating polymers with BO mixtures in the active layer In Figure 4 this effect is
shown for PSBO and in Figure 5 for PMMABO
Figure 4 Curve characteristics PS dark and light
Figure 5 Curve characteristics PMMA dark and light
86
For such measures we did not consider either air mass coefficient or the
samplersquos inclination angle for these characterizations because we donrsquot have
characterization equipments Thus we are unable to calculate the conversion efficiency
() The voltage bias was varied from -1 to 1 V but here it is shown with a smaller
interval to better visualize this slight effect In Table 1 the values are shown for the
samples insulating polymer mixed with BO for Voc Jsc and fill factor FF In summary
these parameters are important for characterizing our devices The FF is the ratio that
determines the maximum operating current and voltage of the photovoltaic device and
was calculated as FF = VpIpVocIsc (11) All the values are extracted from the curves
Table 1 Summary of the photovoltaic devices performance with and without light
Active Layer VOC
(mV)
JSC
(nAcm2)
FF
PSBO 47 300 039 026
PMMABO 35 86 216 020
We have seen that the insertion of BO at the matrices of insulating polymers
such as PMMA and PS promote the absorption of photons and therefore the formation
of excitons However we do not have a maximum absorption because of the peak of
absorption of the active layers is in range of 200 to 400 nm while the illumination used
was in the visible region The excitons generated were dissociates and the charges
created were collected in their respective electrodes to form the short-circuit Current
(ISC) This current is small due to the film thickness of the active layer Thus carriersrsquo
recombination could be occurring before they reach their respective electrodes
The measured VOC was 008 V to PMMABO and 03 V to PSBO For the
PSBO this number is roughly the same as the difference in work function between
PEDOT PSS and Ag However for the PMMABO this number is lower than the
difference in work function between PEDOTPSS and Ag All this contributed for the
values low ISC VOC and FF The results obtained here are very below that reported in
recent papers (12 13)
Conclusion
We have been working with polymer insulating with additions of material cheap
an abundant of in nature We presented preliminary results for the MIM junction diode
We used BO mixed with insulating polymer to form the active layers This way we get a
value for ISC VOC and FF but we can observe photovoltaic effect in the majority of the
samples with the BO The active layers have a region of absorption outside of the solar
spectrum and the thickness was thick Because of the collection the carrier was hindered
before to reach the collectorrsquos electrode The devices shown here is very easy to make
and can be made in a large area
Acknowledgments
87
The authors gratefully for the financial support received from National Counsel
of Technological and Scientific Development (CNPq) National Institute of Science and
Technology of Micro and Nanoelectronics Systems (NAMITEC) This paper was
partially supported from a scholarship granted by Coordenaccedilatildeo de Aperfeiccediloamento de
Pessoal de Niacutevel Superior (CAPES) for the first author that also wishes to thank for this
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Buriti oil In Microelectronics Technology and Devices SBMicro 2009 EUA
Pennigton 2009 v 23 p 553-556
10 Macedo AG Zanetti F Mikowski A Hummelen JC Lepienski CM da Luz
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12 Zhan X Tan Z Domercq B An Z Zhang X Barlow S Li Y Zhu D Kippelen B
and Marder SR (2007) J Am Chem Soc 129 7246
13 Ie Y Uto T Saekia A Seki S Tagawa S Aso Y (2009) Synthetic Metals 159
797ndash801
88
xi
3511 ndash Confecccedilatildeo das amostras usando PS e PMAM 1ordm grupo 46
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo usando lacircmpada de Hg 80 W 47
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar 47
3522 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar 49
3523 ndash Curva caracteriacutestica corrente versus tensatildeo (IndashV) 50
3524 ndash Medida de espessura 53
353 ndash Experimentos Etapa 3 56
3531 ndash Confecccedilatildeo das amostras com parte do FTO removido 56
3532 ndash Caracterizaccedilatildeo das curvas (IndashV ) 57
3533 - Anaacutelise e discussatildeo 61
354 Caracterizaccedilatildeo dos Materiais por Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM) 61
4 ndash CONCLUSOtildeES E RECOMENDACcedilOtildeES 68
REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 71
APEcircNDICE 1 77
Produccedilotildees Bibliograacuteficas 77
xii
LISTA DE TABELAS
Tabela 3 1 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos 29
Tabela 3 2 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos 30
Tabela 3 3 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos 32
Tabela 3 4 ndash Valores medidos de VOC e ISC com iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W para variaccedilatildeo de iluminaccedilatildeo para a amostra P4 32
Tabela 3 5 ndash Valores de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo de lacircmpada incandescente de 100 W
durante 5 minutos 35
Tabela 3 6 ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito com um ponto de
prata Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos 38
Tabela 3 7ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito de prata em forma de
trilhas com concentraccedilatildeo em um ponto Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos 38
Tabela 3 8 ndash Resultados obtidos das medidas de VOC e ISC usando luz solar direta durante
5 minutos 38
Tabela 3 9 ndash Medidas de VOC e ISC para amostras iluminadas pela lacircmpada Hg 80 W
aproximadamente cinco minutos 41
Tabela 3 10 ndash Valores de VOC e ISC para amostras iluminada sob luz solar direta expostas
durante cinco minutos cada 42
Tabela 3 11 ndash Resultados das medidas de ISC e VOC das amostras do 1ordm grupo sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpada durante 05 minutos de exposiccedilatildeo 47
Tabela 3 12 ndash Resultados para ISC e VOC sob iluminaccedilatildeo luz solar por aproximadamente
05 minutos de exposiccedilatildeo 47
Tabela 3 13 ndash Medidas realizadas para as amostras A5 A6 A7 sob iluminaccedilatildeo solar
direta durante 10 minutos 49
Tabela 3 14 ndash Medidas realizadas no dia 12052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos 50
Tabela 3 15 ndash Medidas realizadas no dia 18052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos 50
Tabela 3 16 ndash Medida dos pontos e a media medida dos filmes das camadas ativas feitos
com rotaccedilatildeo de 5000 rpm Valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M 55
Tabela 3 17 ndash Medida dos pontos e a media dos filmes das camadas ativas feitos com
rotaccedilatildeo de 6000 rpm O valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M 55
xiii
LISTA DE FIGURAS
Figura 2 1 ndash Estrutura quiacutemica do poliacetileno mostrando as ligaccedilotildees alternadas em
simples e duplas 6
Figura 2 2 ndash Formaccedilatildeo da estrutura do condutor poliacetileno (a) Formaccedilatildeo de bandas
distintas pela superposiccedilatildeo de N orbitais (b) aproximaccedilatildeo da banda riacutegida para um nuacutemero
grande de orbitais 7
Figura 2 3 ndash Estrutura de uma ceacutelula solar orgacircnica A camada ativa pode compreender
uma ou mais camadas semicondutoras uma mistura de materiais ou a combinaccedilatildeo destas
duas estruturas 8
Figura 2 4 ndash Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um dispositivo fotovoltaico feito com uma
camada de poliacutemero entre dois eletrodos 8
Figura 2 5 ndash Processos envolvidos na geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica em um dispositivo
fotovoltaico orgacircnico 9
Figura 2 6 ndash Diagrama de niacuteveis de energia de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico Sob
iluminaccedilatildeo o eleacutetron (e-) eacute jogado para o niacutevel de maior energia LUMO deixando uma
lacuna (h+) no niacutevel de menor energia HOMO (Criaccedilatildeo do eacutexciton) que seratildeo coletados
pelos eletrodos 1 funccedilatildeo trabalho do 1ordm eletrodo (transparente) 2 funccedilatildeo trabalho do
2ordm eletrodo χ eletroafinidade IP potencial de ionizaccedilatildeo e Eg energia do gap 10
Figura 2 7 ndash Diagrama esquemaacutetico do dispositivo fotovoltaico 2 poliacutemero1 no escuro
com o alinhamento dos niacuteveis de Fermi a) e sob iluminaccedilatildeo b) potencial de built-in ( Vbi)
intriacutenseco em temperatura ambiente esta proacuteximo ao valor de tensatildeo 12
Figura 2 8 ndash Curva caracteriacutestica IndashV de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico no escuro e
sob iluminaccedilatildeo Tambeacutem eacute mostrado o ponto de corrente de curto circuito e tensatildeo de
circuito aberto O retacircngulo pintado indica o fator de preenchimento (FF) 13
Figura 2 9 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PS (C8H8)n 15
Figura 2 10 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PMMA (C5O2H8)n 16
Figura 2 11 ndash Representaccedilatildeo da cadeia principal do PEDOT [25] 17
Figura 2 12 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica da interaccedilatildeo entre o PEDOT e PSS [25]
17
Figura 2 13 ndash Estrutura quiacutemica do P3HT (C10H18S)n [13] 18
Figura 2 14 ndash Foto da palmeira do Buriti (Mauritia Flexuosa) conhecida como Buritizeiro
[21] 19
Figura 2 15 ndash Ilustraccedilatildeo dos frutos maduros do Buriti (a) aspecto da casca (b) polpa de
cor amarelada [21] 19
Figura 2 16 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PS puro e PSOB [40] 20
xiv
Figura 2 17 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PMAM puro e PMAM
OB [40] 21
Figura 3 1 ndash (a)bomba de vaacutecuo (b) compressor de ar comprimido (c) vaacutelvula de controle
e (d) spin coater 24
Figura 3 2 ndash Equipamento de spin coater instalado no laboratoacuterio LDCI vista lateral e
frontal 25
Figura 3 3 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores Keithley 2400 laboratoacuterio
LDCI 25
Figura 3 4 ndash Vista frontal do AFM marca VEECO Innova 26
Figura 3 5 ndash Amostras confeccionadas com duas lacircminas de substrato de vidro recoberto
com FTO baseada no modelo de Graumltzel 28
Figura 3 6 ndash (a) Esquema da amostra confeccionada no substrato flexiacutevel de plaacutestico
(PET) (b) foto do substrato finalizado 31
Figura 3 7 ndash Amostra feita com substrato de PET apoacutes ser submetidos agrave fonte de lacircmpada
incandescente de 100 W por 20 minutos 33
Figura 3 8 ndash (a) Esquema da amostra para substrato de vidro recoberto com FTO (b) foto
da amostra finalizada 34
Figura 3 9 ndash (a) Geometria do eletrodo de Ag confeccionado em forma de ponto e (b)
geometria do eletrodo de Ag feito em forma de trilhas 37
Figura 3 10 ndash (a) Foto da amostra (b) Estruturas das camadas dos dispositivos das novas
amostras 40
Figura 3 11 ndash Ilustraccedilatildeo do experimento realizado com uma amostra tendo o contato
desenhado com a geometria em forma de trilhas camada ativa de PS OB 47 42
Figura 3 12 ndash Ilustraccedilatildeo da polarizaccedilatildeo direta para amostras com P3HT e gota de
PEDOTPSS para medidas das curvas (IndashV) 43
Figura 3 13 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47 Corrente e
tensatildeo observadas 003 uA e 09 Volts respectivamente 44
Figura 3 14 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de OB puro + P3HT Corrente
e tensatildeo observadas 0013 uA e 002 Volts respectivamente 44
Figura 3 15 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47+P3HT
Corrente e tensatildeo observadas 0012 uA e 11 volts respectivamente 45
Figura 3 16 ndash Estruturas das camadas e do contato de Ag dos dispositivos fotovoltaicos
orgacircnicos usado para o 2 ordm grupo de amostras 49
Figura 3 17 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PS puro No escuro e sob
iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 51
xv
Figura 3 18 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PSOB 47 No escuro e
sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 52
Figura 3 19 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAM puro No escuro
e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 52
Figura 3 20 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAMOB 35 No
escuro e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 53
Figura 3 21 ndash Risco feito no filme da amostra onde a ponta do perfilocircmetro executou a
varredura 54
Figura 3 22 ndash Medindo a diferenccedila da altura entre os cursores (R - reference) e (M -
measurement) para determinar a espessura do filme 54
Figura 3 23 ndash Geometria da lacircmina de vidro apoacutes corrosatildeo do FTO 56
Figura 3 24 ndash Geometria das camadas do dispositivo 57
Figura 3 25 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PS puro
e PS OB 47 58
Figura 3 26 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PMAM
puro e PMAMOB 35 59
Figura 3 27 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PSOB
47 no claro e escuro 60
Figura 3 28 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de
PMAMOB 35 no claro e escuro 60
Figura 3 29 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS puro obtida por AFM no modo
contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 62
Figura 3 30 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS OB 47 por AFM modo
contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 63
Figura 3 31 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PMAM puro obtida por microscopia
de forccedila atocircmica no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 64
Figura 3 32 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PAMAM OB 35 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 64
Figura 3 33 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HTOB puro obtida por AFM no
modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 65
Figura 3 34 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HT+PS OB 47 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 66
xvi
LISTA DE SIacuteMBOLOS NOMENCLATURA E ABREVIACcedilOtildeES
Ag ndash Prata
BC ndash Banda de conduccedilatildeo
BV ndash Banda de valecircncia
CHCL3 ndash Clorofoacutermio
C7H8 ndash Tolueno
Eg ndash Energia de gap (Energia de banda proibida)
FTO ndash Oacutexido de estanho dopado com fluacuteor termo em inglecircs Tin Oxide doped with
Fluorine
FF ndash Fator de preenchimento termo em inglecircs fill factor
GPIB ndash General Purpose Interface Bus
HOMO ndash Orbital molecular mais alto ocupado termo em inglecircs highest occupied
molecular orbital
ITO ndash Oacutexido de iacutendio estanho termo em inglecircs Indium Tin Oxide
IPCE ndash Eficiecircncia de conversatildeo de foacutetons incidentes em eleacutetrons Eficiecircncia quacircntica
externa termo em inglecircs Incident Photon Converted in Electron Efficiency
I0 ndash Intensidade de luz incidente em W m2
ISC ndash Corrente de curto circuito termo em inglecircs current short circuit
IndashV ndash Corrente versus tensatildeo aplicada
JSC ndash Densidade de fotocorrente de curto circuito termo em inglecircs photocurrent density
short circuit
LUMO ndash Orbital molecular mais baixo desocupado termo em inglecircs lowest unoccupied
molecular orbital
OB ndash Oacuteleo de Buriti
OLED ndash Diodo emissor de luz orgacircnico termo em inglecircs Organic light emitting devices
OPV ndash Ceacutelulas orgacircnicas fotovoltaicas termo em inglecircs Organic Photovoltaic
PET ndash Poli (Tereftalato de Etila)
xvii
PEDOT ndash Poli (34-etileno dioxitiofeno)
PS ndash Poliestireno
PSSndash Poli (Estireno-Sulfonato)
PMAM ndash Poli Metacrilato de Metila
P3HT ndash Poli (3-hexil tiofeno)
rpm ndash Rotaccedilatildeo por minuto
TO - Oacutexido de estanho termo em inglecircs Tin Oacutexide
Tm ndash Temperatura de fusatildeo cristalina
Tg ndash Temperatura de transiccedilatildeo viacutetrea
UV ndash Ultravioleta
VIS ndash Visiacutevel
VOC ndash Tensatildeo circuito aberto termo em inglecircs Open-circuit voltage
V bi ndash Potencial de built-in
ndash eficiecircncia de conversatildeo de potecircncia
λ ndash comprimento de onda
π ndash orbital ligante
πndash orbital antiligante
ndash Funccedilatildeo trabalho do material
Capiacutetulo I
Introduccedilatildeo
2
1 ndash INTRODUCcedilAtildeO
Atualmente um assunto muito debatido na esfera mundial eacute o problema da emissatildeo
de gases que provocam o efeito estufa Essa questatildeo relaciona-se por exemplo com o
desvio do curso de um rio para formar barragem para construccedilatildeo de hidreleacutetrica ou o uso
de carvatildeo ou diesel para o funcionamento de geradores de energia eleacutetrica todas essas
accedilotildees tecircm forte contribuiccedilatildeo para mudanccedilas no ambiente natural
Uma maneira eficaz de amenizar o impacto de tais accedilotildees sobre o meio ambiente
consiste no aproveitamento da energia solar que eacute uma fonte de energia renovaacutevel tanto
como fonte de calor quanto de luz O sol eacute responsaacutevel direta ou indiretamente pela
maioria das fontes de energia utilizadas atualmente a energia do sol eacute responsaacutevel pela
evaporaccedilatildeo a radiaccedilatildeo solar induz as circulaccedilotildees atmosfeacutericas causando ventos necessaacuterios
para a obtenccedilatildeo de energia eoacutelica [1] A energia luminosa pode ser transformada em
energia eleacutetrica por meio das ceacutelulas solares Na atualidade eacute uma das alternativas
energeacuteticas mais promissoras para enfrentar os desafios dos proacuteximos anos
Por ser uma energia captada diretamente a partir da incidecircncia dos raios solares a
energia produzida por ceacutelulas fotovoltaicas eacute uma tecnologia que natildeo emite gases
poluentes na atmosfera e natildeo produz ruiacutedos nem vibraccedilotildees durante o processo de
conversatildeo
Embora seja uma tecnologia relativamente antiga a produccedilatildeo de energia por ceacutelulas
fotovoltaicas natildeo teve ainda grande expansatildeo comercial devido ao elevado preccedilo de
implantaccedilatildeo do sistema Com a existecircncia de grupo gerador movido a diesel mais barato
haacute um maior uso desse tipo de sistemas em lugares que natildeo satildeo atendidos pela rede de
energia puacuteblica [23]
Tendo em vista esse cenaacuterio soacutecio econocircmico e tambeacutem ambiental existe a
necessidade de se buscar novas tecnologias para a produccedilatildeo de ceacutelulas fotovoltaicas a
custos mais acessiacuteveis viabilizando assim sua execuccedilatildeo tendo em vista que a energia solar
eacute importante na preservaccedilatildeo do meio ambiente por apresentar vantagens sobre as outras
formas de obtenccedilatildeo de energia [4] Para cada metro quadrado de coletor solar instalado
evita-se a inundaccedilatildeo de cinquumlenta e seis metros quadrados de terras feacuterteis para a
construccedilatildeo de novas usinas hidreleacutetricas
A energia solar fotovoltaica eacute a energia da conversatildeo direta da luz em eletricidade
(Efeito Fotovoltaico) que consiste no aparecimento de uma diferenccedila de potencial nos
3
extremos de uma estrutura de material semicondutor produzido pela absorccedilatildeo da luz A
ceacutelula fotovoltaica eacute a unidade fundamental no processo de conversatildeo [5]
As ceacutelulas solares orgacircnicas necessitam de muito menos energia para serem
fabricadas que as de siliacutecio convencional ie o consumo de energia gasto para fabricaccedilatildeo
de uma ceacutelula solar orgacircnica eacute muito pequeno de forma que a energia por ela gerada seraacute
muito maior do que a gasta para a sua fabricaccedilatildeo A ceacutelula solar de siliacutecio possui um
processo de fabricaccedilatildeo com preccedilos elevados inviabilizando sua fabricaccedilatildeo em larga escala
devido aos gastos elevados de energia em sua produccedilatildeo O impacto final no balanccedilo de
energia natildeo eacute positivo ou seja se gasta muito mais energia para produzir a ceacutelula que a
energia que ela eacute capaz de gerar em curto prazo
A partir de uma reflexatildeo sobre este cenaacuterio observou-se que semicondutores
orgacircnicos baseados em pequenas moleacuteculas conjugadas e poliacutemeros oferecem a
oportunidade de produzir dispositivos com larga aacuterea e baixo custo sobre substratos
plaacutesticos flexiacuteveis [67] Nesse campo as misturas de poliacutemeros (blendas polimeacutericas) ou a
aditivaccedilatildeo de poliacutemeros produzem resultados interessantes Um exemplo eacute o poliestireno
(PS) e o poli-metacrilato de metila (PMAM) misturado com oacuteleo de buriti (Mauritia
flexuosa) o material modificado tem alta absorccedilatildeo entre 250 nm a 700 nm com o maacuteximo
em 320 nm [8] Isto o torna um candidato promissor para os estudos fotovoltaicos A partir
da descoberta dos poliacutemeros condutores e suas propriedades as investigaccedilotildees sobre a
possibilidade de empregaacute-los como mateacuteria prima na construccedilatildeo de dispositivos
fotovoltaicos foram intensificadas
Com base nessas observaccedilotildees optou-se por investigar misturas de PS e PMAM
com oacuteleo de buriti a fim de construir e caracterizar dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos
Tais dispositivos podem ser construiacutedos sobre substratos plaacutesticos e em temperatura
ambiente desta forma sendo flexiacuteveis e com baixo custo [9] Entre os diversos materiais
potencialmente interessantes para esse fim encontra-se tambeacutem o Poli (3-hexiltiofeno)
(P3HT) Com base em vaacuterias referecircncias [1011] sobre o uso do P3HT misturado com
nanopartiacuteculas e com C60 (Fulereno) resolveu-se testar a mistura P3HT com oacuteleo de Buriti
Este trabalho consiste no estudo para o desenvolvimento e caracterizaccedilatildeo de
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos baseados no oacuteleo de buriti que apresenta propriedades
oacutepticas de absorccedilatildeo misturado com poliacutemeros isolantes (PS e PMAM) e com o poliacutemero
semicondutor P3HT
4
11 ndash OBJETIVO GERAL
O objetivo do presente trabalho eacute o desenvolvimento e a caracterizaccedilatildeo de
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos a partir de poliacutemero semicondutor ou de poliacutemeros
isolantes modificados pelo oacuteleo de buriti
12 ndash OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS E ORGANIZACcedilAtildeO DO ESTUDO
1 Fazer deposiccedilatildeo de filmes finos de blendas polimeacutericas a partir de
mistura de poliacutemeros isolantes PS e PMAM e do poliacutemero
semicondutor P3HT com oacuteleo de buriti
2 Montagem dos dispositivos em substratos de vidro e de plaacutestico
3 Caracterizaccedilatildeo eleacutetrica dos dispositivos desenvolvidos atraveacutes de
medidas diretas sob iluminaccedilatildeo de lacircmpadas e luz solar direta
Medidas das curvas IndashV no escuro e com iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio
4 Caracterizaccedilatildeo morfoloacutegica dos filmes depositados por spin coater
Medir as espessuras dos filmes e aacuterea ativa
Ao longo desta pesquisa seraacute mostrada a confecccedilatildeo dos dispositivos que
apresentaram algum comportamento fotovoltaico ou aqueles que tiveram resultados
interessantes Vaacuterias tentativas foram feitas a fim de buscar aquelas que apresentassem
resultados e comportamento satisfatoacuterio para um dispositivo fotovoltaico orgacircnico
Este trabalho foi dividido em quatro capiacutetulos No capiacutetulo dois seraacute feita uma
revisatildeo de alguns conceitos importantes sobre dispositivos orgacircnicos materiais utilizados
e equipamentos de caracterizaccedilatildeo No capiacutetulo trecircs seratildeo descritos os procedimentos
experimentais e resultados os quais seratildeo subdivididos em dados experimentais I II e III e
em alguns casos subdivididos em etapas Seratildeo abordadas as teacutecnicas utilizadas nas
construccedilotildees e caracterizaccedilotildees dos dispositivos No capiacutetulo quatro seratildeo apresentadas as
conclusotildees e recomendaccedilotildees para trabalhos futuros
5
Capiacutetulo II
Conceitos Baacutesicos
6
2 ndash CONCEITOS BAacuteSICOS
21 ndash POLIacuteMEROS CONDUTORES
O termo poliacutemero eacute usado para designar macromoleacuteculas formadas pela repeticcedilatildeo
de unidades chamadas de monocircmeros Alguns poliacutemeros ocorrem naturalmente outros satildeo
sintetizados Os poliacutemeros sinteacuteticos tiveram seu grande desenvolvimento no iniacutecio do
seacuteculo 20 poreacutem a grande maioria dos poliacutemeros desenvolvidos nessa eacutepoca era isolante
Na deacutecada de 50 surgiram os primeiros poliacutemeros condutores extriacutensecos que eram
poliacutemeros isolantes incorporados com materiais portadores de cargas eleacutetricas
Nos anos 70 a equipe de Hideki Shirakawa et al [12] do instituto de Tecnologia de
Toacutequio produziu um filme de poliacetileno ([CH]n) de coloraccedilatildeo prateada e que conduzia
corrente depois Shirakawa produziu um outro filme condutor de poliacetileno de
coloraccedilatildeo dourada e com maior condutividade apoacutes dopagem com iodo Apoacutes as primeiras
descobertas vaacuterios outros poliacutemeros condutores foram desenvolvidos A descoberta das
propriedades eleacutetricas do poliacetileno laureou Heeger McDiarmid e Shirakwa com o
precircmio Nobel de quiacutemica em 2000 [12]
Os poliacutemeros condutores tambeacutem satildeo chamados de metais sinteacuteticos por possuiacuterem
propriedades eleacutetricas oacutepticas e magneacuteticas semelhantes aos metais e semicondutores
Os semicondutores orgacircnicos satildeo poliacutemeros cuja estrutura principal eacute composta por
carbono Satildeo semicondutores porque possuem ligaccedilotildees simples e duplas alternadas A
figura 21 mostra a estrutura quiacutemica do condutor orgacircnico poliacetileno cuja estrutura eacute a
mais simples
A sobreposiccedilatildeo de dois niacuteveis eletrocircnicos (orbitais) cria separaccedilotildees nos niacuteveis de
energia formando um orbital ligante (π) e um antiligante (π) que podem ser chamados de
banda de valecircncia e banda de conduccedilatildeo respectivamente Os orbitais podem ser
classificados de duas formas orbital molecular mais baixo desocupado (LUMO) e orbital
molecular mais alto ocupado (HOMO)
Figura 2 1 ndash Estrutura quiacutemica do poliacetileno mostrando as ligaccedilotildees alternadas em
simples e duplas
7
Semelhante aos semicondutores inorgacircnicos os semicondutores orgacircnicos possuem
dois eleacutetrons em cada niacutevel de energia com spin oposto formando ao longo da cadeia os
orbitais π e π com banda similar aos inorgacircnicos [13] Na figura 22 o orbital π
corresponde agrave banda de valecircncia (BV) e o orbital π a banda de conduccedilatildeo (BC)
Em temperatura de 0K todos os estados eletrocircnicos da banda BV estatildeo ocupados
enquanto que os da BC estatildeo desocupados O espaccedilo entre a BC (LUMO) e BV (HOMO) eacute
chamado de Energia de banda proibida (Eg)
Figura 2 2 ndash Formaccedilatildeo da estrutura do condutor poliacetileno (a) Formaccedilatildeo de bandas
distintas pela superposiccedilatildeo de N orbitais (b) aproximaccedilatildeo da banda riacutegida para um nuacutemero
grande de orbitais
22 ndash DISPOSITIVOS FOTOVOLTAICOS ORGAcircNICOS
Os dispositivos fotovoltaicos transformam energia luminosa em energia eleacutetrica
Satildeo divididos em duas classes de acordo com a aplicaccedilatildeo tecnoloacutegica Detectores de luz
como os fotodetectores e fotocondutores e ceacutelulas solares que convertem luz em energia
eleacutetrica [14 15] A conversatildeo da luz solar em energia eleacutetrica nas ceacutelulas solares depende
da geraccedilatildeo de cargas positivas e negativas e da captura das mesmas pelos eletrodos antes
das recombinaccedilotildees dos pares eleacutetrons ndash lacunas
O dispositivo fotovoltaico orgacircnico eacute composto de uma camada ativa
ensanduichada entre dois eletrodos com diferentes funccedilotildees trabalho Para melhor captaccedilatildeo
da luz um dos eletrodos tem que ser transparente Os materiais mais usados como eletrodo
8
transparente satildeo o oacutexido de estanho (TO) o oacutexido de estanho iacutendio (ITO) e oacutexido de
estanho dopado com fluacuteor (FTO) [14] O outro eletrodo pode ser feito de alumiacutenio caacutelcio
ouro prata cobre etc A figura 23 mostra o esquema de um dispositivo fotovoltaico
orgacircnico (ceacutelula solar orgacircnica)
Figura 2 3 ndash Estrutura de uma ceacutelula solar orgacircnica A camada ativa pode compreender
uma ou mais camadas semicondutoras uma mistura de materiais ou a combinaccedilatildeo destas
duas estruturas
Quando a camada ativa eacute iluminada por alguma fonte de luz atraveacutes do eletrodo
transparente a energia luminosa eacute transferida aos eleacutetrons que estatildeo no niacutevel HOMO Os
eleacutetrons absorvem a energia do foacuteton e satildeo promovidos para o niacutevel LUMO criando assim
uma lacuna no niacutevel HOMO O eacutexciton eacute definido como o par eleacutetron-lacuna ligado pela
atraccedilatildeo Coulombiana e eacute chamado de ―eacutexciton Wannier ―[16]
A figura 24 mostra a seccedilatildeo transversal de um dispositivo fabricado da maneira
mais simples contendo uma camada de poliacutemero entre dois eletrodos A aacuterea ativa eacute a
parte da sobreposiccedilatildeo do filme da camada ativa com o filme do eletrodo de contato de
prata Um dos eletrodos deve ser transparente agrave entrada de luz neste caso o FTO
Figura 2 4 ndash Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um dispositivo fotovoltaico feito com uma
camada de poliacutemero entre dois eletrodos
9
O processo de geraccedilatildeo de fotocorrente em dispositivos orgacircnicos fotovoltaicos
segue os seguintes passos mostrados na figura 25
Figura 2 5 ndash Processos envolvidos na geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica em um dispositivo
fotovoltaico orgacircnico
Apesar dos poliacutemeros conjugados apresentarem alto coeficiente de absorccedilatildeo em
torno de 105 cm
-1 somente parte da luz eacute absorvida e seraacute convertida em pares eleacutetrons-
lacunas Esses pares eleacutetrons - lacunas contribuiratildeo para a fotocorrente a qual ainda
depende da espessura da camada ativa polimeacuterica
O comprimento de difusatildeo de um eacutexciton em poliacutemeros conjugados eacute cerca de 10
nm devido a isso a espessura da camada ativa possui influecircncia direta sobre o
funcionamento do dispositivo Dispositivo com camada ativa muito espessa apresenta
resistecircncia agrave movimentaccedilatildeo dos portadores de cargas impedindo que as cargas positivas e
negativas sejam coletadas em seus respectivos eletrodos
Para ter um dispositivo com bom desempenho deve se construir camada ativa na
ordem de dezenas de nanocircmetros Os eacutexcitons devem ser criados nas proximidades das
interfaces do metalcamada ativa (regiatildeo ativa mostrado na figura 24) onde possa existir
maior efeito de alto campo eleacutetrico favorecendo assim a dissociaccedilatildeo dos eacutexcitons [17]
Para haver uma diferenccedila de potencial eacute necessaacuterio que os portadores sejam
coletados pelos respectivos eletrodos antes de se recombinarem A dissociaccedilatildeo do eacutexciton
ocorre em regiatildeo de alto campo eleacutetrico geralmente na interface metal-poliacutemero A figura
26 mostra um diagrama de energia para o dispositivo fotovoltaico orgacircnico sob
iluminaccedilatildeo
10
Figura 2 6 ndash Diagrama de niacuteveis de energia de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico Sob
iluminaccedilatildeo o eleacutetron (e-) eacute jogado para o niacutevel de maior energia LUMO deixando uma
lacuna (h+) no niacutevel de menor energia HOMO (Criaccedilatildeo do eacutexciton) que seratildeo coletados
pelos eletrodos 1 funccedilatildeo trabalho do 1ordm eletrodo (transparente) 2 funccedilatildeo trabalho do
2ordm eletrodo χ eletroafinidade IP potencial de ionizaccedilatildeo e Eg energia do gap
23 ndash CARACTERIZACcedilAtildeO DO DISPOSITIVO FOTOVOLTAICO
Para fazer comparaccedilotildees e caracterizar os dispositivos alguns paracircmetros satildeo
importantes para determinar a eficiecircncia entre os diferentes tipos de camada ativa dos
dispositivos Por meio do espectro dinacircmico ou resposta espectral teremos a eficiecircncia
quacircntica externa (IPCE) Para obterem-se os valores de tensatildeo circuito abeto (VOC)
corrente de curto circuito (ISC) fator de preenchimento (FF) e eficiecircncia de conversatildeo de
potecircncia () foram usados os valores retirados das curvas caracteriacutesticas I ndashV no escuro e
sob iluminaccedilatildeo [18]
231ndash Eficiecircncia quacircntica externa (IPCE)
Para se obter a resposta espectral ou espectro dinacircmico a amostra eacute submetida a
um feixe de luz monocromaacutetica de vaacuterios comprimentos de onda sem a aplicaccedilatildeo de
11
tensatildeo A eficiecircncia quacircntica externa eacute a razatildeo entre a densidade de fotocorrente de curto
circuito (JSC) medida e a intensidade de luz monocromaacutetica que incide sobre a amostra
conforme mostra a equaccedilatildeo 21
IPCE()=
(21)
Onde
JSC eacute a densidade de fotocorrente de curto circuito dada em microAcm2
λ eacute o comprimento de onda em nm
I0 eacute a intensidade de luz incidente em W m2
1024 eacute o fator de conversatildeo de energia em comprimento de onda [18]
Portanto o IPCE eacute um valor de medida de eficiecircncia para os dispositivos
fotovoltaicos
232 ndash Tensatildeo de circuito aberto (VOC) e Corrente de curto circuito (ISC)
Quando os materiais orgacircnicos das camadas ativas satildeo colocados em contato com o
eletrodo inorgacircnico existe um balanceamento de cargas entre os materiais de diferentes
funccedilotildees trabalhos ateacute que o equiliacutebrio seja atingido Nesta situaccedilatildeo haacute um nivelamento dos
niacuteveis de energia de Fermi dos materiais e um campo eleacutetrico intriacutenseco eacute criado na
interface do dispositivo
Em um dispositivo sob iluminaccedilatildeo depois da dissociaccedilatildeo dos eacutexcitons as cargas
satildeo transportadas para os eletrodos pelo campo eleacutetrico intriacutenseco que iraacute aumentar a
energia do eletrodo de menor funccedilatildeo trabalho (1) e diminuir a energia de Fermi do
eletrodo de maior funccedilatildeo trabalho (2) quase atingindo a condiccedilatildeo de banda plana
criando uma diferenccedila de potencial definida como tensatildeo de circuito aberto VOC
A figura 27 mostra o diagrama esquemaacutetico de um dispositivo fotovoltaico A
tensatildeo de circuito aberto VOC pode ser obtida da curva caracteriacutestica IndashV de um dispositivo
sob iluminaccedilatildeo quando a corrente eacute zero
12
Figura 2 7 ndash Diagrama esquemaacutetico do dispositivo fotovoltaico 2 poliacutemero1 no escuro
com o alinhamento dos niacuteveis de Fermi a) e sob iluminaccedilatildeo b) potencial de built-in ( Vbi)
intriacutenseco em temperatura ambiente esta proacuteximo ao valor de tensatildeo
Em temperaturas baixas a iluminaccedilatildeo poderaacute trazer a condiccedilatildeo de banda plana e a
tensatildeo de circuito aberto VOC seraacute igual ao potencial de built in (Vbi) Este potencial eacute
definido como a diferenccedila de funccedilatildeo trabalho entre os eletrodos em temperatura ambiente
pois a condiccedilatildeo de banda plana natildeo eacute totalmente atingida e uma pequena correccedilatildeo deve ser
adicionada ao VOC para obter o Vbi [14]
O valor da corrente eleacutetrica maacutexima que atravessa o dispositivo quando iluminado
sem nenhuma tensatildeo aplicada eacute chamado de corrente de curto circuito (ISC)
Para definir a densidade de fotocorrente (JSC) utiliza-se o valor de ISC dividido pela
aacuterea ativa do dispositivo
233 ndash Curva caracteriacutestica IndashV
Atraveacutes da curva IndashV temos a resposta eleacutetrica do dispositivo fotovoltaico A figura
28 mostra a curva caracteriacutestica IndashV no escuro e sob iluminaccedilatildeo de um dispositivo ideal
fotovoltaico No escuro a curva de resposta eacute semelhante agrave de um diodo retificador quando
a corrente soacute aparece para a tensatildeo direta Sob iluminaccedilatildeo a curva de ISC desce para o
terceiro e quarto quadrante Na polarizaccedilatildeo direta o eletrodo de maior funccedilatildeo trabalho eacute
polarizado positivamente e o de menor funccedilatildeo trabalho eacute polarizado negativamente
[1819]
13
Figura 2 8 ndash Curva caracteriacutestica IndashV de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico no escuro e
sob iluminaccedilatildeo Tambeacutem eacute mostrado o ponto de corrente de curto circuito e tensatildeo de
circuito aberto O retacircngulo pintado indica o fator de preenchimento (FF)
234 ndash Fator de preenchimento (FF) e Conversatildeo de Potencia ()
A quantidade maacutexima de energia eleacutetrica extraiacuteda do dispositivo fotovoltaico eacute
determinada pelo fator de preenchimento (FF) ou seja eacute a razatildeo entre a potecircncia maacutexima
fornecida pelo dispositivo fotovoltaico e a potecircncia nominal do mesmo Na figura 8 o fator
de preenchimento eacute representado pela razatildeo entre as aacutereas do retacircngulo cinza (representa a
potecircncia maacutexima que o dispositivo fornece) pela aacuterea do retacircngulo azul (representa a
potecircncia nominal) Assim a equaccedilatildeo 22 mostra a relaccedilatildeo matemaacutetica para a obtenccedilatildeo do
FF
(22)
Onde Vm e Im satildeo as intersecccedilotildees da curva IndashV com a potecircncia maacutexima do
retacircngulo
14
Para aplicaccedilatildeo de um dispositivo fotovoltaico como ceacutelulas solares um dos focos
de interesse eacute a potecircncia eleacutetrica extraiacuteda que eacute determinada pela eficiecircncia de conversatildeo
de potecircncia () Para encontrar este valor divide-se o valor da potecircncia maacutexima gerada
pela ceacutelula (P) pela potecircncia da luz incidente (Pin) A expressatildeo para o caacutelculo de eacute
mostrada na equaccedilatildeo 23
=
(23)
Onde I0 eacute a intensidade de luz incidente sobre a ceacutelula solar Usando a equaccedilatildeo 22
para calculara o FF temos a equaccedilatildeo 24
(24)
24 ndash POLIacuteMEROS UTILIZADOS
Os poliacutemeros sinteacuteticos satildeo produtos quiacutemicos obtidos sinteticamente que
apresentam cadeias longas e dentre eles podemos encontrar materiais importantes para o
uso em engenharia
As propriedades dos poliacutemeros dependem muito do tipo de monocircmero que o
originaram Outros fatores que influenciam suas propriedades satildeo o tipo de reaccedilatildeo
empregada para sua obtenccedilatildeo e a teacutecnica de preparaccedilatildeo Podemos citar trecircs tipos de reaccedilotildees
a partir das quais se podem produzir um poliacutemero a poliadiccedilatildeo policondensaccedilatildeo e a
modificaccedilatildeo quiacutemica de outro poliacutemero [20]
241 ndash Polistireno (PS)
O PS eacute uma resina termoplaacutestica foi descoberto em 1831 Apesar de ter sido
proposto para uso logo apoacutes sua descoberta demorou a ser colocado no comeacutercio Isto
ocorreu porque a polimerizaccedilatildeo do monocircmero natildeo era controlada e ocorria muito
rapidamente dificultando o carregamento e a estocagem dos monocircmeros A representaccedilatildeo
da estrutura quiacutemica do PS pode ser vista na figura 29 [21]
15
Figura 2 9 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PS (C8H8)n
O PS eacute um dos plaacutesticos mais utilizados no Brasil cuja aplicaccedilatildeo pode se estender a
diversos tipos de utensiacutelios para uso domeacutesticos Em uso na fabricaccedilatildeo de objetos tais
como brinquedos escovas embalagens riacutegidas para cosmeacuteticos no isolamento ao frio na
embalagem de equipamentos em pranchas flutuantes em paineacuteis para a induacutestria
automobiliacutestica e produtos para a induacutestria de eletro-eletrocircnico etc
Suas caracteriacutesticas marcantes satildeo rigidez semelhante ao vidro alta resistecircncia
quiacutemica baixa resistecircncia a solventes orgacircnicos baixa resistecircncia a intempeacuteries boa
condiccedilatildeo de isolamento teacutermico e eleacutetrico relevante sensibilidade agrave luz incolor e
transparente [21] Frente ao calor eacute classificado como termoplaacutestico de uso geral Trata-se
de um poliacutemero de baixo custo e de faacutecil aquisiccedilatildeo No Brasil os principais fabricantes satildeo
a BASF do Brasil que produz o PS com o nome comercial de Plystirol e a Monsanto do
Brasil que o fabrica com o nome comercial de Lustrex Possui temperatura de fusatildeo
cristalina (Tm) 235 degC e temperatura de transiccedilatildeo viacutetrea (Tg) de 100 degC [20]
242 ndash Poli metacrilato de metila (PMAM)
Eacute um poliacutemero amorfo linear sua siacutentese eacute por adiccedilatildeo e requer um centro ativo
como iniciador Possui caracteriacutesticas oacutepticas e mecacircnicas resistentes aos aacutecidos orgacircnicos
[21 22] A representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica pode ser vista na figura 210
16
Figura 2 10 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PMMA (C5O2H8)n
Tambeacutem conhecido como plaacutestico acriacutelico esse termoplaacutestico eacute um poliacutemero
sinteacutetico de origem petroquiacutemica assim como o PS cujas principais caracteriacutesticas satildeo
transparecircncia boa resistecircncia quiacutemica resistente a impactos e a intempeacuteries
Eacute um poliacutemero considerado de baixo custo e de faacutecil aquisiccedilatildeo No Brasil
destacam-se como fabricantes a CP Bahia e a Rohm amp Haas que produzem
respectivamente o Acrigel e o Acryloid
O PMAM eacute usado em placas para sinalizaccedilatildeo de traacutefego em estradas nas induacutestrias
automobiliacutesticas de aviaccedilatildeo e na construccedilatildeo civil Eacute vastamente empregado na fabricaccedilatildeo
de fibras oacutepticas e em eletro-eletrocircnicos aleacutem disso o PMAM tem sido utilizado na
ortopedia desde sua siacutentese Pesquisa na aacuterea da eletrocircnica orgacircnica estaacute sendo
desenvolvida [2223] e tambeacutem na aacuterea da medicina como na esteacutetica e em outras
aplicaccedilotildees na aacuterea da sauacutede [2425]
Possui temperatura de fusatildeo cristalina (Tm) 160 degC e temperatura de transiccedilatildeo viacutetrea
(Tg) de 105 degC[20]
243 ndash Poli(34-Etileno Dioxitiofeno)Poli(Estireno-Sulfonato) (PEDOTPSS)
As pesquisas sobre poliacutemeros condutores tecircm atraiacutedo cientistas e grandes empresas
Ao longo desta deacutecada grandes descobertas foram realizadas em relaccedilatildeo aos poliacutemeros
condutores [26]
Cientistas da Bayer AG [27 28] contribuiacuteram para o desenvolvimento do Poli (34-
etileno dioxitiofeno) (PEDOT) que apresenta propriedades e caracteriacutesticas interessantes
mesmo em seu estado dopado A cadeia principal estaacute representada na figura 211
17
Figura 2 11 ndash Representaccedilatildeo da cadeia principal do PEDOT [28]
O PEDOT possui alta condutividade contudo natildeo eacute soluacutevel em aacutegua Para tornaacute-lo
soluacutevel foi adicionado o poli (estireno sulfonado) (PSS) assim as altas taxas de
condutividade foram perdidas no processo de dopagem Apesar disto a combinaccedilatildeo do
PEDOTPSS ilustrado na figura 212 resultou em um poliacutemero com caracteriacutesticas e
condiccedilotildees favoraacuteveis tornando simples a deposiccedilatildeo dos filmes
O PEDOTPSS eacute apresentado em soluccedilatildeo azul escuro e possui condutividade
maacutexima de 10 S cm (depende da espessura e do processo de confecccedilatildeo do filme) Mostra
alta taxa de absorccedilatildeo luminosa entre 900 nm e 2000 nm [28]
Figura 2 12 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica da interaccedilatildeo entre o PEDOT e PSS [28]
O PEDOTPSS eacute um exemplo de poliacutemero condutor comercial que atraiu usuaacuterios e
pesquisadores em vaacuterios paiacuteses Atualmente existem vaacuterios estudos de dispositivos
orgacircnicos para aplicaccedilotildees em ceacutelulas solares que utilizam o PEDOTPSS [30-32] Seu uso
18
em pesquisas se estende a outros dispositivos orgacircnicos como OLEDs sensores
transistores etc [32 33]
244 ndash Poli (3-hexiltiofeno) (P3HT)
O P3HT eacute um poliacutemero sinteacutetico semicondutor tipo p fabricado e comercializado
pela Aldrichreg possui alto peso molecular Sua estrutura com grades reacutegio-regulares
favorece os estudos para aplicaccedilotildees em ceacutelulas fotovoltaicas orgacircnicas (OPV) Possui
propriedades fotoluminescentes na faixa de comprimento de onda 450 nm e 575 nm [34]
Tambeacutem pode ser combinado com outro tipo de poliacutemeros para aplicaccedilotildees em ceacutelulas
solares [35-37] O transporte de cargas majoritaacuterio eacute de lacunas
A Soluccedilatildeo do P3HT pode ser solubilizada em clorofoacutermio (CHCL3) Aleacutem deste
solvente o P3HT pode ser diluiacutedo em tolueno (C7H8) tri-cloro-benzeno cloro-benzeno e
xyleno soluacutevel A estrutura quiacutemica pode ser vista na figura 213
Figura 2 13 ndash Estrutura quiacutemica do P3HT (C10H18S)n
245 ndash Oacuteleo de Buriti (Mauritia Flexuosa L) ndash OB
A palmeira do buriti (Mauritia flexuosa L) aparece em regiotildees de vaacuterzea e brejo e eacute
comumente encontrada na regiatildeo da Amazocircnia A figura 214 ilustra a foto da palmeira do
buritizeiro Tanto as palmeiras como os frutos satildeo muito utilizados pelas pessoas que
moram nas regiotildees ribeirinhas por exemplo para fazer coberturas de casas com as folhas
ou para extrair a polpa dos frutos para o uso na alimentaccedilatildeo
19
Figura 2 14 ndash Foto da palmeira do Buriti (Mauritia Flexuosa) conhecida como Buritizeiro
[21]
A palmeira do buritizeiro costuma ter altura de ateacute cinquumlenta metros A meacutedia de
frutos colhidos em todos os cachos varia de quinhentos a oitocentos frutos O fruto do
buriti apresenta forma arredondada e eliacuteptica mede aproximadamente de quatro a seis
centiacutemetros de diacircmetro com peso variando entre vinte e cinco a quarenta gramas A
figura 215 ilustra o fruto do buritizeiro tambeacutem pode ser observada a cor amarelada da
polpa
Figura 2 15 ndash Ilustraccedilatildeo dos frutos maduros do Buriti (a) aspecto da casca (b) polpa de
cor amarelada [21]
Estudos desenvolvidos por Moreira et al [38- 40] mostram propriedades oacutepticas de
absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica na faixa do ultravioleta e do visiacutevel solar (UV-VIS)
20
Duratildees et al [39] estudando as soluccedilotildees do OB diluiacuteda em clorofoacutermio observaram
grau de absorccedilatildeo de radiaccedilatildeo UV-VIS na faixa de 245 248 e 276 nm Tambeacutem foram
avaliadas a incorporaccedilatildeo do OB em matrizes de PMAM e PS que apresentaram niacuteveis de
absorccedilatildeo em comprimentos de onda maiores do que 276 nm
A figura 216 mostra os espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo ultravioleta (UV) dos
filmes de PS e PS com OB nas proporccedilotildees estudadas Observa-se nesses espectros que o
filme de PS sem o OB apresenta absorccedilatildeo insignificante nessa regiatildeo do espectro
eletromagneacutetico Esse material mostra uma pequena banda de absorccedilatildeo entre 250 nm Nos
espectros do material polimeacuterico misturado com OB percebe-se um aumento da absorccedilatildeo
da radiaccedilatildeo como consequumlecircncia do aumento do teor de OB nas amostras Esta absorccedilatildeo eacute
indicada por uma banda larga e intensa entre 275 nm e 375 nm que se desloca para
comprimentos de onda maiores agrave medida que a concentraccedilatildeo do oacuteleo aumenta nos
materiais compostos [40]
Figura 2 16 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PS puro e PSOB [40]
A figura 217 mostra os espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes de
PMAM puro e PMAM OB nas proporccedilotildees estudadas O estudo de espectroscopia por
absorccedilatildeo na regiatildeo do UV mostrou que o OB proporcionou uma elevaccedilatildeo de ateacute 400 na
absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo pelo PMAM misturado com OB Este aumento ocorreu regularmente
21
com o teor do dopante exceto para o material com maior percentual do oacuteleo onde
provavelmente a sua maior quantidade tenha dificultado a incorporaccedilatildeo no PMAM
Como consequumlecircncia da incorporaccedilatildeo do OB na matriz de PMAM foi observada
uma banda larga de absorccedilatildeo entre 260 nm e 380 nm que sofreu deslocamento para
comprimentos de onda maiores acompanhando o aumento no teor de oacuteleo das amostras
Nota-se portanto que o comportamento das amostras de PMAM OB eacute semelhante ao dos
materiais PS OB com exceccedilatildeo da inversatildeo de absorccedilatildeo dos filmes feitos com percentuais
do OB de 3455 e 4681 nos filmes de PMAM
Figura 2 17 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PMAM puro e PMAM
OB [40]
22
Capiacutetulo III
Procedimentos Experimentais e
Resultados
23
3 ndash PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS
31 ndash MATERIAIS
Escolheu-se trabalhar com substrato de vidro por que eacute transparente fornece
sustentaccedilatildeo mecacircnica natildeo se degrada com o calor permite a entrada de luz no dispositivo
e possui uma camada condutora com resistecircncia relativamente baixa As resistecircncias das
lacircminas foram medidas com multiacutemetro digital comum e apresentaram um valor em torno
de 41-70 Ω A resistecircncia desses substratos muda de acordo com o processo de
deposiccedilatildeo dos filmes de FTO [41 42] Tambeacutem foram usados substratos flexiacuteveis de
plaacutestico (PET) no tamanho de 2 cm x 3 cm
Os poliacutemeros condutores usados foram o PEDOTPSS e o P3HT Usou-se o PEDOT
PSS para fazer um dos eletrodos O P3HT foi usado misturado com o oacuteleo de buriti para
fazer um tipo de camada ativa Trabalhou-se com misturas de poliacutemeros isolantes PS e
PMAM com OB preparadas no Laboratoacuterio de Poliacutemeros do Instituto de Quiacutemica da UnB
Usou-se misturas com concentraccedilotildees de 8 e 47 de OB na matriz de PS e misturas com
35 de OB na matriz de PMAM conforme descrito por JR Duratildees em [40]
Para fazer o eletrodo superior usou-se a tinta condutora de prata marca INK
SILVER (tinta 100 prata) com pureza da prata 99 e tamanho da partiacutecula de prata 05
a 70 m dissolvidas em solvente e um verniz de alta aderecircncia (NOS002) Em algumas
amostras usou-se tambeacutem o grafite de um laacutepis HB
32 ndash EQUIPAMENTOS UTILIZADOS
321 ndash Multiacutemetros
Para fazer as medidas eleacutetricas diretas de ISC empregou-se o uso do multiacutemetro
analoacutegico ET-3021 porque possuiacutea escala de ateacute micro ampeacutere Para as medidas diretas de
resistecircncia seacuterie e de VOC usou-se o multiacutemetro digital modelo ET-2042C
322 ndash Spin coater
Os filmes finos foram preparados utilizando um conjunto de equipamento que
compotildee o spin coater (Laureal modelo WS- 400B-6NPPLITE) do Laboratoacuterio de
Dispositivo e Circuitos Integrados da UnB (LDCI) mostrado na figura 31
24
Figura 3 1 ndash (a)bomba de vaacutecuo (b) compressor de ar comprimido (c) vaacutelvula de
controle e (d) spin coater
O equipamento de spin coater consiste em um conjunto composto de bomba de
vaacutecuo compressor de ar comprimido regulador de pressatildeo e o spin coater que possui
compartimento feito de teflon Acoplado ao spin coater haacute um display de cristal liquido
(LCD) para visualizaccedilatildeo dos programas realizados
Tem-se ateacute 20 programas de processamentos (A ateacute T) contendo ateacute 51 etapas cada
um que podem ser armazenados definitivamente na memoacuteria caso haja possibilidade de
modificar o programa posteriormente Cada etapa do programa inclui tempo total de
duraccedilatildeo da deposiccedilatildeo velocidade de rotaccedilatildeo do substrato em rpm e
aceleraccedilatildeodesaceleraccedilatildeo Satildeo possiacuteveis rotaccedilotildees de ateacute 11000 rpm
Na figura 32 haacute uma foto mostrando a lateral e parte da frente do compartimento
onde o substrato eacute colocado no momento da centrifugaccedilatildeo Ao lado do spin coater pode ser
visualizado o display de LCD programaacutevel acoplado
25
Figura 3 2 ndash Equipamento de spin coater instalado no laboratoacuterio LDCI vista lateral e
frontal
323 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores (Curva IndashV)
As curvas IndashV das amostras foram obtidas com um sistema de caracterizaccedilatildeo de
semicondutores Keithley modelo 2400 mostrado na figura 33 o qual permite aplicar
tensotildees entre 1 μV e 1100 V e medir a corrente entre 10 pA e 105 A
Figura 3 3 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores Keithley 2400 laboratoacuterio
LDCI
26
Todo o processo de medidas eacute controlado atraveacutes de um microcomputador que eacute
conectado aos equipamentos atraveacutes de uma interface paralela (General Purpose Interface
Bus (GPIB) que controla os equipamentos coleta e armazena os dados O programa usado
para este fim eacute o software LABVIEW 61
324 ndash Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM)
A caracterizaccedilatildeo morfoloacutegica dos filmes das camadas ativas foi obtida em um
equipamento de medidas de microscopia de forccedila atocircmica AFM marca VEECO DInnova
(figura 34) com ponteira de nitrato de siliacutecio (forma em V) com constante de mola de
058 Nm Todas as imagens foram obtidas em modo contato (512 x 512 pixel) e taxa de
varredura de 1 Hz
Figura 3 4 ndash Vista frontal do AFM marca VEECO Innova
27
Os filmes caracterizados por AFM consistiram em camadas ativas feitas com
soluccedilotildees de PS puro PSOB 47 PMAM puro PMAMOB 35 P3HTOB puro e
P3HT PS OB 47 depositadas sobre substrato de vidro recoberto com FTO por spin
coating e com rotaccedilatildeo de 7000 rpm por 40 segundos
33 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS I
331 ndash Experimentos Etapa 1
Nesta etapa utilizou-se a metodologia adaptada a partir da descriccedilatildeo da montagem da
ceacutelula solar de Graumltzel [43] Essa ceacutelula eacute tambeacutem conhecida como ceacutelula solar de corante
Nessa ceacutelula a geraccedilatildeo de energia eacute produzida por um efeito eletroquiacutemico [44] Para cada
amostra foram usadas duas lacircminas de vidro tamanho 1 cm x 25 cm recoberto com FTO
Os substratos foram utilizados conforme retirados das embalagens ou seja natildeo passaram
por nenhum tipo de limpeza
3311 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo dos eletrodos
Para um dos eletrodos usou-se o grafite que foi obtido a partir de um laacutepis para
desenho HB No lado do substrato contendo o FTO pintou-se a lacircmina com o laacutepis Para o
outro eletrodo foi usado uma soluccedilatildeo PEDOT PSS As amostras foram confeccionadas
manualmente e as deposiccedilotildees foram feitas com pincel comum A soluccedilatildeo de PEDOT PSS
ficou agitando durante 2 horas antes da deposiccedilatildeo sobre o substrato a fim de obter-se uma
soluccedilatildeo mais homogecircnea Devido o filme de PEDOTPSS ser espesso o processo de
secagem a temperatura ambiente foi demorado Assim apoacutes a pintura se fez necessaacuterio a
secagem das amostras na estufa durante 8 horas a 80 ordmC e para concluir o processo
ficaram em temperatura ambiente por mais 24 horas
3312 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo da camada ativa
Antes de fazer a deposiccedilatildeo do filme da camada ativa de PSOB 8 a mistura foi
agitada durante 30 minutos com intuito de obter-se uma dissoluccedilatildeo completa da soluccedilatildeo
28
Sobre o eletrodo de PEDOTPSS foi depositada por casting uma quantidade da soluccedilatildeo de
PSOB 8
3313 ndash Formaccedilatildeo do dispositivo
Para formar o dispositivo as duas lacircminas de vidro foram juntadas uma com
grafite e a outra com PEDOTPSS e a camada ativa de PSOB 8 As duas foram juntadas
antes que a camada ativa estivesse seca de modo a ajudar na colagem das mesmas Para
garantir a uniatildeo fiacutesica das lacircminas foi usado um clipe conforme mostrado na figura 35 A
aacuterea ativa eacute da ordem de 1 cm2
Figura 3 5 ndash Amostras confeccionadas com duas lacircminas de substrato de vidro
recoberto com FTO baseada no modelo de Graumltzel
3314 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
A fonte de iluminaccedilatildeo utilizada na caracterizaccedilatildeo dos dados experimentais e
resultados I consistiu em uma lacircmpada incandescente comum de 100 W ligada em seacuterie
com um varivolt de 240 volts
Foram feitas quatro amostras (CS1 CS2 CS3 e CS4) da forma como descrito
acima As medidas eleacutetricas foram tomadas usando-se dois multiacutemetros um digital e outro
analoacutegico As amostras foram iluminadas com a lacircmpada incandescente de 100 W e foram
observados valores de ISC e VOC nos multiacutemetros a partir de uma tensatildeo de 240 volts na
lacircmpada Todas as amostras ficaram expostas durante aproximadamente 5 minutos Os
valores de ISC e VOC obtidos satildeo mostrados na tabela 31
29
Tabela 3 1 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W) Tensatildeo da
lacircmpada
CS1 mdash mdash mdash 240
CS2 03 09 027 240
CS3 06 05 030 240
CS4 02 01 020 240
3315 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Pode-se observar o aparecimento de VOC e tambeacutem de ISC em trecircs das amostras
confeccionadas com tensatildeo de alimentaccedilatildeo na fonte de iluminaccedilatildeo de 240 volts Os
valores de VOC e ISC satildeo um pouco diferentes entre as trecircs amostras apesar de elas terem
sido confeccionadas seguindo os mesmos procedimentos Isto pode ter sido devido agrave
dificuldade em se controlar a espessura das camadas ativas Os resultados obtidos para VOC
e ISC satildeo menores do que os reportados na literatura [4344] Contudo os materiais usados
satildeo diferentes dos relatados na literatura Neste dispositivo o OB estaacute se comportando
como um corante e promovendo o processo eletroquiacutemico de transformaccedilatildeo de energia
luminosa em energia eleacutetrica Assim uma mudanccedila na concentraccedilatildeo de oacuteleo poderaacute
modificar os resultados obtidos ateacute aqui
332 ndash Experimentos Etapa 2
3321 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras
Na segunda etapa foram confeccionadas quatro amostras (CS5 CS6 CS7 e CS8)
utilizando a mesma metodologia do experimento da Etapa 1 mudando apenas a
concentraccedilatildeo do OB de 8 para 47 No lugar do clipe para unir as duas lacircminas usou-se
fita adesiva
3322 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
As medidas das amostras foram realizadas usando os mesmos equipamentos jaacute
citados e descritos anteriormente Duas destas amostras natildeo tiveram medidas de ISC nem
30
VOC Para as demais soacute foram observadas medidas de VOC e ISC apoacutes a tensatildeo da lacircmpada
atingir 200 volts Todas as amostras ficaram expostas durante 5 minutos Os valores de ISC
e VOC obtidos satildeo mostrados na tabela 32
Tabela 3 2 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W) Tensatildeo da
lacircmpada
CS5 ndash ndash ndash 240
CS6 18 09 162 240
CS7 ndash ndash 240
CS8 09 03 027 240
3323 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Os valores de VOC e ISC obtidos nesta etapa satildeo maiores que os obtidos na Etapa1
Isto pode estar relacionado ao efeito corante do OB Nesta etapa mudou-se a concentraccedilatildeo
de 8 de OB para 47 de OB esse paracircmetro foi o uacutenico a ser mudado entre as duas
etapas Estas amostras bem como as da Etapa 1 natildeo puderam ter seus valores de VOC e ISC
medidos novamente porque as amostras descolavam os eletrodos danificando os
dispositivos Assim estas estruturas natildeo foram repetidas
333 ndash Experimentos Etapa 3
Nesta etapa mudou-se o tipo de substrato e a configuraccedilatildeo das amostras A
configuraccedilatildeo de construccedilatildeo baseada na estrutura dos dispositivos desenvolvidos por
Graumltzel natildeo foi mais usada O substrato de vidro foi substituiacutedo por um substrato de
plaacutestico de Poli (Tereftalato de Etila) (PET) a fim de desenvolver amostras flexiacuteveis e de
menor custo As camadas ativas tiveram a concentraccedilatildeo do OB de 47 O substrato de
PET foi limpo com clorofoacutermio acetona e aacutegua deionizada Apoacutes o processo de limpeza os
substratos foram secos a temperatura ambiente por 2 horas Para substituir a camada
condutora de FTO e construir um dos eletrodos utilizou-se leit-C e leit-C diluente
adquirido da FLUKA esses dois elementos produzem a pasta de carbono O PEDOTPSS
31
foi utilizado para formar um filme sobre o eletrodo de carbono E por uacuteltimo foi usada a
Ag para fazer o eletrodo superior
3331 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras
Com o substrato recortado no tamanho de 2 cm x 3 cm inicia-se o processo de
limpeza As folhas de PET foram imersas em clorofoacutermio durante 30 minutos em soluccedilatildeo
de acetona por mais 30 minutos e por ultimo foram enxaguadas com aacutegua deionizada O
processo de secagem foi realizado em temperatura ambiente dentro da estufa
A pasta de carbono foi preparada para ser o eletrodo inferior Essa foi espalhada
manualmente com ajuda de uma espaacutetula sobre toda a folha do PET Com o substrato
preparado e tendo a superfiacutecie recoberta com um filme de carbono jaacute seco a soluccedilatildeo de
PEDOT PSS foi pintada sobre o filme de carbono com um pincel de cerdas macias
comum Antes da deposiccedilatildeo a soluccedilatildeo de PEDOT PSS foi agitada durante 2 horas
Apoacutes a pintura do filme de PEDOTPSS as amostras foram colocadas na estufa agrave
temperatura de 50 degC durante 8 horas e permaneceram por mais 24 horas em temperatura
ambiente dentro da estufa A camada ativa foi depositada usando uma pipeta contendo 001
uL de PSOB 47 Para formar o contato inferior uma pequena parte do filme de
PEDOTPSS foi deixado visiacutevel
Apoacutes a deposiccedilatildeo da camada ativa as amostras ficaram em temperatura ambiente
por 24 horas para concluir o processo de secagem O eletrodo superior foi pintado com
tinta de Ag sobre uma pequena aacuterea da camada ativa A secagem do eletrodo superior foi
em temperatura ambiente A aacuterea ativa destas amostras eacute da ordem de 05 cm2 A figura 36
a) mostra o esquema final da amostra e a figura 36 b) uma foto do dispositivo finalizado
Figura 3 6 ndash (a) Esquema da amostra confeccionada no substrato flexiacutevel de plaacutestico
(PET) (b) foto do substrato finalizado
32
3332 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
Nesta etapa foram confeccionadas cinco amostras chamadas de P1 P2 P3 P4 e
P5 As medidas eleacutetricas foram realizadas usando os equipamentos jaacute descritos nas etapas
anteriores Os valores de VOC e ISC foram medidos apoacutes a tensatildeo da lacircmpada atingir 200
volts Todas as amostras ficaram expostas sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada durante cinco
minutos As amostras tiveram as resistecircncias medidas Pois os substratos utilizados aqui
eram isolantes e o filme condutor foi construiacutedo manualmente As resistecircncias das
amostras satildeo mostradas na tabela 33 juntamente com os valores de ISC VOC e potecircncia
calculada
Todas as amostras apresentaram valores de VOC e ISC para tensatildeo de iluminaccedilatildeo da
lacircmpada acima de 220 volts exceto a amostra P4 A amostra P4 mostrou valores
mensuraacuteveis de VOC e ISC a partir de iluminaccedilatildeo da lacircmpada com tensatildeo de 110 volts Os
valores desta variaccedilatildeo satildeo mostrados na tabela 34
Tabela 3 3 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (W) Tensatildeo da
Lacircmpada
Resistecircncia
Ohms
P1 ndash ndash ndash 240 540
P2 09 01 09 240 890
P3 15 07 105 240 550
P4 09 06 054 240 1500
2000 P5 24 09 216 240
Tabela 3 4 ndash Valores medidos de VOC e ISC com iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W para variaccedilatildeo de iluminaccedilatildeo para a amostra P4
Variaccedilatildeo das tensotildees VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W)
110 04 01 04
160 06 02 012
220 07 03 021
240 09 06 054
33
3333 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Na tabela 33 natildeo foi observada nenhuma ligaccedilatildeo direta dos valores de ISC e VOC
com as resistecircncias medidas das amostras Em relaccedilatildeo agraves amostras feitas nas Etapas 1 e 2
pode-se notar valores de ISC e VOC maiores
Foi observado que em todas as amostras confeccionadas no substrato de PET apoacutes
alguns minutos de aquecimento pela fonte de luz (lacircmpada de 100 w) as amostras se
deformavam Agrave medida que os testes eram repetidos as amostras se retorciam e em
algumas amostras os filmes ressecaram e se soltaram dos substratos Apesar destes
comportamentos ao se repetir os testes os valores de VOC e ISC permaneciam inalterados
para as amostras que os filmes natildeo estavam completamente rompidos A figura 37
apresenta a foto de uma amostra apoacutes ser submetida agrave fonte iluminaccedilatildeo de lacircmpada
incandescente de 100 W por 20 minutos Devido aacute sua deformaccedilatildeo e degradaccedilatildeo com o
calor este tipo de substrato foi descartada
Figura 3 7 ndash Amostra feita com substrato de PET apoacutes ser submetidos agrave fonte de lacircmpada
incandescente de 100 W por 20 minutos
334 ndash Experimentos Etapa 4
Devido ao retorcimento e agrave deterioraccedilatildeo das amostras confeccionadas com
substrato de PET nesta etapa voltou-se a utilizar o substrato de vidro recoberto com FTO
A prata foi usada para construir o eletrodo superior das amostras Para a camada ativa
continuou-se com uso do PSOB 47 Seguindo o mesmo esquema utilizado anteriormente
34
para confecccedilatildeo das amostras de PET mudou-se apenas o substrato O esquema do
dispositivo pode ser visto na figura 38
3341 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras
As resistecircncias dos substratos de vidro de 1 cm x 25 cm estatildeo entre 89 a 115 Ω
Os substratos foram limpos com clorofoacutermio acetona e aacutegua deionizada
Apoacutes o processo de limpeza todos os substratos foram secos a temperatura
ambiente por 2 horas
O eletrodo de PEDOTPSS foi pintado sobre o filme de FTO do substrato Em
seguida as amostras foram colocadas na estufa a 80 degC durante 24 horas
Apoacutes a secagem da camada de PEDOTPSS foi realizada a deposiccedilatildeo da camada
ativa com o auxilio de uma pipeta contendo 001 ml de soluccedilatildeo de PSOB 47 O
processo de secagem foi em temperatura ambiente por 24 horas
Por uacuteltimo foi feito o contato superior de tinta de Ag sobre a camada ativa de PS
OB 47 utilizando um pincel fino de cerdas comuns A aacuterea ativa foi estimada e ficou em
torno de 025 cm2 A figura 38 a) mostra o esquema que foi usado para confeccionar as
amostras e a figura 38 b) ilustra a amostra finalizada
Figura 3 8 ndash (a) Esquema da amostra para substrato de vidro recoberto com FTO (b) foto
da amostra finalizada
3342 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
Nesta etapa foram confeccionadas 10 amostras que foram nomeadas de v1 v2 v3
v4 v5 v6 v7 v8 v9 e v10 A tabela 35 mostra os valores daquelas que apresentaram
melhores desempenhos de VOC e ISC As medidas eleacutetricas foram realizadas usando os
equipamentos jaacute descritos nas etapas anteriores As medidas obtidas satildeo inferiores agravequelas
jaacute conseguidas nos itens anteriores Valores de VOC e ISC significativos ocorreram apoacutes a
tensatildeo da lacircmpada atingir 220 volts Todas as amostras ficaram expostas sob a luz da
lacircmpada durante 10 minutos As amostras foram iluminadas atraveacutes do vidroFTO
35
Tabela 3 5 ndash Valores de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo de lacircmpada incandescente de 100 W
durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W) Tensatildeo lacircmpada
v3 06 02 012 240
v5 05 01 050 240
v7 11 09 099 240
3343 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Apesar das amostras terem sido feitas seguindo os mesmos procedimentos os
valores de VOC e ISC obtidos satildeo diferentes Isto pode ter ocorrido devido agraves diferenccedilas nas
espessuras das camadas ativas que natildeo puderam ser controladas e tambeacutem no tamanho das
aacutereas ativas que podem ser levemente diferentes Aqui natildeo se pode falar em comparaccedilatildeo
com as outras amostras feitas anteriormente porque a aacuterea da camada ativa foi bastante
reduzida e as estruturas satildeo diferenciadas Desta forma os valores obtidos mesmo
menores ainda satildeo vaacutelidos
34 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS II
341 ndash Misturas usando P3HT
Nesta etapa foi proposto um estudo sobre diferentes misturas para a construccedilatildeo das
camadas ativas sempre incorporando o uso do OB Tipos de camadas ativas utilizadas
PSOB 47 P3HT+OB puro e PSOB 47 + P3HT
Para os trecircs tipos de dispositivos aqui investigados foi usado substrato de vidro
recoberto com FTO sobre o qual foi depositado por spin coating um filme de
PEDOTPSS que serviu como eletrodo inferior As camadas ativas foram depositadas
sobre o eletrodo de PEDOTPSS usando a teacutecnica de spin coating O eletrodo superior foi
pintado com tinta condutiva de Ag A figura 38 mostra o esquema do dispositivo que foi
utilizado para a confecccedilatildeo destas amostras
Para as medidas diretas de VOC e ISC foram usados dois tipos de iluminaccedilatildeo
artificial com lacircmpada de mercuacuterio Spektrallamp 80 W e iluminaccedilatildeo natural solar
36
342 ndash Experimentos Etapa 1
Nas etapas anteriores os filmes das amostras foram produzidos manualmente por
casting mas os resultados obtidos nas medidas iniciais natildeo foram satisfatoacuterios A fim de
buscar melhores resultados e tendo jaacute disponiacutevel no laboratoacuterio o equipamento de spin
coater para produzir filmes mais finos e homogecircneos a metodologia de confecccedilatildeo dos
filmes foi mudada Os filmes finos foram preparados em rotaccedilotildees variadas a fim de se
obter um filme adequado
3421 ndash Preparaccedilatildeo dos filmes por spin coater
Para preparar o primeiro grupo de amostras usaram-se substratos de vidro
recobertos com FTO Todos os substratos foram lavados em aacutegua deionizada e colocados
em estufa a 80degC para secar Para fazer o filme de PEDOTPSS inicialmente foi usada
rotaccedilatildeo de 500 rpm durante 25 segundos para espalhar a soluccedilatildeo uniformemente em todo
o substrato em seguida usou-se uma rotaccedilatildeo de 3000 rpm durante 40 segundos para
finalizar a confecccedilatildeo do filme
O filme de PEDOTPSS obtido dessa forma ficou bastante fino de modo que a
amostra saia do spin coater quase seca A fim de eliminar-se qualquer vestiacutegio do
solvente que no caso do PEDOT PSS usou-se agrave aacutegua as amostras foram colocadas na
estufa em temperatura de 50 degC por 1 hora Antes de depositar a camada ativa uma parte
do filme de PEDOTPSS foi protegido com fita onde foi construiacutedo o eletrodo inferior
Foram preparados trecircs tipos de soluccedilotildees para formar a camada ativa A primeira foi
uma soluccedilatildeo jaacute preparada de PS OB 47 no LABPOL do instituto de Quiacutemica UnB [41]
A segunda uma mistura de PS OB 47 mais o P3HT na proporccedilatildeo de 11 e a terceira foi
uma soluccedilatildeo de 1 ml de P3HT com 001 ml de OB puro As trecircs soluccedilotildees foram agitadas
durante 2 horas antes de serem depositadas por spin coating Os filmes da camada ativa
foram feitos com rotaccedilatildeo de 4000 rpm durante 40 segundos
Como o clorofoacutermio eacute um solvente que tem evaporaccedilatildeo raacutepida a deposiccedilatildeo da
camada ativa foi feita com o substrato jaacute girando no spin coater A deposiccedilatildeo foi realizada
com ajuda de uma pipeta As secagens das camadas ativas foram em temperatura ambiente
dentro da estufa para proteger as amostras de impurezas tais como poeira e contaminaccedilotildees
em geral
37
Por fim foi pintado no topo das amostras o eletrodo de Ag Foram construiacutedas duas
geometrias para se observar a influecircncia na quantidade de cargas coletadas e tambeacutem a
influecircncia do tamanho da aacuterea ativa As geometrias satildeo mostradas nas figuras 39 (a) e 39
(b)
Figura 3 9 ndash (a) Geometria do eletrodo de Ag confeccionado em forma de ponto e (b)
geometria do eletrodo de Ag feito em forma de trilhas
3422 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W
A fonte de iluminaccedilatildeo utilizada na caracterizaccedilatildeo dos dados experimentais e
resultados II consistiu em uma lacircmpada Hg spektrallamp de 80 W ligada a uma fonte de
alimentaccedilatildeo DROSSEL FUumlR SPEKTRALLAMP POWER SUPPLY FOR SPECTRAL
LAMPS
As medidas eleacutetricas das amostras foram realizadas usando os mesmos
equipamentos jaacute citados nos dados experimentais e resultados I
Cada amostra ficou exposta agrave radiaccedilatildeo direta da lacircmpada de Hg aproximadamente
por 5 minutos Para estas medidas natildeo foram considerados interferecircncia acircngulo de
inclinaccedilatildeo da amostra ou da lacircmpada Os valores de VOC e ISC obtidos para os dois tipos de
contatos para as geometrias desenhadas em forma de ponto e em trilha satildeo mostrados nas
tabelas 36 e 37 respectivamente
38
Tabela 3 6 ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito com um ponto de
prata Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PSOB 47 02 001 2
OB puroP3HT 06 002 12
PSOB 47P3HT 06 002 12
Tabela 3 7ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito de prata em forma de
trilhas com concentraccedilatildeo em um ponto Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PSOB 47 12 006 72
OB puroP3HT 11 005 55
PSOB 47P3HT 11 005 55
3423 ndash Caracterizaccedilatildeo com luz solar direta
As amostras com geometria de contato em forma de trilhas foram escolhidas para
serem caracterizadas pela luz solar direta Pois este grupo de amostra apresentou melhores
desempenhos quando submetidas agrave luz da lacircmpada espectral de Hg em relaccedilatildeo agraves amostras
confeccionadas com eletrodos em forma de ponto As medidas foram realizadas em dia de
sol intenso nos horaacuterios entre onze horas e doze horas Para realizar estas medidas foi
utilizada uma lente convergente [45] Isso foi feito para concentrar os raios solares sobre as
amostras Todas as amostras deste grupo ficaram expostas por aproximadamente 5 minutos
cada Os resultados satildeo mostrados na tabela 38
Tabela 3 8 ndash Resultados obtidos das medidas de VOC e ISC usando luz solar direta durante
5 minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PSOB 47 22 002 44
OB puroP3HT 18 002 36
PSOB 47P3HT 17 001 17
39
3423 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Para as amostras com contato de prata com a geometria desenhada em forma de
trilhas foram observados valores de VOC e ISC maiores do que aqueles com contato de
prata desenhado em forma de ponto Isto indica que realmente a geometria das trilhas
favorece a coleta das cargas geradas Neste caso tambeacutem existe uma aacuterea ativa maior o
que contribuiu para uma maior absorccedilatildeo da luz e consequumlentemente um aumento na
quantidade de cargas
As amostras com a camada ativa de PSOB 47 mostraram VOC e ISC superiores agraves
outras que continham a mistura do P3HT em sua camada ativa
Quando as amostras foram submetidas agrave luz solar direta houve um aumento
significativo de VOC contudo tivemos valores de ISC reduzidos em relaccedilatildeo aos valores
obtidos com a iluminaccedilatildeo da lacircmpada Hg Isto pode ser devido ao calor gerado pelo sol
que promoveu um espalhamento das cargas Pode-se notar que a potecircncia fornecida
tambeacutem diminuiu quando a luz solar foi usada como fonte de luz para caracterizaccedilatildeo das
amostras
343 ndash Experimentos Etapa 2
Para fazer uma investigaccedilatildeo em funccedilatildeo da espessura da camada ativa foram
confeccionadas novas amostras Continuou-se o uso dos trecircs tipos de soluccedilotildees para as
camadas ativas PSOB 47 OB puro+P3HT e PSOB 47 +P3HT Com a teacutecnica de
spin coating quanto maior a velocidade de rotaccedilatildeo menores satildeo as espessuras dos filmes
Para se obter filmes com espessuras adequadas os seguintes paracircmetros devem ser
observados viscosidade da soluccedilatildeo velocidade de rotaccedilatildeo e tempo de rotaccedilatildeo
3431 ndash Preparando novas amostras
Nesta etapa utilizou-se apenas rotaccedilatildeo de 3000 rpm para confeccionar o filme de
PEDOTPSS A deposiccedilatildeo foi feita com o auxiacutelio de uma conta gotas sendo que para cada
filme foram usadas duas pequenas gotas (001ml) Essa quantidade de soluccedilatildeo foi
suficiente para conseguir um espalhamento satisfatoacuterio e obter um filme fino e uniforme
Depois da deposiccedilatildeo os substratos satildeo colocados na estufa a 100 degC durante 15 minutos
para concluir o processo de secagem
40
Os trecircs tipos de camadas ativas foram preparadas seguindo o procedimento citado
na etapa 1 dos dados experimentais e resultados II Para esse grupo de amostra foi usado
um programa para o espalhamento do filme da camada ativa com uma rotaccedilatildeo fixa de 6000
rpm durante 25 segundos
Para depositar a mistura da camada ativa usou-se uma pipeta com 01 ml de
soluccedilatildeo Primeiramente depositou-se a mistura e em seguida colocou-se o spin coater
para girar atraveacutes do programa de rotaccedilatildeo previamente programado Esse procedimento
garante a uniformidade do filme As amostras foram levadas para a estufa a 100 degC por 20
minutos
O eletrodo superior foi pintado agrave matildeo O esquema usado para a confecccedilatildeo dos
dispositivos e a foto de uma amostra satildeo mostrados na figura 310 As amostras foram
confeccionadas seguindo o esquema mostrado na figura 310 (b) Todas as amostras deste
grupo tiveram um desenho semelhante ao da foto da figura 310 (a) Pois existem
variaccedilotildees nas espessuras dos contatos de Ag pois foram feitos a matildeo livre e sem muito
controle Isso pode ser um problema pois este eleacutetrodo pode aumentar a resistecircncia da
amostra fazendo diminuir as correntes coletadas das cargas geradas pelo dispositivo
Figura 3 10 ndash (a) Foto da amostra (b) Estruturas das camadas dos dispositivos das
novas amostras
41
3431 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W
Usou-se para este grupo de amostras os mesmos procedimentos de caracterizaccedilotildees
para as medidas de o VOC e ISC descrito na etapa 1 dos dados experimentais e resultados II
Para cada medida as amostras ficaram expostas sob o feixe de luz da lacircmpada de Hg que
foi focalizada diretamente na aacuterea ativa por aproximadamente cinco minutos
A aacuterea ativa foi estimada em torno de 05 cmsup2 Foram confeccionadas nove
amostras e os valores de VOC e ISC das amostras que apresentaram melhores desempenhos
satildeo apresentadas na tabela 39
Tabela 3 9 ndash Medidas de VOC e ISC para amostras iluminadas pela lacircmpada Hg 80 W
aproximadamente cinco minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) P (nW)
PS OB 47 21 009 189
OBP3HT 18 002 36
PSOB 47P3HT 17 001 17
3433 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar direta
O mesmo grupo de amostras foi exposto sob luz solar direta em horaacuterio de sol
intenso entre onze horas e doze horas Todas as amostras tiveram um tempo de exposiccedilatildeo
de aproximadamente cinco minutos Os valores de VOC e ISC medidos podem ser vistos na
tabela 310 Nestes experimentos a lente convergente tambeacutem foi utilizada Poreacutem natildeo
foram observados acircngulos de incidecircncia e nem mudanccedila da irradiaccedilatildeo solar As medidas de
VOC e ISC foram realizadas em dia de sol forte e sempre no mesmo horaacuterio A figura 311
mostra como as medidas foram realizadas Para concentrar os raios solares usou-se uma
lente de aumento As medidas foram aferidas com uso de multiacutemetro digital descrito
anteriormente com cabos e garras de jacareacute comuns
42
Figura 3 11 ndash Ilustraccedilatildeo do experimento realizado com uma amostra tendo o contato
desenhado com a geometria em forma de trilhas camada ativa de PS OB 47
Para manter um padratildeo para todas as medidas a distacircncia entre a lente e a amostra
foram padronizadas a fim de que a intensidade de luz solar concentrada sobre cada
dispositivo fosse aproximadamente agrave mesma
Tabela 3 10 ndash Valores de VOC e ISC para amostras iluminada sob luz solar direta expostas
durante cinco minutos cada
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PS OB 47 62 009 558
OBP3HT 33 003 99
PSOB 47P3HT 25 002 50
3434 ndash Curva caracteriacutestica de corrente versus tensatildeo aplicada (IndashV)
A partir desta etapa as caracterizaccedilotildees eleacutetricas dos dispositivos tambeacutem foram
realizadas atraveacutes das medidas das curvas IndashV As medidas foram realizadas no escuro e
sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio Para estes experimentos foram usados os trecircs tipos de
camadas ativas jaacute mencionadas para confeccionar os dispositivos
Os experimentos das medidas foram realizados em sala com temperatura e pressatildeo
atmosferica ambiente e iluminaccedilatildeo de lacircmpadas comuns Tambeacutem foram realizados testes
43
usando a lacircmpada de Hg iluminando diretamente a parte superior da amostra Contudo
natildeo foram observadas mudanccedilas significativas nas medidas para este grupo de amostras
Figura 3 12 ndash Ilustraccedilatildeo da polarizaccedilatildeo direta para amostras com P3HT e gota de
PEDOTPSS para medidas das curvas (IndashV)
Para evitar que a agulha perfurasse o filme fino de PEDOTPSS e atingisse o filme
de FTO uma gota mais espessa de PEDOTPSS foi colocada sobre o filme no ponto onde
a agulha fazia o contato conforme mostra a figura 312
As amostras foram submetidas a uma tensatildeo que variou de um valor maacuteximo a um
valor miacutenimo com passo conhecido e constante de 002 Com os dados coletados nesse
experimento os graacuteficos de corrente versus tensatildeo aplicada foram gerados Este graacutefico eacute
conhecido como curva caracteriacutestica do dispositivo Os resultados obtidos satildeo mostrados
nas figuras 313 314 e 315 foram obtidas sob iluminaccedilatildeo comum do laboratorio LDCI
A figura 313 mostra a curva caracteriacutestica do dispositivo com a camada ativa de
PSOB 47 A iluminaccedilatildeo foi realizada com a lacircmpada do equipamento Keither 2400 e
iluminaccedilatildeo ambiente do laboratoacuterio LDCI (ambas satildeo luz branca) Para polarizaccedilatildeo direta
de -2 a 2 V foram observados valores de VOC de 09 volts enquanto que a corrente de 003
A foi negativa
A figura 314 mostra a curva IndashV para amostra com camada ativa usando
P3HT+OB puro Para essa amostra os valores de VOC = 002 V e ISC 0013 A foram
obtidos
A figura 315 mostra a curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PSOB
47 +P3HT Os valores de VOC = 11 V e ISC 00124 A foram observados neste graacutefico
44
Figura 3 13 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47 Corrente e
tensatildeo observadas 003 uA e 09 Volts respectivamente
Figura 3 14 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de OB puro + P3HT Corrente
e tensatildeo observadas 0013 uA e 002 Volts respectivamente
45
Figura 3 15 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47+P3HT
Corrente e tensatildeo observadas 0012 uA e 11 volts respectivamente
3435 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Aqui jaacute eacute possiacutevel notar um progresso nas medidas em relaccedilatildeo agraves amostras das
etapas anteriores que possuiacuteam camada ativa mais espessa Os valores de VOC e ISC obtidos
com o multiacutemetro digital foram maiores para os dois tipos de iluminaccedilotildees lacircmpada Hg e
luz solar Estes resultados podem ser observados nas tabelas 39 e 310 Os resultados
mostram que o comportamento das amostras com camada ativa de PSOB 47
apresentaram melhores resultados Nota-se que a potecircncia fornecida pelas amostras
iluminadas pela luz solar natural eacute significantemente maior que quando iluminadas pela
lacircmpada de Hg
Nas amostras confeccionadas com blenda de OB puro+P3HT e PSOB 47
+P3HT foram observados resultados semelhantes tanto para VOC quanto para ISC
As trecircs amostras apresentaram comportamento distinto sendo que a amostra com
camada ativa feita com o PSOB 47 o resultado eacute mais parecido com o efeito
fotovoltaico e por isso eacute mais relevante
46
Para as proacutexinas amostras natildeo seraacute mais empregado o uso do P3HT Pois como foi
mostrado nos resultados seu uso natildeo favoreceu melhoras nas medidas Apesar dos
resultados apresentados e conseguidos ateacute aqui serem pequenos ainda assim podem ser
considerados satisfatoacuterios e promissores Pois se trabalhou com materiais novos e estaacute
empregando poliacutemeros isolantes de baixo custo usando oacuteleo vegetal como dopante
Reforccedilando a motivaccedilatildeo para o uso destes materiais no desenvolvimento em dispositivos
fotovoltaicos orgacircnicos
35 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS III
351 ndash Experimentos Etapa 1
Nesta etapa as pesquisas foram centralizadas em misturas de poliacutemeros isolantes
dopados com OB Aleacutem da mistura do PS com OB estudado anteriormente tambeacutem foi
incorporado agrave pesquisa a mistura do PMAM com OB Estudos recentes de Duratildees et al [8]
sobre a absorccedilatildeo de luz destes materiais na faixa de ultravioleta e luz visiacutevel mostraram
que quando o OB eacute adicionado agraves matrizes de PS e de PMAM um aumento significante
na absorccedilatildeo da luz eacute observado
As amostras dos dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos consistiram em camada ativa
contendo PS puro PS com 47 OB PMAM puro e PMAM com 35 de OB
As amostras foram ensanduichadas entre dois eletrodos PEDOT PSS e Ag A
caracterizaccedilatildeo eleacutetrica para as medidas de VOC e ISC foi realizada com a iluminaccedilatildeo da
lacircmpada de Hg 80 W e luz solar As curvas IndashV foram mensuradas usando um sistema de
caracterizaccedilatildeo de semicondutores Keithey 2400
3511 ndash Confecccedilatildeo das amostras usando PS e PMAM 1ordm grupo
Os dispositivos foram preparados sobre um substrato de vidro recoberto com
camada de FTO a resistecircncia da lacircmina eacute de aproximadamente 41-60 Ω
Os filmes de PEDOT PSS foram confeccionados com rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante
25 segundos e secos em estufa a 80 degC por 15 minutos Apoacutes os filmes das camadas ativas
das amostras serem feitos usando rotaccedilatildeo de 5000 rpm por 40 segundos foram secos em
estufa a 100 Cdeg por 15 minutos
47
Por fim foi usada a tinta de Ag para fazer o eletrodo superior Esse eletrodo foi
pintado com pincel comum de cerdas finas O contato superior foi pintado em forma de
linhas sobre o filme da camada ativa conforme mostrado na Figura 310
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo usando lacircmpada de Hg 80 W
As mesmas formas descritas anteriormente de caracterizaccedilatildeo foram utilizadas aqui
para fazer as medidas de VOC e ISC Os resultados obtidos com iluminaccedilatildeo da lacircmpada de
Hg durante cinco minutos de exposiccedilatildeo para o 1ordm grupo de amostra satildeo mostrados na
tabela 311
Tabela 3 11 ndash Resultados das medidas de ISC e VOC das amostras do 1ordm grupo sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpada durante 05 minutos de exposiccedilatildeo
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W)
PS puro 02 000 00
PSOB 47 08 003 0024
PMAM puro 02 000 00
PMAMOB 35 06 002 0012
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar
Foram usados os mesmos procedimentos e instrumentos descritos anteriormente
para obter as medidas de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo de luz solar direta usando-se lentes
convergentes durante cinco minutos de exposiccedilatildeo A tabela 312 mostra os valores
obtidos
Tabela 3 12 ndash Resultados para ISC e VOC sob iluminaccedilatildeo luz solar por aproximadamente
05 minutos de exposiccedilatildeo
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W)
PS puro 11 001 0011
PSOB 47 39 006 0234
PMAM puro 09 002 0018
PMAMOB 35 27 004 0108
48
3512 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Como pode ser visto nas tabelas 311 e 312 os valores de VOC e ISC para as
amostras contendo PS puro e PMAM puro mostraram desempenhos inferiores que aquelas
com adiccedilatildeo do OB Nas caracterizaccedilotildees sob luz solar os desempenhos das amostras foram
superiores quando comparados com os valores obtidos sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada de Ag
Apesar da amostra com camada ativa da mistura de PMAMOB 35 ter mostrado valores
mais baixos quando comparados agrave amostras contendo camada ativa com a mistura de
PSOB 47 ela ainda tem valores superiores agravequeles mostrados quando a camada ativa
era composta por misturas de PSOB 47 +P3HT
352 ndash Experimentos Fase 2
3521 ndash Confecccedilatildeo das amostras do 2ordm grupo
Para o 2ordm grupo de amostras foram confeccionadas quinze unidades sendo que
foram reproduzidas mais de uma amostra para cada tipo de camada ativa Isto foi feito para
observar a reprodutibilidade das amostras e a repetibilidade das medidas As amostras
foram nomeadas de A5 a A19 Todas as amostras seguiram os mesmos criteacuterios de
confecccedilatildeo jaacute mencionados anteriormente Para este grupo foi usada uma rotaccedilatildeo maior no
spin coater
Para fazer o filme de PEDOTPSS foi usada uma rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante
trinta segundos Para a deposiccedilatildeo da camada ativa foi usada uma rotaccedilatildeo de 6000 rpm
durante sessenta segundos Neste caso as amostras foram secas em temperatura ambiente
Este conjunto de amostras deve possuir filmes mais finos que os filmes das amostras
anteriores devido ao aumento da rotaccedilatildeo do spin coater durante a deposiccedilatildeo
Para medir a aacuterea ativa com mais precisatildeo para este grupo de amostras os contatos
superiores de Ag foram desenhados em apenas um ponto A confecccedilatildeo dos dispositivos
seguiu a configuraccedilatildeo das camadas e a geometria do eletrodo de Ag conforme o esquema
mostrado na figura 316 O contato de prata foi pintado em forma de retacircngulo que
representa a aacuterea ativa e ficou em torno de 010cm2
49
Figura 3 16 ndash Estruturas das camadas e do contato de Ag dos dispositivos fotovoltaicos
orgacircnicos usado para o 2 ordm grupo de amostras
3522 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar
Este grupo de amostras foi submetido somente agrave caracterizaccedilatildeo de luz solar direta
As medidas foram realizadas em dias diferentes a fim de observar a repetibilidade das
medidas dos dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos confeccionados
Os dados da tabela 313 mostram medidas de VOC e ISC realizadas entre dez e onze
horas da manhatilde sob sol intenso e usando lentes convergentes Para estas amostras o
tempo de exposiccedilatildeo foi de aproximadamente dez minutos Com tempo de exposiccedilatildeo
maior e usando lentes convergentes as amostras A5 A6 A7 e A8 se aqueceram muito e
se danificaram Contudo valores de VOC obtidos foram bem superiores
Foram realizadas medidas em dois dias usando as amostras A9 A10 A11 A13
A14 A15 A16 A17 A18 e A19 para observar a repetibilidades das medidas As tabelas
14 e 15 mostram medidas de VOC e ISC realizadas nos dias 12052009 e 18052009
respectivamente entre dez e onze horas da manhatilde sob sol forte e usando lentes
convergentes para concentrar os raios solares na camada ativa da amostra
Tabela 3 13 ndash Medidas realizadas para as amostras A5 A6 A7 sob iluminaccedilatildeo solar
direta durante 10 minutos
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W) Amostra
PS puro 18 004 0072 A5
PS OB 47 49 008 0392 A6
PMAM puro 11 001 0011 A7
PMAMOB 35 48 005 024 A8
50
Tabela 3 14 ndash Medidas realizadas no dia 12052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W) Amostra
PS OB 47 11 003 0033 A9
PS puro 08 0 0 A10
PS puro 1 001 001 A11
PS OB 47 19 003 0057 A13
PS OB 47 11 003 0033 A14
PS OB 47 12 002 0024 A15
PMAM puro 09 001 0009 A16
PMAM puro 07 001 0007 A17
PMAMOB 35 11 001 0011 A18
PMAMOB 35 14 005 007 A19
Tabela 3 15 ndash Medidas realizadas no dia 18052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W) Amostra
PS OB 47 12 004 0048 A9
PS puro 06 01 006 A10
PS puro 08 001 008 A11
PS OB 47 21 004 0084 A13
PS OB 47 15 003 0045 A14
PS OB 47 10 002 002 A15
PMAM puro 07 001 00007 A16
PMAM puro 08 001 00008 A17
PMAMOB 35 12 003 0036 A18
PMAMOB 35 13 005 0065 A19
3523 ndash Curva caracteriacutestica corrente versus tensatildeo (IndashV)
Foram realizadas medidas das curvas IndashV usando o sistema de caracterizaccedilatildeo de
semicondutores Os procedimentos adotados foram descritos anteriormente Para estas
amostras foram usadas quatro tipos de camada ativa PS puro PSOB 47 PMAM puro e
51
PMAMOB 35 As medidas das curvas IndashV foram realizadas no escuro e sob iluminaccedilatildeo
natural do laboratoacuterio LDCI
Natildeo foram observadas grandes influecircncias sobre o efeito da iluminaccedilatildeo nas
amostras pois as curvas IndashV obtidas no escuro e no claro apresentaram valores parecidos
para VOC e ISC
Para a camada ativa confeccionada com o poliacutemero PS puro (figura 317) a curva
IndashV realizada no escuro e no ambiente iluminado mostra uma superposiccedilatildeo das curvas
O dispositivo com camada ativa feita de PSOB 47 mostrada na (figura 318)
natildeo se observa diferenccedila significativa nas curvas obtidas no escuro e com iluminaccedilatildeo do
laboratoacuterio O mesmo pode ser observado na (figura 319) onde a camada ativa eacute feita de
PMAM puro Contudo observou-se uma leve diferenccedila nas curvas mostradas na (figura
320) para a amostra confeccionada com camada ativa da mistura de PMAMOB 35
Onde houve um pequeno deslocamento para a corrente
Figura 3 17 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PS puro No escuro e sob
iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
52
Figura 3 18 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PSOB 47 No escuro e
sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
Figura 3 19 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAM puro No escuro
e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
53
Figura 3 20 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAMOB 35 No
escuro e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
3524 ndash Medida de espessura
As espessuras dos filmes foram medidas usando um Perfilocircmetro Dektak 150
VEECO Os filmes de PEDOTPSS depositados pela teacutecnica de spin coating usando
rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante quarenta segundos apresentaram espessuras na ordem de 180
nanocircmetros
Os procedimentos para medir as espessuras consistiram em medir vales e
superfiacutecie Para realizar as medidas dos filmes um risco foi feito usando a ponta de um
estilete conforme mostra a figura 321 O risco foi percorrido com a ponta do perfilocircmetro
com distacircncia de 500 m no sentido transversal Para obter a espessura do filme mede-se
entatildeo a diferenccedila de altura entre um ponto de referecircncia R fundo do vale e M superfiacutecie do
filme conforme mostrado na figura 322 Os procedimentos foram realizados em trecircs
diferentes regiotildees da amostra onde foi obtido um valor meacutedio da espessura do filme
54
Figura 3 21 ndash Risco feito no filme da amostra onde a ponta do perfilocircmetro executou a
varredura
Figura 3 22 ndash Medindo a diferenccedila da altura entre os cursores (R - reference) e (M -
measurement) para determinar a espessura do filme
Todos os quatro tipos de filmes usados para formar as camadas ativas dos
dispositivos que foram depositados por spin coating tiveram suas espessuras medidas Para
cada amostra foram feitos trecircs riscos em pontos alternados a fim de se verificar a
uniformidade na espessura Os riscos seguiram o exemplo ilustrado na figura 321 Os
resultados das trecircs medidas e o seu valor meacutedio para cada filme satildeo mostrados nas tabelas
316 e 317
A tabela 316 mostra os resultados das medidas de espessuras de filmes depositados
com rotaccedilatildeo de 5000 rpm durante 60 segundos A tabela 317 mostra os valores das
afericcedilotildees das espessuras para os filmes depositados com rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante 60
segundos Pode-se observar que os filmes feitos com rotaccedilotildees maiores apresentaram
valores de espessuras menores Tambeacutem eacute observado que a adiccedilatildeo do OB nas matrizes
polimeacutericas isolantes tende a camadas mais espessas mesmo para um mesmo valor de
rotaccedilatildeo quando comparada com os filmes sem o OB
55
Tabela 3 16 ndash Medida dos pontos e a media medida dos filmes das camadas ativas feitos
com rotaccedilatildeo de 5000 rpm Valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M
Camada ativa 1deg Ponto (nm) 2deg Ponto (nm) 3deg Ponto (nm) Meacutedia (nm)
PS puro 194 202 189 195
PS OB 47 283 305 296 2946
PMAM puro 127 90 105 1073
PMAM OB 35 235 269 259 2543
Tabela 3 17 ndash Medida dos pontos e a media dos filmes das camadas ativas feitos com
rotaccedilatildeo de 6000 rpm O valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M
Camada ativa 1deg ponto (nm) 2deg ponto (nm) 3deg ponto (nm) Meacutedia (nm)
PS puro 126 130 128 128
PS OB 47 221 218 208 2156
PMMA puro 76 113 97 953
PMMA OB 35 196 163 180 1796
3524 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Pode-se observar nestas medidas que as amostras contendo misturas de PSOB
47 em sua camada ativa mostraram resultados melhores que as outras amostras
analisadas Tambeacutem foi comprovado que as amostras podem ser reproduzidas sendo que
suas medidas foram repedidas As amostras que foram feitas em duplicatas ou triplicadas
possuem valores de VOC e ISC muito parecidos confirmando assim a reprodutibilidade na
sua fabricaccedilatildeo Atraveacutes das tabelas 314 e 315 pode ser observado que os valores obtidos
satildeo repetidos em dias diferentes mesmo assim natildeo ocorreram diminuiccedilotildees nos valores
medidos de VOC e ISC
Para as curvas IndashV coletadas no laboratoacuterio no escuro e sob iluminaccedilatildeo ambiente
para os dispositivos com camadas ativas com misturas das matrizes polimeacutericas de PSOB
47 e PMAM OB 35 (figuras 318 319 319 e 320) natildeo foram detectadas variaccedilotildees
relevantes entre os diferentes tipos de camadas ativas sob diferentes condiccedilotildees de
iluminaccedilatildeo O intrigante nestas medidas eacute que o mesmo efeito que aparece no claro
aparece tambeacutem no escuro As curvas tendem a um comportamento com resistecircncia de
56
diferencial negativa proacuteximo a tensotildees mais baixas Talvez isso aconteccedila devido agrave
caracteriacutestica intriacutenseca dos materiais utilizados nas confecccedilotildees das amostras
353 ndash Experimentos Etapa 3
3531 ndash Confecccedilatildeo das amostras com parte do FTO removido
Nesta etapa os dispositivos tambeacutem foram preparados sobre substrato de vidro o
mesmo tipo usado anteriormente Poreacutem aqui antes de fazer a deposiccedilatildeo dos filmes parte
do FTO foi removida do substrato de vidro A corrosatildeo do FTO foi feita utilizando uma
tinta homogecircnea preparada com poacute de zinco (Zn)
Para conservar parte do FTO no substrato foi utilizada fita adesiva sendo tambeacutem
possiacutevel utilizar tinta ou esmalte [46] Com parte do FTO protegido o substrato foi
mergulhado em soluccedilatildeo diluiacuteda de aacutecido cloriacutedrico (HCI)
Apoacutes a etapa de corrosatildeo as lacircminas passaram por um processo de limpeza Os
substratos foram limpos para retirar gorduras e resiacuteduos quiacutemicos
A corrosatildeo se fez necessaacuteria para evitar curto circuito entre os eletrodos de contato
do dispositivo Mudou-se a geometria dos substratos porque em algumas medidas de
curvas IndashV que foram obtidas em algumas amostras obteve-se curvas do tipo ocirchmico Isto
pode ter ocorrido porque o eletrodo de FTO estava ocupando toda a superfiacutecie do
substrato de vidro e pode ter ocorrido que na hora das medidas a agulha do equipamento
de medidas pode ter perfurado os filmes das camadas do dispositivo medindo apenas o
filme de FTO que apresenta curva puramente ocirchmica Assim com parte do FTO retirado
garante que a corrente flua apenas pelas camadas dos filmes do dispositivo A geometria
da lacircmina de vidro apoacutes a corrosatildeo pode ser visualizada na figura 323
Figura 3 23 ndash Geometria da lacircmina de vidro apoacutes corrosatildeo do FTO
57
Com o substrato limpo e seco e com a nova geometria desenvolvida segue para a
etapa da deposiccedilatildeo do poliacutemero condutor PEDOTPSS que serviu de um dos eletrodos A
deposiccedilatildeo foi realizada sobre toda a lacircmina de vidro conforme mostra o esquema da figura
324 O filme foi feito usando a teacutecnica de spin coating com rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante
cinquumlenta e cinco segundos o filme foi seco em estufa a 50 degC por 15 minutos
Os materiais utilizados como camada ativa foram PS puro PSOB 47 PMAM
puro e PMAMOB 35 Os diferentes tipos de camadas ativas foram depositados sobre a
estrutura vidroFTOPEDOTPSS usando a teacutecnica de spin coating com rotaccedilatildeo de 7000
rpm durante quarenta segundos Os filmes das camadas ativas foram secos em temperatura
ambiente
O outro eletrodo foi pintado sobre a camada ativa com tinta condutora de Ag A
estrutura vidroFTOPEDOT PSScamada ativaAg do dispositivo final pode ser vista na
figura 324 A regiatildeo ativa tem aacuterea de aproximadamente 009 cm2
Figura 3 24 ndash Geometria das camadas do dispositivo
3532 ndash Caracterizaccedilatildeo das curvas (IndashV )
As amostras foram caracterizadas atraveacutes das curvas IndashV Na figura 325 satildeo
mostradas comparaccedilotildees entre resultados obtidos para camadas ativas com o PS puro e
PSOB 47 Na figura 326 satildeo mostradas comparaccedilotildees entre resultados obtidos para
camadas ativas com o PMAMOB 35 Foi observado que para as camadas ativas sem o
OB o comportamento da curva Indash V eacute puramente ocirchmico ou seja linear Pode-se ressaltar
58
um comportamento resistivo para o filme utilizado nessa camada ativa enquanto que para
o filme da camada ativa com OB as curvas natildeo satildeo lineares
Outro detalhe a ser notado foi que para os filmes de PS puro e PSOB 47 as
correntes obtidas satildeo maiores que para os filmes confeccionados com PMAM puro e
PMAMOB 35 isto concorda com os resultados obtidos atraveacutes da iluminaccedilatildeo onde os
valores de VOC e ISC tambeacutem se apresentaram maiores
O dispositivo feito com o PS puro apresenta uma resistecircncia maior que o
dispositivo feito com PMAM puro isto talvez aconteccedila devido agraves diferenccedilas nas
espessuras das camadas ou nas propriedades intriacutensecas do material
Como pode ainda ser observadas nas figuras 325 e 326 quando se usou camada
ativa contendo o OB em sua mistura mudanccedilas ocorreram nos comportamentos das curvas
IndashV O comportamento da curva natildeo eacute mais linear e apresenta simetria para as duas
polarizaccedilotildees aplicadas (-V+V) Nos casos das curvas observadas para as camadas ativas
contento OB observou-se curvas semelhantes agrave curva de um diodo do tipo metal isolante
metal (MIM) [47]
Figura 3 25 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PS puro
e PS OB 47
59
Figura 3 26 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PMAM
puro e PMAMOB 35
Para quase todas as amostras que confeccionamos nas condiccedilotildees descritas acima
teve-se respostas nas medidas eleacutetricas para as caracterizaccedilotildees das curvas IndashV realizadas
no laboratoacuterio LDCI Foi observado que os dispositivos contendo OB apresentaram um
efeito fotovoltaico em temperatura ambiente As medidas foram realizadas no escuro e
com iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio Nas figuras 327 e 328 satildeo mostradas as curvas IndashV para
os dispositivos confeccionados com camadas ativas de PSOB 47 e PMAMOB 35
respectivamente
Em quase todas as amostras que foram realizadas as medidas das curvas IndashV o
efeito fotovoltaico foi observado Pode-se observar nesses resultados um aumento da
fotocorrente quando as amostras foram iluminadas
60
Figura 3 27 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PSOB
47 no claro e escuro
Figura 3 28 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de
PMAMOB 35 no claro e escuro
61
3533 - Anaacutelise e discussatildeo
Paras esses dispositivos natildeo foram apresentados os caacutelculos da eficiecircncia ( nem o
valor de IPCE porque para determinar tais paracircmetros dos dispositivos fotovoltaicos seraacute
necessaacuterio conhecer a I0 e mencionados no capiacutetulo II Poreacutem para as medidas
realizadas nesta pesquisa natildeo foram considerados o coeficiente de massa de ar o acircngulo
de inclinaccedilatildeo da luz incidente na amostra nem o comprimento de onda Paracircmetros que soacute
seratildeo determinados usando-se um sistema utilizado para caracterizaccedilatildeo de dispositivo
fotovoltaico No momento natildeo havendo disponibilidade de tal equipamento no laboratoacuterio
Observou-se que a inserccedilatildeo de OB em matrizes polimeacutericas isolantes tais como a
de PMAM e PS promoveram a absorccedilatildeo de foacutetons e portanto a formaccedilatildeo de eacutexciton Os
VOC foram de 008 V para o PMAMOB 35 e 03 V para PSOB 47 No caso do valor
de VOC obtidos para o PSOB 47 o nuacutemero eacute aproximadamente o mesmo valor da
diferenccedila da funccedilatildeo trabalho entre o PEDOTPSS (49 eV ) e a Ag (46 eV) No entanto
para o PMAMOB 35 este nuacutemero eacute inferior agrave diferenccedila da funccedilatildeo trabalho entre
PEDOTPSS e a Ag Aqui vale a pena ressaltar que as funccedilotildees trabalho do PEDOTPSS
podem variar entre 48 e 49 eV e a funccedilatildeo trabalho da prata podem variar de 452 eV e
474 eV dependendo da interface entre os materiais da camada ativa Assim pegou-se o
valor de 474 eV para a funccedilatildeo trabalho da prata e de 48 eV para o PEDOTPSS obteve-se
um valor de 006 eV o qual estaacute bastante proacuteximo do valor de 008 eV que eacute a tensatildeo de
circuito aberto obtida para a amostra de PMAMOB 35 Os valores de VOC satildeo limitados
pelo potencial de contato ou pelas diferenccedilas entre a funccedilatildeo trabalho dos eletrodos Sendo
assim neste sistema natildeo eacute possiacutevel conseguir tensotildees de VOC maiores Entretanto se for
utilizado materiais onde as funccedilatildeo trabalho dos eletrodos sejam muito diferentes poderaacute
obter VOC ainda maiores Os resultados obtidos nesse trabalho satildeo menores que os
relatados em trabalhos publicados [48-52] Contudo trabalhou-se com novos materiais
abundantes e baratos Aleacutem de se ter usado oacuteleo vegetal que eacute um material natural e que se
acredita no seu potencial para em breve obter melhores resultados
354 Caracterizaccedilatildeo dos Materiais por Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM)
Um dos paracircmetros importantes nos filmes polimeacutericos eacute a topologia pois a partir
dela se se pode inferir a uniformidade das camadas A questatildeo da uniformidade da
superfiacutecie dos materiais em Eletrocircnica Orgacircnica eacute importante porque permite conhecer o
62
desempenho eletrocircnico dos filmes Fatores como injeccedilatildeo e o transporte de cargas podem
ser facilitados ou bloqueados dependendo da espessura da camada polimeacuterica e da sua
regularidade fiacutesica ou quiacutemica [53] Neste sentido eacute importante investigar a topografia dos
materiais para que se possam entender fenocircmenos de transporte eletrocircnico que podem
ocorrer ou natildeo sob influecircncia da morfologia
As imagens por microscopia de forccedila atocircmica (AFM) revelaram diferenccedilas entre
filmes com as matrizes polimeacutericas puras e filmes com as matrizes modificadas com OB
O PS puro mostrou uma superfiacutecie suave com alguns relevos dispersos na aacuterea de
varredura (Figura 329) A presenccedila de oacuteleo de buriti nesta matriz polimeacuterica modificou
significativamente a superfiacutecie do material Houve formaccedilatildeo de pequenos e numerosos
gloacutebulos que ocorrem em um periacuteodo de espaccedilo muito pequeno resultando em uma
superfiacutecie aparentemente rugosa (Figura 330) Para o material PSOB 47 eacute possiacutevel
observar uma maior ocorrecircncia de picos regiotildees mais claras confirmando a possibilidade
da rugosidade do material
Figura 3 29 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS puro obtida por AFM no modo
contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
63
Figura 3 30 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS OB 47 por AFM modo contato
Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
A superfiacutecie do PMAM ao contraacuterio da superfiacutecie do PS apresentou possiacutevel
protuberacircncia ou gloacutebulos esfeacutericos em toda aacuterea de varredura (Figura 331) Haacute aacutereas onde
existe uma grande incidecircncia de vales identificados na figura por regiotildees mais escuras
Essas podem ser localizadas nas extremidades da amostra enquanto que no centro da
superfiacutecie haacute grandes nuacutemeros de picos indicando a possibilidade de ser um material com
bastante rugosidade
64
Figura 3 31 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PMAM puro obtida por microscopia
de forccedila atocircmica no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
Figura 3 32 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PAMAM OB 35 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
65
A presenccedila de OB na concentraccedilatildeo de 35 na matriz de PMAM resultou em
pequenas mudanccedilas na topografia do material (Figura 332) Natildeo houve grandes mudanccedilas
na morfologia da superfiacutecie do filme que possa ser determinada visualmente Entretanto a
geometria dos gloacutebulos foi alterada de uma forma arredondada (Figura 331) para uma
forma pontiaguda (Figura 332)
Outro material estudado foi o P3HT com OB puro e o P3HT + PSOB 47 A
superfiacutecie do filme de P3HTOB puro (Figura 334) tambeacutem mostrou um material com
possiacuteveis rugosidade em sua superfiacutecie entretanto a diferenccedila entre esta superfiacutecie e a
topografia do material P3HT+ PSOB 47 (figura 335) estaacute no tamanho das estruturas
que compotildeem a superfiacutecie de ambos os materiais
Figura 3 33 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HTOB puro obtida por AFM no
modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
66
Figura 3 34 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HT+PS OB 47 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
A Figura 333 revela estruturas menores que consequumlentemente ocupam um
espaccedilo menor dentro da aacuterea de varredura e por isso se apresentam em grande nuacutemero
resultando a possibilidade de rugosidade mais alta
A Figura 334 mostra estruturas do material P3HT+PS OB 47 que apresentam
geometrias similares agrave do material P3HTOB puro contudo com dimensotildees maiores
Desta forma estas estruturas ocupam um espaccedilo maior dentro da aacuterea de varredura e se
apresentam em menor quantidade proporcionando possiacuteveis rugosidades em tamanhos
menores que o P3HT OB puro
67
Capiacutetulo IV
Conclusotildees e Recomendaccedilotildees
68
4 ndash CONCLUSOtildeES E RECOMENDACcedilOtildeES
Atraveacutes destes estudos preliminares em linhas gerais os dispositivos projetados
construiacutedos e as medidas obtidas neste trabalho permitem direcionar para a construccedilatildeo e
caracterizaccedilatildeo de dispositivos fotovoltaicos baseados no uso do OB como dopante Os
dados obtidos satildeo bastante promissores e sinalizam para o alcance do sucesso na
construccedilatildeo desses dispositivos a partir de matrizes modificadas com OB
Os resultados apresentados no capiacutetulo III no toacutepico referente aos dados
experimentais e resultados I foram dos dispositivos desenvolvidos baseados no modelo
dos dispositivos fotovoltaicos desenvolvidos por Graumltzel com o propoacutesito de observar o
OB como eletroacutelito da camada ativa Medidas de VOC e ISC para as amostras
confeccionadas foram mensuradas embora os resultados obtidos fossem baixos quando
comparados com a literatura Contudo os materiais empregados satildeo novos e mostraram
promissores
No contexto dos dados experimentais e resultados I apresentou-se o
desenvolvimento de dispositivos usando o substrato de PET desenvolvendo a
configuraccedilatildeo de dispositivo fotovoltaico orgacircnico monocamada direcionados na busca de
substratos flexiacuteveis de menor custo no propoacutesito de substituir o substrato de vidro
recoberto com FTO Para estes dispositivos consegui-se obter valores de VOC e ISC sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpada usando um multiacutemetro para as referidas medidas Entretanto esse
tipo de substrato apresentou diversas inviabilidades conforme relatado nesta pesquisa
Novamente trabalhou-se com substrato de vidro recoberto com FTO com
configuraccedilatildeo de dispositivo fotovoltaico orgacircnico monocamada Acredita-se que as
espessuras dos filmes das camadas ativas possam ter influenciado nos baixos resultados
obtidos Ateacute essa etapa dos experimentos as camadas ativas eram construiacutedas
manualmente proporcionando assim camadas ativas espessas
Os resultados apresentados no toacutepico referente aos dados experimentais e resultados
II abordaram a configuraccedilatildeo monocamada em substrato de vidro recoberto com FTO onde
se fez o uso de camadas ativas com poliacutemero semicondutor P3HT misturado com OB Para
efeito de comparaccedilatildeo construiu-se camada ativa usando o PS um poliacutemero isolante
misturado com 47 de OB A partir destes experimentos os filmes dos dispositivos foram
confeccionados com spin coater o que proporcionou a construccedilatildeo de filmes mais finos
As caracterizaccedilotildees foram realizadas usando lacircmpadas e luz solar direta para
medidas de VOC e ISC com o multiacutemetro tambeacutem foram realizadas caracterizaccedilotildees com
69
curvas I-V sob a luz ambiente do laboratoacuterio As curvas levantadas mostraram efeitos
semelhantes ao efeito fotovoltaico para os materiais das camadas ativas pesquisadas Pelos
resultados obtidos nessa etapa do trabalho observou-se que as amostras confeccionadas
com o poliacutemero isolante misturado com o OB apresentaram melhores desempenhos
Embora jaacute existam resultados na literatura usando o semicondutor P3HT para fazer
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos com desempenho relativamente alto nas pesquisas
desenvolvidas nesse trabalho o uso do P3HT natildeo sinalizou vantagens em relaccedilatildeo ao uso
do poliacutemero isolante PS
Nesse trabalho as pesquisas foram focadas apenas em materiais de baixo custo
que proporcionaram resultados animadores usando o poliacutemero PS misturado com OB
Os resultados apresentados nos toacutepicos que abrangem os dados experimentais e
resultados III abordaram o uso dos poliacutemeros isolantes PS e PMAM modificados com OB
na configuraccedilatildeo de dispositivo fotovoltaico em monocamada usando substrato de vidro
recoberto com FTO Foram realizadas medidas eleacutetricas diretas dos dispositivos sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpadas e iluminaccedilatildeo solar fazendo-se uso de multiacutemetro para as medidas
Tendo respostas interessantes com estes experimentos pois as medidas foram realizadas
com multiacutemetros comuns com cabos que apresentam impedacircncias que agregaram perdas
substanciais das tensotildees e correntes geradas pelos dispositivos Mesmo assim obtiveram-
se as medidas de VOC e ISC
Os resultados mais empolgantes foram os caracterizados com curvas I-V
desenvolvidos com substratos tendo parte do FTO removidas no qual se permitiu
visualizar as curvas de tensatildeo e corrente apenas dos filmes sem a interferecircncia do filme
condutor de FTO Em vaacuterias amostras pocircde-se observar um efeito fotovoltaico entretanto
com valores bem abaixo aos relatados pela literatura vigente sobre o assunto
Nesse trabalho apresentou-se um material novo e promissor na aacuterea de pesquisa
dos dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos como tambeacutem o uso de oacuteleos vegetais como
dopante de poliacutemeros para o desenvolvimento de dispositivo de baixo custo com
tecnologia de faacutecil domiacutenio e acessiacutevel
Os resultados apresentados sugerem os seguintes trabalhos futuros
1 Desenvolvimento de dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos agrave base de poliacutemeros
isolantes com camadas ativas mais finas na ordem de nanocircmetros a fim de facilitar
a dissociaccedilatildeo dos eacutexcitons nas interfaces dos materiais O uso de novas teacutecnicas de
deposiccedilatildeo para conseguir filmes nesta ordem de grandeza
70
2 Desenvolvimento de novas estruturas usando os PSOB 47 e PMAMOB 35
em novas arquiteturas como os dispositivos em bicamadas e heterojunccedilatildeo para
melhorar os resultados jaacute obtidos
3 Siacutentese de novas misturas com poliacutemeros usando outros oacuteleos vegetais abundantes
na natureza que apresentaram absorccedilatildeo na faixa do espectro visiacutevel
4 Construccedilatildeo de novos eletrodos de contatos usando teacutecnicas de evaporaccedilatildeo com o
intuito de diminuir as resistecircncias dos contatos e melhorando a coleta das correntes
geradas
5 Caracterizar as amostras usando o simulador solar Caracterizar os filmes usando
perfilocircmetro e AFM buscando filmes com menos rugosidades Correlacionar
medidas das curvas I ndashV com as medidas de AFM
71
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75
APEcircNDICES
77
APEcircNDICE 1
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(2009)
Artigo Aceito
Silva E R Romariz A R S Ceschin A M Study of organic MIM junctions for use
in photovoltaic devices In 25th Symposium on Microelectronics Technology and
Devices SBMicro 2010 Satildeo Paulo - SP The Electrochemical Society (ECS) the society
for solid-state and electrochemical science and Technology EUA Pennigton artigo
aceito (2010)
Resumo Publicado
Silva E R Ceschin A M Photovoltaic effect observed in junctions based on Buriti
oil In 11 th International Conference on Advanced Materials (ICAM2009) 2009 Rio
de Janeiro 11 th International Conference on Advanced Materials 2009
78
A possible Organic Solar Cell Based on Buriti Oil
E R da Silva a J A Duratildees
b and A M Ceschin
a
a Departamento de Engenharia Eleacutetrica - Laboratoacuterio de Dispositivos e Circuito
Integrado Universidade de Brasiacutelia CP 4386 CEP 70904-970 Brasiacutelia DF - Brasil b Instituto de Quiacutemica ndash Laboratoacuterio de Pesquisa em Poliacutemeros Universidade de
Brasiacutelia
CEP 70904-970 Brasiacutelia DF ndash Brasil
This work proposes a new approach - the possible production of
organic solar cells based on Buriti oil We propose the
formation of an active layer three types of mixture always
exploring the use of Buriti oil The active layers were deposited
by spin coating the mixture of Buriti oil polystyrene (PS) Buriti
oil poly (3- hexylthiophene) (P3HT) and blend Buriti oil PS
plus P3HT For the three devices investigated here we use a
glass substrate coated with fluoride-doped tin oxide (FTO) An
electrode of poly (34-ethylenedioxythiophene) poly (4-
styrenesulfonate) (PEDOT PSS) was deposited by spin coating
The other electrode was painted on top with silver conductive
ink (Ag) We show two different illuminations for the
characterization of the devices For the acquisition of measures
resistance () open circuit voltage (VOC) and the short circuit
current (ISC) a common digital multimeter was used
Introduction
Organic solar cells are being investigated for their potential use in the cheap and
clean conversion of abundant solar energy In addition polymer solar cells have
attracted considerable attention because of their potential use in low-cost lightweight
solution processable and flexible large-area panels (1) In the best performing solid state
organic solar cells reported to date (23) a conjugated polymer is blended with an
electron accepting material to form the bulk-heterojunction structure for efficient
exciton dissociation (34) Academic attention has focused on blends of poly (3-
hexylthiophene) (P3HT) and [66]-phenyl C61-butyc acid methyl ester (PCBM) since
these two materials show the highest power conversion efficiency in their bulk-
heterojunction which is around 5 The combination of unique semiconducting
electronic property and mechanical aspects similar to conventional plastics is an
attractive feature in spite of the lower efficiencies prevailing in these systems Each
polymer has unique properties and responds differently to different stimulus However
its characteristics can be improved by blending two polymers or by adding some
compounds called additives producing interesting results As an example we can take a
polystyrene (PS) matrix mixed with Buriti oil this modified material shows a very
broad absorption between 150 to 400 nm with a maximum at 320 nm (67) Figure 1
shows the spectrum of absorption for four types of concentration of Buriti oil in PS
matrix
79
Figure 1 Spectra of absorption of UV radiation of PS films and PS- Buriti oil (7)
This feature makes it a promising candidate for photovoltaic studies Based on
this result we decided to investigate Buriti oil P3HT Buriti oilPS and Buriti
oilPSP3HT mixtures in solar cell fabrication Thus the possible fabrication of the
Buriti oil solar cell and its results are reported and discussed here
Sample Preparation
The devices consist basically of an active layer made of Buriti oilPS or Buriti
oilP3HT films or Buriti oilPSP3HT material placed in-between the bottom
electrode of poly(34-ethylenedioxythiophene)poly(4-styrenesulfonate) (PEDOTPSS)
and the top silver (Ag) electrode Devices were assembled on glass substrates covered
with fluoridedoped tin oxide (FTO) with planar resistance in order of 30 _ cm without
further treatment The actives layer and the bottom electrode were deposited by spin
coating (6000 and 5000 rpm respectively) while the silver electrode was painted
PEDOT PSS was used in order to smooth the FTO surface and to decrease the hole
barrier A first kind of active layer was prepared through deposition (6000 rpm spin
coating) of a solution prepared by dissolving appropriate amounts of PS and Buriti oil
4681 wt (extracted with supercritical CO2) at room temperature in analytical grade
reagent chloroform The second kind of active layer was prepared through deposition of
Buriti oil and P3HT mix dissolved in analytical grade reagent toluene The last active
layer was prepared by mixing Buriti oilPS with P3HT dissolved in an analytical grade
reagent chloroform
After each spin coating deposition the films were dried in a stove at 100 0C for
about 15 minutes Devices of active area A~ 20 cm2 were obtained Figure 2 shows a
schematic view of the finished device
80
Figure 2 Structure of the Buriti oil solar cell
Characterization
The measurements were obtained using a common digital multimeter model
ET-2042C Minipa The samples were subjected to direct irradiation of an Hg spectral
lamp (80 W) for five minutes For such measures we did not consider neither
interference of the illumination nor the samplersquos angle of inclination The series
resistance of the device was also collected as this is one that has a direct relation with
the value of this measure as shown in Table 1 the lower the resistance the greater the
current collected All the results are shown in Table 1
Table 1 VOC and ISC for the different solar cell illuminated with an Hg spectral
lamp (80W)
VOC (mV) ISC (mA) R (cm2)
Buriti oil PS 21 009 740
Buriti oil P3HT 18 002 369
Buriti oil PS+P3HT 17 001 717
To observe a real situation the same sample group was exposed to direct
sunlight in hours of intense sun between 1100 am and 0100 pm taking into account
that all samples had an exposure time of approximately five minutes In this step a
convergent lens was used to concentrate the solar light on the device (8 and 9) In this
experiment angle of incidence and the solar irradiation were not measured The results
are shown in Table 2
Table 2 VOC and ISC for the different solar cell illuminated by direct solar light
VOC (mV) ISC (mA) R (cm2)
Buriti oil PS 62 009 740
Buriti oil P3HT 33 003 369
Buriti oil PS+P3HT 25 002 717
Results and analysis
Based on the values of VOC and ISC obtained for the samples it can be clearly
observed that sunlight exposure provided better results when compared to the artificial
81
illumination The main reason for such a situation could be related to the use of Hg
lamp that is not appropriated In spite of this the devices based-on Buriti oil presented
good performances in both cases This effect may be due to the lower resistance value
of the first samples When the illumination is promoted by the sun the VOC increases
but the ISC remains the same maybe as a consequence of the resistance value or
because the samples becomes hotter For the samples made with Buriti oil P3HT and
Buriti oil PS P3HT materials and illuminated by the spectral lamp similar results for
VOC and ISC were observed Under sunlight illumination the values of VOC and ISC
are greater than that obtained for the spectral lamp lighting
Conclusions
In this paper we show that Buriti oilPS and Buriti oil P3HT materials can be
used as an active layer for solar cells The behavior of the samples based-on Buriti
oilPS showed better results for the two types of illumination It is important to
emphasize tha these results are just a part of the devices characterization which still
requests the fulfillment factor (FF) as well as cell efficiency determination Such
calculations are on process but all the obtained data are satisfactory and promising
because our main aim is to develop solar cells using more accessible organic materials
such as the Buriti oil PS blend
Acknowledgments
The authors gratefully acknowledge CNPq and NAMITECMilenio Institute for
financial support
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Dissertaccedilatildeo de mestrado do Instituto de Quiacutemica da Universidade de Brasiacutelia (2004)
8 httpwwwstumbleuponcomtoolbartopic=Alternative20Energyampurl=http2
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9 httpwwwgoodcleantechcom200805ibm_uses_magnifying_lens_to_bophp
82
Study of organic MIM junctions for use in photovoltaic devices
E R Silva A R S Romariz and A M Ceschin
Departamento De Engenharia Eleacutetrica Laboratoacuterio de Dispositivos e Circuito
Integrado (LDCI) Universidade de Brasiacutelia Campus Darcy Ribeiro Brasiacutelia CP
4386 CEP 70904-970 Brasiacutelia ndash DF Brasil
We report here photovoltaic effects on Buriti oil (Mauritia
flexuosa) mixed in an insulating polymers matrix The samples
studied here consist of an active layer based on polystyrene (PS)
and poly (methilmethacrilate) (PMMA) mixed with Buriti Oil
(BO) The structure of the device was glassFTO Poly (3 4-
ethylenedioxythiophene) (PEDOT) poly (styrenesulfonate)
(PSS) active layer Ag These mixtures are promising materials
in the fabrication of organic photovoltaic devices The advantage
of these mixtures is their low cost of production and ease in
fabrication Electrical measurements were obtained in both a lit
room and in the dark We can observe photovoltaic effects in all
samples mixed with OB This effect is very interesting because
we are working with an insulating polymer instead of the
semiconductor polymer In this work we have been developing a
junction of the metalndash insulatorndashmetal (MIM) diode that acts like
a photovoltaic device
Introduction
In the past years various new materials and mixtures for fabricating
photovoltaic devices have been proposed for higher conversion efficiencies and lower
cost processes (1 2) Organic solar cells are being investigated for their potential use in
the clean conversion of solar energy through large-area solar panels (3 4 and 5)
Academic attention has focused on blends of poly (3-hexylthiophene) (P3HT) and [6
6]-phenyl C61-butyc acid methyl ester (PCBM) since these two materials show the
highest power conversion efficiency in their bulkheterojunction which is around 5
(6)
Each polymer has unique properties and responds differently to different stimuli
However its characteristics can be improved by blending two polymers or by adding
some compounds called additives thus producing interesting results As an example we
can take the BO mixed in a PS matrix and one mixed in a PMMA matrix This modified
material shows a very broad absorption between 250 to 400 nm with a maximum at 320
nm (7) Based on this result we decided to investigate the OB mixtures in the fabrication
of photovoltaic devices One possible way to enhance the quantum efficiency of a
photovoltaic device is to add dyes that have high absorption efficiency to the host
materials (8) The addition of BO in the PS and PMMA matrices increases this
efficiency The OB is added with the polymers to improve the efficiency on the active
layers of the insulating materials In this paper we will present photovoltaic parameters
on devices based on insulating polymers mixed with BO deposited on a substrate
83
covered with fluorine doped tin oxide (FTO) The devices were fabricated by the spin
coating technique the open circuit voltage (VOC) and short-circuit current density (JSC)
of the BOPS device are 03V and 039 nAcm2 respectively which is 0212V higher
than BOPMMA devices The fill factor (FF) that defines power extraction efficiency of
BOPS devices is 026 against 020 in the BOPMMA devices
Experimental
Our devices were based on previous studies about insulating polymers mixed
with BO (7) The material for the active layer BOPS and BOPMMA of the MIM
junction was chosen because this materials posses two regionrsquos absorption the first
range in 250 at 400 nm that has a peak at 320 nm and the second in the range of 500 at
700 nm The fact these materials absolve in visible region allow to realization of study
about applications in photovoltaic devices (9) We were still able to get good results
from the investigation of BO for make photovoltaic devices
The samples were assembled on glass substrates covered with FTO The
resistance of the plate is asymp 41-60 Ω Prior to depositing the layers part of the FTO
substrate was removed the FTO was corroded using a homogenous ink prepared with
powdered zinc (Zn) Additionally it is possible to use tape or enamel in order to save
part of the FTO After these procedures the substrate is dipped in a diluted solution of
hydrochloric acid (HCI) After the corrosion stage the substrate goes through a cleaning
process that was also performed before corrosion The substrates are cleaned to remove
grease and residual chemicals Corrosion is necessary to avoid short circuits between
the devicersquos electrode contacts (10) The devices were fabricated in a typical
sandwiched structure with the active layers sandwiched between two electrodes the
bottom electrodes consist of conducting polymer film deposition of (PEDOT PSS)
purchased from Bayer This forms the anode that was deposited on the FTO We use it
in order to increase the positive carrier collection of the active layer The film was made
using the spin coating technique with 6000 rotations per minute (rpm) for 55 seconds
Next it was dried in an oven at a temperature of 50 deg C for 15 minutes The cathode was
made with a conductive ink of silver (Ag) acquired from Silver Ink having 99 purity
with painting done by hand because more precise techniques were not available The
materials used in the active layer were pure PS PS mixed with 47 BO pure PMMA
and PMMA mixed with 35 BO Four types of active layers were used All the
mixtures were made with an appropriate quantity of the analytical reagent chloroform at
room temperature Before the deposition the solutions were stirred with magnetic
agitate for 30 minutes in order to ensure greater uniformity for the mix A schematic
view finished device (glass FTO PEDOT PSS active layer Ag) is shown in figure
1 The film thicknesses of the active layers were measure using a Dektak 150
profilometer These values are about 1μm We could not obtain a thinner device because
of the high viscosity of the material In our final device the active area is approximately
009 cm2
Figure 1 Schematic of the finished Device
84
Results and Discussion
The devices with different active layers were prepared following the procedure
described above at room temperature The currentndashvoltage (I-V) characteristics were
measured using a Keithley 2400 programmable software semiconductor measuring
system In all samples without oil devices using only insulating polymer like PS and
PMMA ohmic behavior was observed for bias voltage between -2 and 2 V The device
with pure PS has greater resistance than the one with pure PMMA Perhaps this happens
due to differences in layer thickness or intrinsic material properties But when BO is
added to the mixture we get a different behavior for I-V curves in the two cases We
observed that the sample of PS BO had larger current than PMMABO Figure 2
shows the curves for the PS mixture with and without BO 47 In Figure 3 we have
curves for the PMMA mixture with and without BO 35 In these two cases we
observed curves that look like MIM diode characteristic curves
Figure 2 The I-V Curves characteristics of ohmic behavior and MIM diode for
the PMMA
Figure 3 The I-V Curves characteristics of ohmic behavior and MIM diode for the PS
85
We also noticed a photovoltaic effect in the junctions based in BO at room
temperature Measurements were taken both in the dark and with the room fluorescent
light on In all observations we saw slight photovoltaic effects in all devices made using
insulating polymers with BO mixtures in the active layer In Figure 4 this effect is
shown for PSBO and in Figure 5 for PMMABO
Figure 4 Curve characteristics PS dark and light
Figure 5 Curve characteristics PMMA dark and light
86
For such measures we did not consider either air mass coefficient or the
samplersquos inclination angle for these characterizations because we donrsquot have
characterization equipments Thus we are unable to calculate the conversion efficiency
() The voltage bias was varied from -1 to 1 V but here it is shown with a smaller
interval to better visualize this slight effect In Table 1 the values are shown for the
samples insulating polymer mixed with BO for Voc Jsc and fill factor FF In summary
these parameters are important for characterizing our devices The FF is the ratio that
determines the maximum operating current and voltage of the photovoltaic device and
was calculated as FF = VpIpVocIsc (11) All the values are extracted from the curves
Table 1 Summary of the photovoltaic devices performance with and without light
Active Layer VOC
(mV)
JSC
(nAcm2)
FF
PSBO 47 300 039 026
PMMABO 35 86 216 020
We have seen that the insertion of BO at the matrices of insulating polymers
such as PMMA and PS promote the absorption of photons and therefore the formation
of excitons However we do not have a maximum absorption because of the peak of
absorption of the active layers is in range of 200 to 400 nm while the illumination used
was in the visible region The excitons generated were dissociates and the charges
created were collected in their respective electrodes to form the short-circuit Current
(ISC) This current is small due to the film thickness of the active layer Thus carriersrsquo
recombination could be occurring before they reach their respective electrodes
The measured VOC was 008 V to PMMABO and 03 V to PSBO For the
PSBO this number is roughly the same as the difference in work function between
PEDOT PSS and Ag However for the PMMABO this number is lower than the
difference in work function between PEDOTPSS and Ag All this contributed for the
values low ISC VOC and FF The results obtained here are very below that reported in
recent papers (12 13)
Conclusion
We have been working with polymer insulating with additions of material cheap
an abundant of in nature We presented preliminary results for the MIM junction diode
We used BO mixed with insulating polymer to form the active layers This way we get a
value for ISC VOC and FF but we can observe photovoltaic effect in the majority of the
samples with the BO The active layers have a region of absorption outside of the solar
spectrum and the thickness was thick Because of the collection the carrier was hindered
before to reach the collectorrsquos electrode The devices shown here is very easy to make
and can be made in a large area
Acknowledgments
87
The authors gratefully for the financial support received from National Counsel
of Technological and Scientific Development (CNPq) National Institute of Science and
Technology of Micro and Nanoelectronics Systems (NAMITEC) This paper was
partially supported from a scholarship granted by Coordenaccedilatildeo de Aperfeiccediloamento de
Pessoal de Niacutevel Superior (CAPES) for the first author that also wishes to thank for this
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797ndash801
88
xii
LISTA DE TABELAS
Tabela 3 1 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos 29
Tabela 3 2 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos 30
Tabela 3 3 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos 32
Tabela 3 4 ndash Valores medidos de VOC e ISC com iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W para variaccedilatildeo de iluminaccedilatildeo para a amostra P4 32
Tabela 3 5 ndash Valores de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo de lacircmpada incandescente de 100 W
durante 5 minutos 35
Tabela 3 6 ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito com um ponto de
prata Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos 38
Tabela 3 7ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito de prata em forma de
trilhas com concentraccedilatildeo em um ponto Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos 38
Tabela 3 8 ndash Resultados obtidos das medidas de VOC e ISC usando luz solar direta durante
5 minutos 38
Tabela 3 9 ndash Medidas de VOC e ISC para amostras iluminadas pela lacircmpada Hg 80 W
aproximadamente cinco minutos 41
Tabela 3 10 ndash Valores de VOC e ISC para amostras iluminada sob luz solar direta expostas
durante cinco minutos cada 42
Tabela 3 11 ndash Resultados das medidas de ISC e VOC das amostras do 1ordm grupo sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpada durante 05 minutos de exposiccedilatildeo 47
Tabela 3 12 ndash Resultados para ISC e VOC sob iluminaccedilatildeo luz solar por aproximadamente
05 minutos de exposiccedilatildeo 47
Tabela 3 13 ndash Medidas realizadas para as amostras A5 A6 A7 sob iluminaccedilatildeo solar
direta durante 10 minutos 49
Tabela 3 14 ndash Medidas realizadas no dia 12052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos 50
Tabela 3 15 ndash Medidas realizadas no dia 18052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos 50
Tabela 3 16 ndash Medida dos pontos e a media medida dos filmes das camadas ativas feitos
com rotaccedilatildeo de 5000 rpm Valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M 55
Tabela 3 17 ndash Medida dos pontos e a media dos filmes das camadas ativas feitos com
rotaccedilatildeo de 6000 rpm O valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M 55
xiii
LISTA DE FIGURAS
Figura 2 1 ndash Estrutura quiacutemica do poliacetileno mostrando as ligaccedilotildees alternadas em
simples e duplas 6
Figura 2 2 ndash Formaccedilatildeo da estrutura do condutor poliacetileno (a) Formaccedilatildeo de bandas
distintas pela superposiccedilatildeo de N orbitais (b) aproximaccedilatildeo da banda riacutegida para um nuacutemero
grande de orbitais 7
Figura 2 3 ndash Estrutura de uma ceacutelula solar orgacircnica A camada ativa pode compreender
uma ou mais camadas semicondutoras uma mistura de materiais ou a combinaccedilatildeo destas
duas estruturas 8
Figura 2 4 ndash Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um dispositivo fotovoltaico feito com uma
camada de poliacutemero entre dois eletrodos 8
Figura 2 5 ndash Processos envolvidos na geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica em um dispositivo
fotovoltaico orgacircnico 9
Figura 2 6 ndash Diagrama de niacuteveis de energia de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico Sob
iluminaccedilatildeo o eleacutetron (e-) eacute jogado para o niacutevel de maior energia LUMO deixando uma
lacuna (h+) no niacutevel de menor energia HOMO (Criaccedilatildeo do eacutexciton) que seratildeo coletados
pelos eletrodos 1 funccedilatildeo trabalho do 1ordm eletrodo (transparente) 2 funccedilatildeo trabalho do
2ordm eletrodo χ eletroafinidade IP potencial de ionizaccedilatildeo e Eg energia do gap 10
Figura 2 7 ndash Diagrama esquemaacutetico do dispositivo fotovoltaico 2 poliacutemero1 no escuro
com o alinhamento dos niacuteveis de Fermi a) e sob iluminaccedilatildeo b) potencial de built-in ( Vbi)
intriacutenseco em temperatura ambiente esta proacuteximo ao valor de tensatildeo 12
Figura 2 8 ndash Curva caracteriacutestica IndashV de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico no escuro e
sob iluminaccedilatildeo Tambeacutem eacute mostrado o ponto de corrente de curto circuito e tensatildeo de
circuito aberto O retacircngulo pintado indica o fator de preenchimento (FF) 13
Figura 2 9 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PS (C8H8)n 15
Figura 2 10 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PMMA (C5O2H8)n 16
Figura 2 11 ndash Representaccedilatildeo da cadeia principal do PEDOT [25] 17
Figura 2 12 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica da interaccedilatildeo entre o PEDOT e PSS [25]
17
Figura 2 13 ndash Estrutura quiacutemica do P3HT (C10H18S)n [13] 18
Figura 2 14 ndash Foto da palmeira do Buriti (Mauritia Flexuosa) conhecida como Buritizeiro
[21] 19
Figura 2 15 ndash Ilustraccedilatildeo dos frutos maduros do Buriti (a) aspecto da casca (b) polpa de
cor amarelada [21] 19
Figura 2 16 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PS puro e PSOB [40] 20
xiv
Figura 2 17 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PMAM puro e PMAM
OB [40] 21
Figura 3 1 ndash (a)bomba de vaacutecuo (b) compressor de ar comprimido (c) vaacutelvula de controle
e (d) spin coater 24
Figura 3 2 ndash Equipamento de spin coater instalado no laboratoacuterio LDCI vista lateral e
frontal 25
Figura 3 3 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores Keithley 2400 laboratoacuterio
LDCI 25
Figura 3 4 ndash Vista frontal do AFM marca VEECO Innova 26
Figura 3 5 ndash Amostras confeccionadas com duas lacircminas de substrato de vidro recoberto
com FTO baseada no modelo de Graumltzel 28
Figura 3 6 ndash (a) Esquema da amostra confeccionada no substrato flexiacutevel de plaacutestico
(PET) (b) foto do substrato finalizado 31
Figura 3 7 ndash Amostra feita com substrato de PET apoacutes ser submetidos agrave fonte de lacircmpada
incandescente de 100 W por 20 minutos 33
Figura 3 8 ndash (a) Esquema da amostra para substrato de vidro recoberto com FTO (b) foto
da amostra finalizada 34
Figura 3 9 ndash (a) Geometria do eletrodo de Ag confeccionado em forma de ponto e (b)
geometria do eletrodo de Ag feito em forma de trilhas 37
Figura 3 10 ndash (a) Foto da amostra (b) Estruturas das camadas dos dispositivos das novas
amostras 40
Figura 3 11 ndash Ilustraccedilatildeo do experimento realizado com uma amostra tendo o contato
desenhado com a geometria em forma de trilhas camada ativa de PS OB 47 42
Figura 3 12 ndash Ilustraccedilatildeo da polarizaccedilatildeo direta para amostras com P3HT e gota de
PEDOTPSS para medidas das curvas (IndashV) 43
Figura 3 13 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47 Corrente e
tensatildeo observadas 003 uA e 09 Volts respectivamente 44
Figura 3 14 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de OB puro + P3HT Corrente
e tensatildeo observadas 0013 uA e 002 Volts respectivamente 44
Figura 3 15 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47+P3HT
Corrente e tensatildeo observadas 0012 uA e 11 volts respectivamente 45
Figura 3 16 ndash Estruturas das camadas e do contato de Ag dos dispositivos fotovoltaicos
orgacircnicos usado para o 2 ordm grupo de amostras 49
Figura 3 17 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PS puro No escuro e sob
iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 51
xv
Figura 3 18 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PSOB 47 No escuro e
sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 52
Figura 3 19 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAM puro No escuro
e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 52
Figura 3 20 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAMOB 35 No
escuro e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI 53
Figura 3 21 ndash Risco feito no filme da amostra onde a ponta do perfilocircmetro executou a
varredura 54
Figura 3 22 ndash Medindo a diferenccedila da altura entre os cursores (R - reference) e (M -
measurement) para determinar a espessura do filme 54
Figura 3 23 ndash Geometria da lacircmina de vidro apoacutes corrosatildeo do FTO 56
Figura 3 24 ndash Geometria das camadas do dispositivo 57
Figura 3 25 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PS puro
e PS OB 47 58
Figura 3 26 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PMAM
puro e PMAMOB 35 59
Figura 3 27 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PSOB
47 no claro e escuro 60
Figura 3 28 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de
PMAMOB 35 no claro e escuro 60
Figura 3 29 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS puro obtida por AFM no modo
contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 62
Figura 3 30 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS OB 47 por AFM modo
contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 63
Figura 3 31 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PMAM puro obtida por microscopia
de forccedila atocircmica no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 64
Figura 3 32 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PAMAM OB 35 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 64
Figura 3 33 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HTOB puro obtida por AFM no
modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 65
Figura 3 34 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HT+PS OB 47 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm 66
xvi
LISTA DE SIacuteMBOLOS NOMENCLATURA E ABREVIACcedilOtildeES
Ag ndash Prata
BC ndash Banda de conduccedilatildeo
BV ndash Banda de valecircncia
CHCL3 ndash Clorofoacutermio
C7H8 ndash Tolueno
Eg ndash Energia de gap (Energia de banda proibida)
FTO ndash Oacutexido de estanho dopado com fluacuteor termo em inglecircs Tin Oxide doped with
Fluorine
FF ndash Fator de preenchimento termo em inglecircs fill factor
GPIB ndash General Purpose Interface Bus
HOMO ndash Orbital molecular mais alto ocupado termo em inglecircs highest occupied
molecular orbital
ITO ndash Oacutexido de iacutendio estanho termo em inglecircs Indium Tin Oxide
IPCE ndash Eficiecircncia de conversatildeo de foacutetons incidentes em eleacutetrons Eficiecircncia quacircntica
externa termo em inglecircs Incident Photon Converted in Electron Efficiency
I0 ndash Intensidade de luz incidente em W m2
ISC ndash Corrente de curto circuito termo em inglecircs current short circuit
IndashV ndash Corrente versus tensatildeo aplicada
JSC ndash Densidade de fotocorrente de curto circuito termo em inglecircs photocurrent density
short circuit
LUMO ndash Orbital molecular mais baixo desocupado termo em inglecircs lowest unoccupied
molecular orbital
OB ndash Oacuteleo de Buriti
OLED ndash Diodo emissor de luz orgacircnico termo em inglecircs Organic light emitting devices
OPV ndash Ceacutelulas orgacircnicas fotovoltaicas termo em inglecircs Organic Photovoltaic
PET ndash Poli (Tereftalato de Etila)
xvii
PEDOT ndash Poli (34-etileno dioxitiofeno)
PS ndash Poliestireno
PSSndash Poli (Estireno-Sulfonato)
PMAM ndash Poli Metacrilato de Metila
P3HT ndash Poli (3-hexil tiofeno)
rpm ndash Rotaccedilatildeo por minuto
TO - Oacutexido de estanho termo em inglecircs Tin Oacutexide
Tm ndash Temperatura de fusatildeo cristalina
Tg ndash Temperatura de transiccedilatildeo viacutetrea
UV ndash Ultravioleta
VIS ndash Visiacutevel
VOC ndash Tensatildeo circuito aberto termo em inglecircs Open-circuit voltage
V bi ndash Potencial de built-in
ndash eficiecircncia de conversatildeo de potecircncia
λ ndash comprimento de onda
π ndash orbital ligante
πndash orbital antiligante
ndash Funccedilatildeo trabalho do material
Capiacutetulo I
Introduccedilatildeo
2
1 ndash INTRODUCcedilAtildeO
Atualmente um assunto muito debatido na esfera mundial eacute o problema da emissatildeo
de gases que provocam o efeito estufa Essa questatildeo relaciona-se por exemplo com o
desvio do curso de um rio para formar barragem para construccedilatildeo de hidreleacutetrica ou o uso
de carvatildeo ou diesel para o funcionamento de geradores de energia eleacutetrica todas essas
accedilotildees tecircm forte contribuiccedilatildeo para mudanccedilas no ambiente natural
Uma maneira eficaz de amenizar o impacto de tais accedilotildees sobre o meio ambiente
consiste no aproveitamento da energia solar que eacute uma fonte de energia renovaacutevel tanto
como fonte de calor quanto de luz O sol eacute responsaacutevel direta ou indiretamente pela
maioria das fontes de energia utilizadas atualmente a energia do sol eacute responsaacutevel pela
evaporaccedilatildeo a radiaccedilatildeo solar induz as circulaccedilotildees atmosfeacutericas causando ventos necessaacuterios
para a obtenccedilatildeo de energia eoacutelica [1] A energia luminosa pode ser transformada em
energia eleacutetrica por meio das ceacutelulas solares Na atualidade eacute uma das alternativas
energeacuteticas mais promissoras para enfrentar os desafios dos proacuteximos anos
Por ser uma energia captada diretamente a partir da incidecircncia dos raios solares a
energia produzida por ceacutelulas fotovoltaicas eacute uma tecnologia que natildeo emite gases
poluentes na atmosfera e natildeo produz ruiacutedos nem vibraccedilotildees durante o processo de
conversatildeo
Embora seja uma tecnologia relativamente antiga a produccedilatildeo de energia por ceacutelulas
fotovoltaicas natildeo teve ainda grande expansatildeo comercial devido ao elevado preccedilo de
implantaccedilatildeo do sistema Com a existecircncia de grupo gerador movido a diesel mais barato
haacute um maior uso desse tipo de sistemas em lugares que natildeo satildeo atendidos pela rede de
energia puacuteblica [23]
Tendo em vista esse cenaacuterio soacutecio econocircmico e tambeacutem ambiental existe a
necessidade de se buscar novas tecnologias para a produccedilatildeo de ceacutelulas fotovoltaicas a
custos mais acessiacuteveis viabilizando assim sua execuccedilatildeo tendo em vista que a energia solar
eacute importante na preservaccedilatildeo do meio ambiente por apresentar vantagens sobre as outras
formas de obtenccedilatildeo de energia [4] Para cada metro quadrado de coletor solar instalado
evita-se a inundaccedilatildeo de cinquumlenta e seis metros quadrados de terras feacuterteis para a
construccedilatildeo de novas usinas hidreleacutetricas
A energia solar fotovoltaica eacute a energia da conversatildeo direta da luz em eletricidade
(Efeito Fotovoltaico) que consiste no aparecimento de uma diferenccedila de potencial nos
3
extremos de uma estrutura de material semicondutor produzido pela absorccedilatildeo da luz A
ceacutelula fotovoltaica eacute a unidade fundamental no processo de conversatildeo [5]
As ceacutelulas solares orgacircnicas necessitam de muito menos energia para serem
fabricadas que as de siliacutecio convencional ie o consumo de energia gasto para fabricaccedilatildeo
de uma ceacutelula solar orgacircnica eacute muito pequeno de forma que a energia por ela gerada seraacute
muito maior do que a gasta para a sua fabricaccedilatildeo A ceacutelula solar de siliacutecio possui um
processo de fabricaccedilatildeo com preccedilos elevados inviabilizando sua fabricaccedilatildeo em larga escala
devido aos gastos elevados de energia em sua produccedilatildeo O impacto final no balanccedilo de
energia natildeo eacute positivo ou seja se gasta muito mais energia para produzir a ceacutelula que a
energia que ela eacute capaz de gerar em curto prazo
A partir de uma reflexatildeo sobre este cenaacuterio observou-se que semicondutores
orgacircnicos baseados em pequenas moleacuteculas conjugadas e poliacutemeros oferecem a
oportunidade de produzir dispositivos com larga aacuterea e baixo custo sobre substratos
plaacutesticos flexiacuteveis [67] Nesse campo as misturas de poliacutemeros (blendas polimeacutericas) ou a
aditivaccedilatildeo de poliacutemeros produzem resultados interessantes Um exemplo eacute o poliestireno
(PS) e o poli-metacrilato de metila (PMAM) misturado com oacuteleo de buriti (Mauritia
flexuosa) o material modificado tem alta absorccedilatildeo entre 250 nm a 700 nm com o maacuteximo
em 320 nm [8] Isto o torna um candidato promissor para os estudos fotovoltaicos A partir
da descoberta dos poliacutemeros condutores e suas propriedades as investigaccedilotildees sobre a
possibilidade de empregaacute-los como mateacuteria prima na construccedilatildeo de dispositivos
fotovoltaicos foram intensificadas
Com base nessas observaccedilotildees optou-se por investigar misturas de PS e PMAM
com oacuteleo de buriti a fim de construir e caracterizar dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos
Tais dispositivos podem ser construiacutedos sobre substratos plaacutesticos e em temperatura
ambiente desta forma sendo flexiacuteveis e com baixo custo [9] Entre os diversos materiais
potencialmente interessantes para esse fim encontra-se tambeacutem o Poli (3-hexiltiofeno)
(P3HT) Com base em vaacuterias referecircncias [1011] sobre o uso do P3HT misturado com
nanopartiacuteculas e com C60 (Fulereno) resolveu-se testar a mistura P3HT com oacuteleo de Buriti
Este trabalho consiste no estudo para o desenvolvimento e caracterizaccedilatildeo de
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos baseados no oacuteleo de buriti que apresenta propriedades
oacutepticas de absorccedilatildeo misturado com poliacutemeros isolantes (PS e PMAM) e com o poliacutemero
semicondutor P3HT
4
11 ndash OBJETIVO GERAL
O objetivo do presente trabalho eacute o desenvolvimento e a caracterizaccedilatildeo de
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos a partir de poliacutemero semicondutor ou de poliacutemeros
isolantes modificados pelo oacuteleo de buriti
12 ndash OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS E ORGANIZACcedilAtildeO DO ESTUDO
1 Fazer deposiccedilatildeo de filmes finos de blendas polimeacutericas a partir de
mistura de poliacutemeros isolantes PS e PMAM e do poliacutemero
semicondutor P3HT com oacuteleo de buriti
2 Montagem dos dispositivos em substratos de vidro e de plaacutestico
3 Caracterizaccedilatildeo eleacutetrica dos dispositivos desenvolvidos atraveacutes de
medidas diretas sob iluminaccedilatildeo de lacircmpadas e luz solar direta
Medidas das curvas IndashV no escuro e com iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio
4 Caracterizaccedilatildeo morfoloacutegica dos filmes depositados por spin coater
Medir as espessuras dos filmes e aacuterea ativa
Ao longo desta pesquisa seraacute mostrada a confecccedilatildeo dos dispositivos que
apresentaram algum comportamento fotovoltaico ou aqueles que tiveram resultados
interessantes Vaacuterias tentativas foram feitas a fim de buscar aquelas que apresentassem
resultados e comportamento satisfatoacuterio para um dispositivo fotovoltaico orgacircnico
Este trabalho foi dividido em quatro capiacutetulos No capiacutetulo dois seraacute feita uma
revisatildeo de alguns conceitos importantes sobre dispositivos orgacircnicos materiais utilizados
e equipamentos de caracterizaccedilatildeo No capiacutetulo trecircs seratildeo descritos os procedimentos
experimentais e resultados os quais seratildeo subdivididos em dados experimentais I II e III e
em alguns casos subdivididos em etapas Seratildeo abordadas as teacutecnicas utilizadas nas
construccedilotildees e caracterizaccedilotildees dos dispositivos No capiacutetulo quatro seratildeo apresentadas as
conclusotildees e recomendaccedilotildees para trabalhos futuros
5
Capiacutetulo II
Conceitos Baacutesicos
6
2 ndash CONCEITOS BAacuteSICOS
21 ndash POLIacuteMEROS CONDUTORES
O termo poliacutemero eacute usado para designar macromoleacuteculas formadas pela repeticcedilatildeo
de unidades chamadas de monocircmeros Alguns poliacutemeros ocorrem naturalmente outros satildeo
sintetizados Os poliacutemeros sinteacuteticos tiveram seu grande desenvolvimento no iniacutecio do
seacuteculo 20 poreacutem a grande maioria dos poliacutemeros desenvolvidos nessa eacutepoca era isolante
Na deacutecada de 50 surgiram os primeiros poliacutemeros condutores extriacutensecos que eram
poliacutemeros isolantes incorporados com materiais portadores de cargas eleacutetricas
Nos anos 70 a equipe de Hideki Shirakawa et al [12] do instituto de Tecnologia de
Toacutequio produziu um filme de poliacetileno ([CH]n) de coloraccedilatildeo prateada e que conduzia
corrente depois Shirakawa produziu um outro filme condutor de poliacetileno de
coloraccedilatildeo dourada e com maior condutividade apoacutes dopagem com iodo Apoacutes as primeiras
descobertas vaacuterios outros poliacutemeros condutores foram desenvolvidos A descoberta das
propriedades eleacutetricas do poliacetileno laureou Heeger McDiarmid e Shirakwa com o
precircmio Nobel de quiacutemica em 2000 [12]
Os poliacutemeros condutores tambeacutem satildeo chamados de metais sinteacuteticos por possuiacuterem
propriedades eleacutetricas oacutepticas e magneacuteticas semelhantes aos metais e semicondutores
Os semicondutores orgacircnicos satildeo poliacutemeros cuja estrutura principal eacute composta por
carbono Satildeo semicondutores porque possuem ligaccedilotildees simples e duplas alternadas A
figura 21 mostra a estrutura quiacutemica do condutor orgacircnico poliacetileno cuja estrutura eacute a
mais simples
A sobreposiccedilatildeo de dois niacuteveis eletrocircnicos (orbitais) cria separaccedilotildees nos niacuteveis de
energia formando um orbital ligante (π) e um antiligante (π) que podem ser chamados de
banda de valecircncia e banda de conduccedilatildeo respectivamente Os orbitais podem ser
classificados de duas formas orbital molecular mais baixo desocupado (LUMO) e orbital
molecular mais alto ocupado (HOMO)
Figura 2 1 ndash Estrutura quiacutemica do poliacetileno mostrando as ligaccedilotildees alternadas em
simples e duplas
7
Semelhante aos semicondutores inorgacircnicos os semicondutores orgacircnicos possuem
dois eleacutetrons em cada niacutevel de energia com spin oposto formando ao longo da cadeia os
orbitais π e π com banda similar aos inorgacircnicos [13] Na figura 22 o orbital π
corresponde agrave banda de valecircncia (BV) e o orbital π a banda de conduccedilatildeo (BC)
Em temperatura de 0K todos os estados eletrocircnicos da banda BV estatildeo ocupados
enquanto que os da BC estatildeo desocupados O espaccedilo entre a BC (LUMO) e BV (HOMO) eacute
chamado de Energia de banda proibida (Eg)
Figura 2 2 ndash Formaccedilatildeo da estrutura do condutor poliacetileno (a) Formaccedilatildeo de bandas
distintas pela superposiccedilatildeo de N orbitais (b) aproximaccedilatildeo da banda riacutegida para um nuacutemero
grande de orbitais
22 ndash DISPOSITIVOS FOTOVOLTAICOS ORGAcircNICOS
Os dispositivos fotovoltaicos transformam energia luminosa em energia eleacutetrica
Satildeo divididos em duas classes de acordo com a aplicaccedilatildeo tecnoloacutegica Detectores de luz
como os fotodetectores e fotocondutores e ceacutelulas solares que convertem luz em energia
eleacutetrica [14 15] A conversatildeo da luz solar em energia eleacutetrica nas ceacutelulas solares depende
da geraccedilatildeo de cargas positivas e negativas e da captura das mesmas pelos eletrodos antes
das recombinaccedilotildees dos pares eleacutetrons ndash lacunas
O dispositivo fotovoltaico orgacircnico eacute composto de uma camada ativa
ensanduichada entre dois eletrodos com diferentes funccedilotildees trabalho Para melhor captaccedilatildeo
da luz um dos eletrodos tem que ser transparente Os materiais mais usados como eletrodo
8
transparente satildeo o oacutexido de estanho (TO) o oacutexido de estanho iacutendio (ITO) e oacutexido de
estanho dopado com fluacuteor (FTO) [14] O outro eletrodo pode ser feito de alumiacutenio caacutelcio
ouro prata cobre etc A figura 23 mostra o esquema de um dispositivo fotovoltaico
orgacircnico (ceacutelula solar orgacircnica)
Figura 2 3 ndash Estrutura de uma ceacutelula solar orgacircnica A camada ativa pode compreender
uma ou mais camadas semicondutoras uma mistura de materiais ou a combinaccedilatildeo destas
duas estruturas
Quando a camada ativa eacute iluminada por alguma fonte de luz atraveacutes do eletrodo
transparente a energia luminosa eacute transferida aos eleacutetrons que estatildeo no niacutevel HOMO Os
eleacutetrons absorvem a energia do foacuteton e satildeo promovidos para o niacutevel LUMO criando assim
uma lacuna no niacutevel HOMO O eacutexciton eacute definido como o par eleacutetron-lacuna ligado pela
atraccedilatildeo Coulombiana e eacute chamado de ―eacutexciton Wannier ―[16]
A figura 24 mostra a seccedilatildeo transversal de um dispositivo fabricado da maneira
mais simples contendo uma camada de poliacutemero entre dois eletrodos A aacuterea ativa eacute a
parte da sobreposiccedilatildeo do filme da camada ativa com o filme do eletrodo de contato de
prata Um dos eletrodos deve ser transparente agrave entrada de luz neste caso o FTO
Figura 2 4 ndash Representaccedilatildeo esquemaacutetica de um dispositivo fotovoltaico feito com uma
camada de poliacutemero entre dois eletrodos
9
O processo de geraccedilatildeo de fotocorrente em dispositivos orgacircnicos fotovoltaicos
segue os seguintes passos mostrados na figura 25
Figura 2 5 ndash Processos envolvidos na geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica em um dispositivo
fotovoltaico orgacircnico
Apesar dos poliacutemeros conjugados apresentarem alto coeficiente de absorccedilatildeo em
torno de 105 cm
-1 somente parte da luz eacute absorvida e seraacute convertida em pares eleacutetrons-
lacunas Esses pares eleacutetrons - lacunas contribuiratildeo para a fotocorrente a qual ainda
depende da espessura da camada ativa polimeacuterica
O comprimento de difusatildeo de um eacutexciton em poliacutemeros conjugados eacute cerca de 10
nm devido a isso a espessura da camada ativa possui influecircncia direta sobre o
funcionamento do dispositivo Dispositivo com camada ativa muito espessa apresenta
resistecircncia agrave movimentaccedilatildeo dos portadores de cargas impedindo que as cargas positivas e
negativas sejam coletadas em seus respectivos eletrodos
Para ter um dispositivo com bom desempenho deve se construir camada ativa na
ordem de dezenas de nanocircmetros Os eacutexcitons devem ser criados nas proximidades das
interfaces do metalcamada ativa (regiatildeo ativa mostrado na figura 24) onde possa existir
maior efeito de alto campo eleacutetrico favorecendo assim a dissociaccedilatildeo dos eacutexcitons [17]
Para haver uma diferenccedila de potencial eacute necessaacuterio que os portadores sejam
coletados pelos respectivos eletrodos antes de se recombinarem A dissociaccedilatildeo do eacutexciton
ocorre em regiatildeo de alto campo eleacutetrico geralmente na interface metal-poliacutemero A figura
26 mostra um diagrama de energia para o dispositivo fotovoltaico orgacircnico sob
iluminaccedilatildeo
10
Figura 2 6 ndash Diagrama de niacuteveis de energia de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico Sob
iluminaccedilatildeo o eleacutetron (e-) eacute jogado para o niacutevel de maior energia LUMO deixando uma
lacuna (h+) no niacutevel de menor energia HOMO (Criaccedilatildeo do eacutexciton) que seratildeo coletados
pelos eletrodos 1 funccedilatildeo trabalho do 1ordm eletrodo (transparente) 2 funccedilatildeo trabalho do
2ordm eletrodo χ eletroafinidade IP potencial de ionizaccedilatildeo e Eg energia do gap
23 ndash CARACTERIZACcedilAtildeO DO DISPOSITIVO FOTOVOLTAICO
Para fazer comparaccedilotildees e caracterizar os dispositivos alguns paracircmetros satildeo
importantes para determinar a eficiecircncia entre os diferentes tipos de camada ativa dos
dispositivos Por meio do espectro dinacircmico ou resposta espectral teremos a eficiecircncia
quacircntica externa (IPCE) Para obterem-se os valores de tensatildeo circuito abeto (VOC)
corrente de curto circuito (ISC) fator de preenchimento (FF) e eficiecircncia de conversatildeo de
potecircncia () foram usados os valores retirados das curvas caracteriacutesticas I ndashV no escuro e
sob iluminaccedilatildeo [18]
231ndash Eficiecircncia quacircntica externa (IPCE)
Para se obter a resposta espectral ou espectro dinacircmico a amostra eacute submetida a
um feixe de luz monocromaacutetica de vaacuterios comprimentos de onda sem a aplicaccedilatildeo de
11
tensatildeo A eficiecircncia quacircntica externa eacute a razatildeo entre a densidade de fotocorrente de curto
circuito (JSC) medida e a intensidade de luz monocromaacutetica que incide sobre a amostra
conforme mostra a equaccedilatildeo 21
IPCE()=
(21)
Onde
JSC eacute a densidade de fotocorrente de curto circuito dada em microAcm2
λ eacute o comprimento de onda em nm
I0 eacute a intensidade de luz incidente em W m2
1024 eacute o fator de conversatildeo de energia em comprimento de onda [18]
Portanto o IPCE eacute um valor de medida de eficiecircncia para os dispositivos
fotovoltaicos
232 ndash Tensatildeo de circuito aberto (VOC) e Corrente de curto circuito (ISC)
Quando os materiais orgacircnicos das camadas ativas satildeo colocados em contato com o
eletrodo inorgacircnico existe um balanceamento de cargas entre os materiais de diferentes
funccedilotildees trabalhos ateacute que o equiliacutebrio seja atingido Nesta situaccedilatildeo haacute um nivelamento dos
niacuteveis de energia de Fermi dos materiais e um campo eleacutetrico intriacutenseco eacute criado na
interface do dispositivo
Em um dispositivo sob iluminaccedilatildeo depois da dissociaccedilatildeo dos eacutexcitons as cargas
satildeo transportadas para os eletrodos pelo campo eleacutetrico intriacutenseco que iraacute aumentar a
energia do eletrodo de menor funccedilatildeo trabalho (1) e diminuir a energia de Fermi do
eletrodo de maior funccedilatildeo trabalho (2) quase atingindo a condiccedilatildeo de banda plana
criando uma diferenccedila de potencial definida como tensatildeo de circuito aberto VOC
A figura 27 mostra o diagrama esquemaacutetico de um dispositivo fotovoltaico A
tensatildeo de circuito aberto VOC pode ser obtida da curva caracteriacutestica IndashV de um dispositivo
sob iluminaccedilatildeo quando a corrente eacute zero
12
Figura 2 7 ndash Diagrama esquemaacutetico do dispositivo fotovoltaico 2 poliacutemero1 no escuro
com o alinhamento dos niacuteveis de Fermi a) e sob iluminaccedilatildeo b) potencial de built-in ( Vbi)
intriacutenseco em temperatura ambiente esta proacuteximo ao valor de tensatildeo
Em temperaturas baixas a iluminaccedilatildeo poderaacute trazer a condiccedilatildeo de banda plana e a
tensatildeo de circuito aberto VOC seraacute igual ao potencial de built in (Vbi) Este potencial eacute
definido como a diferenccedila de funccedilatildeo trabalho entre os eletrodos em temperatura ambiente
pois a condiccedilatildeo de banda plana natildeo eacute totalmente atingida e uma pequena correccedilatildeo deve ser
adicionada ao VOC para obter o Vbi [14]
O valor da corrente eleacutetrica maacutexima que atravessa o dispositivo quando iluminado
sem nenhuma tensatildeo aplicada eacute chamado de corrente de curto circuito (ISC)
Para definir a densidade de fotocorrente (JSC) utiliza-se o valor de ISC dividido pela
aacuterea ativa do dispositivo
233 ndash Curva caracteriacutestica IndashV
Atraveacutes da curva IndashV temos a resposta eleacutetrica do dispositivo fotovoltaico A figura
28 mostra a curva caracteriacutestica IndashV no escuro e sob iluminaccedilatildeo de um dispositivo ideal
fotovoltaico No escuro a curva de resposta eacute semelhante agrave de um diodo retificador quando
a corrente soacute aparece para a tensatildeo direta Sob iluminaccedilatildeo a curva de ISC desce para o
terceiro e quarto quadrante Na polarizaccedilatildeo direta o eletrodo de maior funccedilatildeo trabalho eacute
polarizado positivamente e o de menor funccedilatildeo trabalho eacute polarizado negativamente
[1819]
13
Figura 2 8 ndash Curva caracteriacutestica IndashV de um dispositivo fotovoltaico orgacircnico no escuro e
sob iluminaccedilatildeo Tambeacutem eacute mostrado o ponto de corrente de curto circuito e tensatildeo de
circuito aberto O retacircngulo pintado indica o fator de preenchimento (FF)
234 ndash Fator de preenchimento (FF) e Conversatildeo de Potencia ()
A quantidade maacutexima de energia eleacutetrica extraiacuteda do dispositivo fotovoltaico eacute
determinada pelo fator de preenchimento (FF) ou seja eacute a razatildeo entre a potecircncia maacutexima
fornecida pelo dispositivo fotovoltaico e a potecircncia nominal do mesmo Na figura 8 o fator
de preenchimento eacute representado pela razatildeo entre as aacutereas do retacircngulo cinza (representa a
potecircncia maacutexima que o dispositivo fornece) pela aacuterea do retacircngulo azul (representa a
potecircncia nominal) Assim a equaccedilatildeo 22 mostra a relaccedilatildeo matemaacutetica para a obtenccedilatildeo do
FF
(22)
Onde Vm e Im satildeo as intersecccedilotildees da curva IndashV com a potecircncia maacutexima do
retacircngulo
14
Para aplicaccedilatildeo de um dispositivo fotovoltaico como ceacutelulas solares um dos focos
de interesse eacute a potecircncia eleacutetrica extraiacuteda que eacute determinada pela eficiecircncia de conversatildeo
de potecircncia () Para encontrar este valor divide-se o valor da potecircncia maacutexima gerada
pela ceacutelula (P) pela potecircncia da luz incidente (Pin) A expressatildeo para o caacutelculo de eacute
mostrada na equaccedilatildeo 23
=
(23)
Onde I0 eacute a intensidade de luz incidente sobre a ceacutelula solar Usando a equaccedilatildeo 22
para calculara o FF temos a equaccedilatildeo 24
(24)
24 ndash POLIacuteMEROS UTILIZADOS
Os poliacutemeros sinteacuteticos satildeo produtos quiacutemicos obtidos sinteticamente que
apresentam cadeias longas e dentre eles podemos encontrar materiais importantes para o
uso em engenharia
As propriedades dos poliacutemeros dependem muito do tipo de monocircmero que o
originaram Outros fatores que influenciam suas propriedades satildeo o tipo de reaccedilatildeo
empregada para sua obtenccedilatildeo e a teacutecnica de preparaccedilatildeo Podemos citar trecircs tipos de reaccedilotildees
a partir das quais se podem produzir um poliacutemero a poliadiccedilatildeo policondensaccedilatildeo e a
modificaccedilatildeo quiacutemica de outro poliacutemero [20]
241 ndash Polistireno (PS)
O PS eacute uma resina termoplaacutestica foi descoberto em 1831 Apesar de ter sido
proposto para uso logo apoacutes sua descoberta demorou a ser colocado no comeacutercio Isto
ocorreu porque a polimerizaccedilatildeo do monocircmero natildeo era controlada e ocorria muito
rapidamente dificultando o carregamento e a estocagem dos monocircmeros A representaccedilatildeo
da estrutura quiacutemica do PS pode ser vista na figura 29 [21]
15
Figura 2 9 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PS (C8H8)n
O PS eacute um dos plaacutesticos mais utilizados no Brasil cuja aplicaccedilatildeo pode se estender a
diversos tipos de utensiacutelios para uso domeacutesticos Em uso na fabricaccedilatildeo de objetos tais
como brinquedos escovas embalagens riacutegidas para cosmeacuteticos no isolamento ao frio na
embalagem de equipamentos em pranchas flutuantes em paineacuteis para a induacutestria
automobiliacutestica e produtos para a induacutestria de eletro-eletrocircnico etc
Suas caracteriacutesticas marcantes satildeo rigidez semelhante ao vidro alta resistecircncia
quiacutemica baixa resistecircncia a solventes orgacircnicos baixa resistecircncia a intempeacuteries boa
condiccedilatildeo de isolamento teacutermico e eleacutetrico relevante sensibilidade agrave luz incolor e
transparente [21] Frente ao calor eacute classificado como termoplaacutestico de uso geral Trata-se
de um poliacutemero de baixo custo e de faacutecil aquisiccedilatildeo No Brasil os principais fabricantes satildeo
a BASF do Brasil que produz o PS com o nome comercial de Plystirol e a Monsanto do
Brasil que o fabrica com o nome comercial de Lustrex Possui temperatura de fusatildeo
cristalina (Tm) 235 degC e temperatura de transiccedilatildeo viacutetrea (Tg) de 100 degC [20]
242 ndash Poli metacrilato de metila (PMAM)
Eacute um poliacutemero amorfo linear sua siacutentese eacute por adiccedilatildeo e requer um centro ativo
como iniciador Possui caracteriacutesticas oacutepticas e mecacircnicas resistentes aos aacutecidos orgacircnicos
[21 22] A representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica pode ser vista na figura 210
16
Figura 2 10 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica do PMMA (C5O2H8)n
Tambeacutem conhecido como plaacutestico acriacutelico esse termoplaacutestico eacute um poliacutemero
sinteacutetico de origem petroquiacutemica assim como o PS cujas principais caracteriacutesticas satildeo
transparecircncia boa resistecircncia quiacutemica resistente a impactos e a intempeacuteries
Eacute um poliacutemero considerado de baixo custo e de faacutecil aquisiccedilatildeo No Brasil
destacam-se como fabricantes a CP Bahia e a Rohm amp Haas que produzem
respectivamente o Acrigel e o Acryloid
O PMAM eacute usado em placas para sinalizaccedilatildeo de traacutefego em estradas nas induacutestrias
automobiliacutesticas de aviaccedilatildeo e na construccedilatildeo civil Eacute vastamente empregado na fabricaccedilatildeo
de fibras oacutepticas e em eletro-eletrocircnicos aleacutem disso o PMAM tem sido utilizado na
ortopedia desde sua siacutentese Pesquisa na aacuterea da eletrocircnica orgacircnica estaacute sendo
desenvolvida [2223] e tambeacutem na aacuterea da medicina como na esteacutetica e em outras
aplicaccedilotildees na aacuterea da sauacutede [2425]
Possui temperatura de fusatildeo cristalina (Tm) 160 degC e temperatura de transiccedilatildeo viacutetrea
(Tg) de 105 degC[20]
243 ndash Poli(34-Etileno Dioxitiofeno)Poli(Estireno-Sulfonato) (PEDOTPSS)
As pesquisas sobre poliacutemeros condutores tecircm atraiacutedo cientistas e grandes empresas
Ao longo desta deacutecada grandes descobertas foram realizadas em relaccedilatildeo aos poliacutemeros
condutores [26]
Cientistas da Bayer AG [27 28] contribuiacuteram para o desenvolvimento do Poli (34-
etileno dioxitiofeno) (PEDOT) que apresenta propriedades e caracteriacutesticas interessantes
mesmo em seu estado dopado A cadeia principal estaacute representada na figura 211
17
Figura 2 11 ndash Representaccedilatildeo da cadeia principal do PEDOT [28]
O PEDOT possui alta condutividade contudo natildeo eacute soluacutevel em aacutegua Para tornaacute-lo
soluacutevel foi adicionado o poli (estireno sulfonado) (PSS) assim as altas taxas de
condutividade foram perdidas no processo de dopagem Apesar disto a combinaccedilatildeo do
PEDOTPSS ilustrado na figura 212 resultou em um poliacutemero com caracteriacutesticas e
condiccedilotildees favoraacuteveis tornando simples a deposiccedilatildeo dos filmes
O PEDOTPSS eacute apresentado em soluccedilatildeo azul escuro e possui condutividade
maacutexima de 10 S cm (depende da espessura e do processo de confecccedilatildeo do filme) Mostra
alta taxa de absorccedilatildeo luminosa entre 900 nm e 2000 nm [28]
Figura 2 12 ndash Representaccedilatildeo da estrutura quiacutemica da interaccedilatildeo entre o PEDOT e PSS [28]
O PEDOTPSS eacute um exemplo de poliacutemero condutor comercial que atraiu usuaacuterios e
pesquisadores em vaacuterios paiacuteses Atualmente existem vaacuterios estudos de dispositivos
orgacircnicos para aplicaccedilotildees em ceacutelulas solares que utilizam o PEDOTPSS [30-32] Seu uso
18
em pesquisas se estende a outros dispositivos orgacircnicos como OLEDs sensores
transistores etc [32 33]
244 ndash Poli (3-hexiltiofeno) (P3HT)
O P3HT eacute um poliacutemero sinteacutetico semicondutor tipo p fabricado e comercializado
pela Aldrichreg possui alto peso molecular Sua estrutura com grades reacutegio-regulares
favorece os estudos para aplicaccedilotildees em ceacutelulas fotovoltaicas orgacircnicas (OPV) Possui
propriedades fotoluminescentes na faixa de comprimento de onda 450 nm e 575 nm [34]
Tambeacutem pode ser combinado com outro tipo de poliacutemeros para aplicaccedilotildees em ceacutelulas
solares [35-37] O transporte de cargas majoritaacuterio eacute de lacunas
A Soluccedilatildeo do P3HT pode ser solubilizada em clorofoacutermio (CHCL3) Aleacutem deste
solvente o P3HT pode ser diluiacutedo em tolueno (C7H8) tri-cloro-benzeno cloro-benzeno e
xyleno soluacutevel A estrutura quiacutemica pode ser vista na figura 213
Figura 2 13 ndash Estrutura quiacutemica do P3HT (C10H18S)n
245 ndash Oacuteleo de Buriti (Mauritia Flexuosa L) ndash OB
A palmeira do buriti (Mauritia flexuosa L) aparece em regiotildees de vaacuterzea e brejo e eacute
comumente encontrada na regiatildeo da Amazocircnia A figura 214 ilustra a foto da palmeira do
buritizeiro Tanto as palmeiras como os frutos satildeo muito utilizados pelas pessoas que
moram nas regiotildees ribeirinhas por exemplo para fazer coberturas de casas com as folhas
ou para extrair a polpa dos frutos para o uso na alimentaccedilatildeo
19
Figura 2 14 ndash Foto da palmeira do Buriti (Mauritia Flexuosa) conhecida como Buritizeiro
[21]
A palmeira do buritizeiro costuma ter altura de ateacute cinquumlenta metros A meacutedia de
frutos colhidos em todos os cachos varia de quinhentos a oitocentos frutos O fruto do
buriti apresenta forma arredondada e eliacuteptica mede aproximadamente de quatro a seis
centiacutemetros de diacircmetro com peso variando entre vinte e cinco a quarenta gramas A
figura 215 ilustra o fruto do buritizeiro tambeacutem pode ser observada a cor amarelada da
polpa
Figura 2 15 ndash Ilustraccedilatildeo dos frutos maduros do Buriti (a) aspecto da casca (b) polpa de
cor amarelada [21]
Estudos desenvolvidos por Moreira et al [38- 40] mostram propriedades oacutepticas de
absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo eletromagneacutetica na faixa do ultravioleta e do visiacutevel solar (UV-VIS)
20
Duratildees et al [39] estudando as soluccedilotildees do OB diluiacuteda em clorofoacutermio observaram
grau de absorccedilatildeo de radiaccedilatildeo UV-VIS na faixa de 245 248 e 276 nm Tambeacutem foram
avaliadas a incorporaccedilatildeo do OB em matrizes de PMAM e PS que apresentaram niacuteveis de
absorccedilatildeo em comprimentos de onda maiores do que 276 nm
A figura 216 mostra os espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo ultravioleta (UV) dos
filmes de PS e PS com OB nas proporccedilotildees estudadas Observa-se nesses espectros que o
filme de PS sem o OB apresenta absorccedilatildeo insignificante nessa regiatildeo do espectro
eletromagneacutetico Esse material mostra uma pequena banda de absorccedilatildeo entre 250 nm Nos
espectros do material polimeacuterico misturado com OB percebe-se um aumento da absorccedilatildeo
da radiaccedilatildeo como consequumlecircncia do aumento do teor de OB nas amostras Esta absorccedilatildeo eacute
indicada por uma banda larga e intensa entre 275 nm e 375 nm que se desloca para
comprimentos de onda maiores agrave medida que a concentraccedilatildeo do oacuteleo aumenta nos
materiais compostos [40]
Figura 2 16 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PS puro e PSOB [40]
A figura 217 mostra os espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes de
PMAM puro e PMAM OB nas proporccedilotildees estudadas O estudo de espectroscopia por
absorccedilatildeo na regiatildeo do UV mostrou que o OB proporcionou uma elevaccedilatildeo de ateacute 400 na
absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo pelo PMAM misturado com OB Este aumento ocorreu regularmente
21
com o teor do dopante exceto para o material com maior percentual do oacuteleo onde
provavelmente a sua maior quantidade tenha dificultado a incorporaccedilatildeo no PMAM
Como consequumlecircncia da incorporaccedilatildeo do OB na matriz de PMAM foi observada
uma banda larga de absorccedilatildeo entre 260 nm e 380 nm que sofreu deslocamento para
comprimentos de onda maiores acompanhando o aumento no teor de oacuteleo das amostras
Nota-se portanto que o comportamento das amostras de PMAM OB eacute semelhante ao dos
materiais PS OB com exceccedilatildeo da inversatildeo de absorccedilatildeo dos filmes feitos com percentuais
do OB de 3455 e 4681 nos filmes de PMAM
Figura 2 17 ndash Espectros de absorccedilatildeo da radiaccedilatildeo UV dos filmes PMAM puro e PMAM
OB [40]
22
Capiacutetulo III
Procedimentos Experimentais e
Resultados
23
3 ndash PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS
31 ndash MATERIAIS
Escolheu-se trabalhar com substrato de vidro por que eacute transparente fornece
sustentaccedilatildeo mecacircnica natildeo se degrada com o calor permite a entrada de luz no dispositivo
e possui uma camada condutora com resistecircncia relativamente baixa As resistecircncias das
lacircminas foram medidas com multiacutemetro digital comum e apresentaram um valor em torno
de 41-70 Ω A resistecircncia desses substratos muda de acordo com o processo de
deposiccedilatildeo dos filmes de FTO [41 42] Tambeacutem foram usados substratos flexiacuteveis de
plaacutestico (PET) no tamanho de 2 cm x 3 cm
Os poliacutemeros condutores usados foram o PEDOTPSS e o P3HT Usou-se o PEDOT
PSS para fazer um dos eletrodos O P3HT foi usado misturado com o oacuteleo de buriti para
fazer um tipo de camada ativa Trabalhou-se com misturas de poliacutemeros isolantes PS e
PMAM com OB preparadas no Laboratoacuterio de Poliacutemeros do Instituto de Quiacutemica da UnB
Usou-se misturas com concentraccedilotildees de 8 e 47 de OB na matriz de PS e misturas com
35 de OB na matriz de PMAM conforme descrito por JR Duratildees em [40]
Para fazer o eletrodo superior usou-se a tinta condutora de prata marca INK
SILVER (tinta 100 prata) com pureza da prata 99 e tamanho da partiacutecula de prata 05
a 70 m dissolvidas em solvente e um verniz de alta aderecircncia (NOS002) Em algumas
amostras usou-se tambeacutem o grafite de um laacutepis HB
32 ndash EQUIPAMENTOS UTILIZADOS
321 ndash Multiacutemetros
Para fazer as medidas eleacutetricas diretas de ISC empregou-se o uso do multiacutemetro
analoacutegico ET-3021 porque possuiacutea escala de ateacute micro ampeacutere Para as medidas diretas de
resistecircncia seacuterie e de VOC usou-se o multiacutemetro digital modelo ET-2042C
322 ndash Spin coater
Os filmes finos foram preparados utilizando um conjunto de equipamento que
compotildee o spin coater (Laureal modelo WS- 400B-6NPPLITE) do Laboratoacuterio de
Dispositivo e Circuitos Integrados da UnB (LDCI) mostrado na figura 31
24
Figura 3 1 ndash (a)bomba de vaacutecuo (b) compressor de ar comprimido (c) vaacutelvula de
controle e (d) spin coater
O equipamento de spin coater consiste em um conjunto composto de bomba de
vaacutecuo compressor de ar comprimido regulador de pressatildeo e o spin coater que possui
compartimento feito de teflon Acoplado ao spin coater haacute um display de cristal liquido
(LCD) para visualizaccedilatildeo dos programas realizados
Tem-se ateacute 20 programas de processamentos (A ateacute T) contendo ateacute 51 etapas cada
um que podem ser armazenados definitivamente na memoacuteria caso haja possibilidade de
modificar o programa posteriormente Cada etapa do programa inclui tempo total de
duraccedilatildeo da deposiccedilatildeo velocidade de rotaccedilatildeo do substrato em rpm e
aceleraccedilatildeodesaceleraccedilatildeo Satildeo possiacuteveis rotaccedilotildees de ateacute 11000 rpm
Na figura 32 haacute uma foto mostrando a lateral e parte da frente do compartimento
onde o substrato eacute colocado no momento da centrifugaccedilatildeo Ao lado do spin coater pode ser
visualizado o display de LCD programaacutevel acoplado
25
Figura 3 2 ndash Equipamento de spin coater instalado no laboratoacuterio LDCI vista lateral e
frontal
323 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores (Curva IndashV)
As curvas IndashV das amostras foram obtidas com um sistema de caracterizaccedilatildeo de
semicondutores Keithley modelo 2400 mostrado na figura 33 o qual permite aplicar
tensotildees entre 1 μV e 1100 V e medir a corrente entre 10 pA e 105 A
Figura 3 3 ndash Sistema de caracterizaccedilatildeo de semicondutores Keithley 2400 laboratoacuterio
LDCI
26
Todo o processo de medidas eacute controlado atraveacutes de um microcomputador que eacute
conectado aos equipamentos atraveacutes de uma interface paralela (General Purpose Interface
Bus (GPIB) que controla os equipamentos coleta e armazena os dados O programa usado
para este fim eacute o software LABVIEW 61
324 ndash Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM)
A caracterizaccedilatildeo morfoloacutegica dos filmes das camadas ativas foi obtida em um
equipamento de medidas de microscopia de forccedila atocircmica AFM marca VEECO DInnova
(figura 34) com ponteira de nitrato de siliacutecio (forma em V) com constante de mola de
058 Nm Todas as imagens foram obtidas em modo contato (512 x 512 pixel) e taxa de
varredura de 1 Hz
Figura 3 4 ndash Vista frontal do AFM marca VEECO Innova
27
Os filmes caracterizados por AFM consistiram em camadas ativas feitas com
soluccedilotildees de PS puro PSOB 47 PMAM puro PMAMOB 35 P3HTOB puro e
P3HT PS OB 47 depositadas sobre substrato de vidro recoberto com FTO por spin
coating e com rotaccedilatildeo de 7000 rpm por 40 segundos
33 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS I
331 ndash Experimentos Etapa 1
Nesta etapa utilizou-se a metodologia adaptada a partir da descriccedilatildeo da montagem da
ceacutelula solar de Graumltzel [43] Essa ceacutelula eacute tambeacutem conhecida como ceacutelula solar de corante
Nessa ceacutelula a geraccedilatildeo de energia eacute produzida por um efeito eletroquiacutemico [44] Para cada
amostra foram usadas duas lacircminas de vidro tamanho 1 cm x 25 cm recoberto com FTO
Os substratos foram utilizados conforme retirados das embalagens ou seja natildeo passaram
por nenhum tipo de limpeza
3311 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo dos eletrodos
Para um dos eletrodos usou-se o grafite que foi obtido a partir de um laacutepis para
desenho HB No lado do substrato contendo o FTO pintou-se a lacircmina com o laacutepis Para o
outro eletrodo foi usado uma soluccedilatildeo PEDOT PSS As amostras foram confeccionadas
manualmente e as deposiccedilotildees foram feitas com pincel comum A soluccedilatildeo de PEDOT PSS
ficou agitando durante 2 horas antes da deposiccedilatildeo sobre o substrato a fim de obter-se uma
soluccedilatildeo mais homogecircnea Devido o filme de PEDOTPSS ser espesso o processo de
secagem a temperatura ambiente foi demorado Assim apoacutes a pintura se fez necessaacuterio a
secagem das amostras na estufa durante 8 horas a 80 ordmC e para concluir o processo
ficaram em temperatura ambiente por mais 24 horas
3312 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo da camada ativa
Antes de fazer a deposiccedilatildeo do filme da camada ativa de PSOB 8 a mistura foi
agitada durante 30 minutos com intuito de obter-se uma dissoluccedilatildeo completa da soluccedilatildeo
28
Sobre o eletrodo de PEDOTPSS foi depositada por casting uma quantidade da soluccedilatildeo de
PSOB 8
3313 ndash Formaccedilatildeo do dispositivo
Para formar o dispositivo as duas lacircminas de vidro foram juntadas uma com
grafite e a outra com PEDOTPSS e a camada ativa de PSOB 8 As duas foram juntadas
antes que a camada ativa estivesse seca de modo a ajudar na colagem das mesmas Para
garantir a uniatildeo fiacutesica das lacircminas foi usado um clipe conforme mostrado na figura 35 A
aacuterea ativa eacute da ordem de 1 cm2
Figura 3 5 ndash Amostras confeccionadas com duas lacircminas de substrato de vidro
recoberto com FTO baseada no modelo de Graumltzel
3314 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
A fonte de iluminaccedilatildeo utilizada na caracterizaccedilatildeo dos dados experimentais e
resultados I consistiu em uma lacircmpada incandescente comum de 100 W ligada em seacuterie
com um varivolt de 240 volts
Foram feitas quatro amostras (CS1 CS2 CS3 e CS4) da forma como descrito
acima As medidas eleacutetricas foram tomadas usando-se dois multiacutemetros um digital e outro
analoacutegico As amostras foram iluminadas com a lacircmpada incandescente de 100 W e foram
observados valores de ISC e VOC nos multiacutemetros a partir de uma tensatildeo de 240 volts na
lacircmpada Todas as amostras ficaram expostas durante aproximadamente 5 minutos Os
valores de ISC e VOC obtidos satildeo mostrados na tabela 31
29
Tabela 3 1 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W) Tensatildeo da
lacircmpada
CS1 mdash mdash mdash 240
CS2 03 09 027 240
CS3 06 05 030 240
CS4 02 01 020 240
3315 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Pode-se observar o aparecimento de VOC e tambeacutem de ISC em trecircs das amostras
confeccionadas com tensatildeo de alimentaccedilatildeo na fonte de iluminaccedilatildeo de 240 volts Os
valores de VOC e ISC satildeo um pouco diferentes entre as trecircs amostras apesar de elas terem
sido confeccionadas seguindo os mesmos procedimentos Isto pode ter sido devido agrave
dificuldade em se controlar a espessura das camadas ativas Os resultados obtidos para VOC
e ISC satildeo menores do que os reportados na literatura [4344] Contudo os materiais usados
satildeo diferentes dos relatados na literatura Neste dispositivo o OB estaacute se comportando
como um corante e promovendo o processo eletroquiacutemico de transformaccedilatildeo de energia
luminosa em energia eleacutetrica Assim uma mudanccedila na concentraccedilatildeo de oacuteleo poderaacute
modificar os resultados obtidos ateacute aqui
332 ndash Experimentos Etapa 2
3321 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras
Na segunda etapa foram confeccionadas quatro amostras (CS5 CS6 CS7 e CS8)
utilizando a mesma metodologia do experimento da Etapa 1 mudando apenas a
concentraccedilatildeo do OB de 8 para 47 No lugar do clipe para unir as duas lacircminas usou-se
fita adesiva
3322 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
As medidas das amostras foram realizadas usando os mesmos equipamentos jaacute
citados e descritos anteriormente Duas destas amostras natildeo tiveram medidas de ISC nem
30
VOC Para as demais soacute foram observadas medidas de VOC e ISC apoacutes a tensatildeo da lacircmpada
atingir 200 volts Todas as amostras ficaram expostas durante 5 minutos Os valores de ISC
e VOC obtidos satildeo mostrados na tabela 32
Tabela 3 2 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W) Tensatildeo da
lacircmpada
CS5 ndash ndash ndash 240
CS6 18 09 162 240
CS7 ndash ndash 240
CS8 09 03 027 240
3323 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Os valores de VOC e ISC obtidos nesta etapa satildeo maiores que os obtidos na Etapa1
Isto pode estar relacionado ao efeito corante do OB Nesta etapa mudou-se a concentraccedilatildeo
de 8 de OB para 47 de OB esse paracircmetro foi o uacutenico a ser mudado entre as duas
etapas Estas amostras bem como as da Etapa 1 natildeo puderam ter seus valores de VOC e ISC
medidos novamente porque as amostras descolavam os eletrodos danificando os
dispositivos Assim estas estruturas natildeo foram repetidas
333 ndash Experimentos Etapa 3
Nesta etapa mudou-se o tipo de substrato e a configuraccedilatildeo das amostras A
configuraccedilatildeo de construccedilatildeo baseada na estrutura dos dispositivos desenvolvidos por
Graumltzel natildeo foi mais usada O substrato de vidro foi substituiacutedo por um substrato de
plaacutestico de Poli (Tereftalato de Etila) (PET) a fim de desenvolver amostras flexiacuteveis e de
menor custo As camadas ativas tiveram a concentraccedilatildeo do OB de 47 O substrato de
PET foi limpo com clorofoacutermio acetona e aacutegua deionizada Apoacutes o processo de limpeza os
substratos foram secos a temperatura ambiente por 2 horas Para substituir a camada
condutora de FTO e construir um dos eletrodos utilizou-se leit-C e leit-C diluente
adquirido da FLUKA esses dois elementos produzem a pasta de carbono O PEDOTPSS
31
foi utilizado para formar um filme sobre o eletrodo de carbono E por uacuteltimo foi usada a
Ag para fazer o eletrodo superior
3331 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras
Com o substrato recortado no tamanho de 2 cm x 3 cm inicia-se o processo de
limpeza As folhas de PET foram imersas em clorofoacutermio durante 30 minutos em soluccedilatildeo
de acetona por mais 30 minutos e por ultimo foram enxaguadas com aacutegua deionizada O
processo de secagem foi realizado em temperatura ambiente dentro da estufa
A pasta de carbono foi preparada para ser o eletrodo inferior Essa foi espalhada
manualmente com ajuda de uma espaacutetula sobre toda a folha do PET Com o substrato
preparado e tendo a superfiacutecie recoberta com um filme de carbono jaacute seco a soluccedilatildeo de
PEDOT PSS foi pintada sobre o filme de carbono com um pincel de cerdas macias
comum Antes da deposiccedilatildeo a soluccedilatildeo de PEDOT PSS foi agitada durante 2 horas
Apoacutes a pintura do filme de PEDOTPSS as amostras foram colocadas na estufa agrave
temperatura de 50 degC durante 8 horas e permaneceram por mais 24 horas em temperatura
ambiente dentro da estufa A camada ativa foi depositada usando uma pipeta contendo 001
uL de PSOB 47 Para formar o contato inferior uma pequena parte do filme de
PEDOTPSS foi deixado visiacutevel
Apoacutes a deposiccedilatildeo da camada ativa as amostras ficaram em temperatura ambiente
por 24 horas para concluir o processo de secagem O eletrodo superior foi pintado com
tinta de Ag sobre uma pequena aacuterea da camada ativa A secagem do eletrodo superior foi
em temperatura ambiente A aacuterea ativa destas amostras eacute da ordem de 05 cm2 A figura 36
a) mostra o esquema final da amostra e a figura 36 b) uma foto do dispositivo finalizado
Figura 3 6 ndash (a) Esquema da amostra confeccionada no substrato flexiacutevel de plaacutestico
(PET) (b) foto do substrato finalizado
32
3332 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
Nesta etapa foram confeccionadas cinco amostras chamadas de P1 P2 P3 P4 e
P5 As medidas eleacutetricas foram realizadas usando os equipamentos jaacute descritos nas etapas
anteriores Os valores de VOC e ISC foram medidos apoacutes a tensatildeo da lacircmpada atingir 200
volts Todas as amostras ficaram expostas sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada durante cinco
minutos As amostras tiveram as resistecircncias medidas Pois os substratos utilizados aqui
eram isolantes e o filme condutor foi construiacutedo manualmente As resistecircncias das
amostras satildeo mostradas na tabela 33 juntamente com os valores de ISC VOC e potecircncia
calculada
Todas as amostras apresentaram valores de VOC e ISC para tensatildeo de iluminaccedilatildeo da
lacircmpada acima de 220 volts exceto a amostra P4 A amostra P4 mostrou valores
mensuraacuteveis de VOC e ISC a partir de iluminaccedilatildeo da lacircmpada com tensatildeo de 110 volts Os
valores desta variaccedilatildeo satildeo mostrados na tabela 34
Tabela 3 3 ndash Valores medidos de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (W) Tensatildeo da
Lacircmpada
Resistecircncia
Ohms
P1 ndash ndash ndash 240 540
P2 09 01 09 240 890
P3 15 07 105 240 550
P4 09 06 054 240 1500
2000 P5 24 09 216 240
Tabela 3 4 ndash Valores medidos de VOC e ISC com iluminaccedilatildeo da lacircmpada incandescente de
100 W para variaccedilatildeo de iluminaccedilatildeo para a amostra P4
Variaccedilatildeo das tensotildees VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W)
110 04 01 04
160 06 02 012
220 07 03 021
240 09 06 054
33
3333 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Na tabela 33 natildeo foi observada nenhuma ligaccedilatildeo direta dos valores de ISC e VOC
com as resistecircncias medidas das amostras Em relaccedilatildeo agraves amostras feitas nas Etapas 1 e 2
pode-se notar valores de ISC e VOC maiores
Foi observado que em todas as amostras confeccionadas no substrato de PET apoacutes
alguns minutos de aquecimento pela fonte de luz (lacircmpada de 100 w) as amostras se
deformavam Agrave medida que os testes eram repetidos as amostras se retorciam e em
algumas amostras os filmes ressecaram e se soltaram dos substratos Apesar destes
comportamentos ao se repetir os testes os valores de VOC e ISC permaneciam inalterados
para as amostras que os filmes natildeo estavam completamente rompidos A figura 37
apresenta a foto de uma amostra apoacutes ser submetida agrave fonte iluminaccedilatildeo de lacircmpada
incandescente de 100 W por 20 minutos Devido aacute sua deformaccedilatildeo e degradaccedilatildeo com o
calor este tipo de substrato foi descartada
Figura 3 7 ndash Amostra feita com substrato de PET apoacutes ser submetidos agrave fonte de lacircmpada
incandescente de 100 W por 20 minutos
334 ndash Experimentos Etapa 4
Devido ao retorcimento e agrave deterioraccedilatildeo das amostras confeccionadas com
substrato de PET nesta etapa voltou-se a utilizar o substrato de vidro recoberto com FTO
A prata foi usada para construir o eletrodo superior das amostras Para a camada ativa
continuou-se com uso do PSOB 47 Seguindo o mesmo esquema utilizado anteriormente
34
para confecccedilatildeo das amostras de PET mudou-se apenas o substrato O esquema do
dispositivo pode ser visto na figura 38
3341 ndash Procedimentos para preparaccedilatildeo das amostras
As resistecircncias dos substratos de vidro de 1 cm x 25 cm estatildeo entre 89 a 115 Ω
Os substratos foram limpos com clorofoacutermio acetona e aacutegua deionizada
Apoacutes o processo de limpeza todos os substratos foram secos a temperatura
ambiente por 2 horas
O eletrodo de PEDOTPSS foi pintado sobre o filme de FTO do substrato Em
seguida as amostras foram colocadas na estufa a 80 degC durante 24 horas
Apoacutes a secagem da camada de PEDOTPSS foi realizada a deposiccedilatildeo da camada
ativa com o auxilio de uma pipeta contendo 001 ml de soluccedilatildeo de PSOB 47 O
processo de secagem foi em temperatura ambiente por 24 horas
Por uacuteltimo foi feito o contato superior de tinta de Ag sobre a camada ativa de PS
OB 47 utilizando um pincel fino de cerdas comuns A aacuterea ativa foi estimada e ficou em
torno de 025 cm2 A figura 38 a) mostra o esquema que foi usado para confeccionar as
amostras e a figura 38 b) ilustra a amostra finalizada
Figura 3 8 ndash (a) Esquema da amostra para substrato de vidro recoberto com FTO (b) foto
da amostra finalizada
3342 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada incandescente de 100 W
Nesta etapa foram confeccionadas 10 amostras que foram nomeadas de v1 v2 v3
v4 v5 v6 v7 v8 v9 e v10 A tabela 35 mostra os valores daquelas que apresentaram
melhores desempenhos de VOC e ISC As medidas eleacutetricas foram realizadas usando os
equipamentos jaacute descritos nas etapas anteriores As medidas obtidas satildeo inferiores agravequelas
jaacute conseguidas nos itens anteriores Valores de VOC e ISC significativos ocorreram apoacutes a
tensatildeo da lacircmpada atingir 220 volts Todas as amostras ficaram expostas sob a luz da
lacircmpada durante 10 minutos As amostras foram iluminadas atraveacutes do vidroFTO
35
Tabela 3 5 ndash Valores de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo de lacircmpada incandescente de 100 W
durante 5 minutos
Amostras VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia ( W) Tensatildeo lacircmpada
v3 06 02 012 240
v5 05 01 050 240
v7 11 09 099 240
3343 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Apesar das amostras terem sido feitas seguindo os mesmos procedimentos os
valores de VOC e ISC obtidos satildeo diferentes Isto pode ter ocorrido devido agraves diferenccedilas nas
espessuras das camadas ativas que natildeo puderam ser controladas e tambeacutem no tamanho das
aacutereas ativas que podem ser levemente diferentes Aqui natildeo se pode falar em comparaccedilatildeo
com as outras amostras feitas anteriormente porque a aacuterea da camada ativa foi bastante
reduzida e as estruturas satildeo diferenciadas Desta forma os valores obtidos mesmo
menores ainda satildeo vaacutelidos
34 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS II
341 ndash Misturas usando P3HT
Nesta etapa foi proposto um estudo sobre diferentes misturas para a construccedilatildeo das
camadas ativas sempre incorporando o uso do OB Tipos de camadas ativas utilizadas
PSOB 47 P3HT+OB puro e PSOB 47 + P3HT
Para os trecircs tipos de dispositivos aqui investigados foi usado substrato de vidro
recoberto com FTO sobre o qual foi depositado por spin coating um filme de
PEDOTPSS que serviu como eletrodo inferior As camadas ativas foram depositadas
sobre o eletrodo de PEDOTPSS usando a teacutecnica de spin coating O eletrodo superior foi
pintado com tinta condutiva de Ag A figura 38 mostra o esquema do dispositivo que foi
utilizado para a confecccedilatildeo destas amostras
Para as medidas diretas de VOC e ISC foram usados dois tipos de iluminaccedilatildeo
artificial com lacircmpada de mercuacuterio Spektrallamp 80 W e iluminaccedilatildeo natural solar
36
342 ndash Experimentos Etapa 1
Nas etapas anteriores os filmes das amostras foram produzidos manualmente por
casting mas os resultados obtidos nas medidas iniciais natildeo foram satisfatoacuterios A fim de
buscar melhores resultados e tendo jaacute disponiacutevel no laboratoacuterio o equipamento de spin
coater para produzir filmes mais finos e homogecircneos a metodologia de confecccedilatildeo dos
filmes foi mudada Os filmes finos foram preparados em rotaccedilotildees variadas a fim de se
obter um filme adequado
3421 ndash Preparaccedilatildeo dos filmes por spin coater
Para preparar o primeiro grupo de amostras usaram-se substratos de vidro
recobertos com FTO Todos os substratos foram lavados em aacutegua deionizada e colocados
em estufa a 80degC para secar Para fazer o filme de PEDOTPSS inicialmente foi usada
rotaccedilatildeo de 500 rpm durante 25 segundos para espalhar a soluccedilatildeo uniformemente em todo
o substrato em seguida usou-se uma rotaccedilatildeo de 3000 rpm durante 40 segundos para
finalizar a confecccedilatildeo do filme
O filme de PEDOTPSS obtido dessa forma ficou bastante fino de modo que a
amostra saia do spin coater quase seca A fim de eliminar-se qualquer vestiacutegio do
solvente que no caso do PEDOT PSS usou-se agrave aacutegua as amostras foram colocadas na
estufa em temperatura de 50 degC por 1 hora Antes de depositar a camada ativa uma parte
do filme de PEDOTPSS foi protegido com fita onde foi construiacutedo o eletrodo inferior
Foram preparados trecircs tipos de soluccedilotildees para formar a camada ativa A primeira foi
uma soluccedilatildeo jaacute preparada de PS OB 47 no LABPOL do instituto de Quiacutemica UnB [41]
A segunda uma mistura de PS OB 47 mais o P3HT na proporccedilatildeo de 11 e a terceira foi
uma soluccedilatildeo de 1 ml de P3HT com 001 ml de OB puro As trecircs soluccedilotildees foram agitadas
durante 2 horas antes de serem depositadas por spin coating Os filmes da camada ativa
foram feitos com rotaccedilatildeo de 4000 rpm durante 40 segundos
Como o clorofoacutermio eacute um solvente que tem evaporaccedilatildeo raacutepida a deposiccedilatildeo da
camada ativa foi feita com o substrato jaacute girando no spin coater A deposiccedilatildeo foi realizada
com ajuda de uma pipeta As secagens das camadas ativas foram em temperatura ambiente
dentro da estufa para proteger as amostras de impurezas tais como poeira e contaminaccedilotildees
em geral
37
Por fim foi pintado no topo das amostras o eletrodo de Ag Foram construiacutedas duas
geometrias para se observar a influecircncia na quantidade de cargas coletadas e tambeacutem a
influecircncia do tamanho da aacuterea ativa As geometrias satildeo mostradas nas figuras 39 (a) e 39
(b)
Figura 3 9 ndash (a) Geometria do eletrodo de Ag confeccionado em forma de ponto e (b)
geometria do eletrodo de Ag feito em forma de trilhas
3422 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W
A fonte de iluminaccedilatildeo utilizada na caracterizaccedilatildeo dos dados experimentais e
resultados II consistiu em uma lacircmpada Hg spektrallamp de 80 W ligada a uma fonte de
alimentaccedilatildeo DROSSEL FUumlR SPEKTRALLAMP POWER SUPPLY FOR SPECTRAL
LAMPS
As medidas eleacutetricas das amostras foram realizadas usando os mesmos
equipamentos jaacute citados nos dados experimentais e resultados I
Cada amostra ficou exposta agrave radiaccedilatildeo direta da lacircmpada de Hg aproximadamente
por 5 minutos Para estas medidas natildeo foram considerados interferecircncia acircngulo de
inclinaccedilatildeo da amostra ou da lacircmpada Os valores de VOC e ISC obtidos para os dois tipos de
contatos para as geometrias desenhadas em forma de ponto e em trilha satildeo mostrados nas
tabelas 36 e 37 respectivamente
38
Tabela 3 6 ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito com um ponto de
prata Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PSOB 47 02 001 2
OB puroP3HT 06 002 12
PSOB 47P3HT 06 002 12
Tabela 3 7ndash Medidas de VOC e ISC das amostras com contato feito de prata em forma de
trilhas com concentraccedilatildeo em um ponto Sob lacircmpada de Hg de 80 W durante 5 minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PSOB 47 12 006 72
OB puroP3HT 11 005 55
PSOB 47P3HT 11 005 55
3423 ndash Caracterizaccedilatildeo com luz solar direta
As amostras com geometria de contato em forma de trilhas foram escolhidas para
serem caracterizadas pela luz solar direta Pois este grupo de amostra apresentou melhores
desempenhos quando submetidas agrave luz da lacircmpada espectral de Hg em relaccedilatildeo agraves amostras
confeccionadas com eletrodos em forma de ponto As medidas foram realizadas em dia de
sol intenso nos horaacuterios entre onze horas e doze horas Para realizar estas medidas foi
utilizada uma lente convergente [45] Isso foi feito para concentrar os raios solares sobre as
amostras Todas as amostras deste grupo ficaram expostas por aproximadamente 5 minutos
cada Os resultados satildeo mostrados na tabela 38
Tabela 3 8 ndash Resultados obtidos das medidas de VOC e ISC usando luz solar direta durante
5 minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PSOB 47 22 002 44
OB puroP3HT 18 002 36
PSOB 47P3HT 17 001 17
39
3423 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Para as amostras com contato de prata com a geometria desenhada em forma de
trilhas foram observados valores de VOC e ISC maiores do que aqueles com contato de
prata desenhado em forma de ponto Isto indica que realmente a geometria das trilhas
favorece a coleta das cargas geradas Neste caso tambeacutem existe uma aacuterea ativa maior o
que contribuiu para uma maior absorccedilatildeo da luz e consequumlentemente um aumento na
quantidade de cargas
As amostras com a camada ativa de PSOB 47 mostraram VOC e ISC superiores agraves
outras que continham a mistura do P3HT em sua camada ativa
Quando as amostras foram submetidas agrave luz solar direta houve um aumento
significativo de VOC contudo tivemos valores de ISC reduzidos em relaccedilatildeo aos valores
obtidos com a iluminaccedilatildeo da lacircmpada Hg Isto pode ser devido ao calor gerado pelo sol
que promoveu um espalhamento das cargas Pode-se notar que a potecircncia fornecida
tambeacutem diminuiu quando a luz solar foi usada como fonte de luz para caracterizaccedilatildeo das
amostras
343 ndash Experimentos Etapa 2
Para fazer uma investigaccedilatildeo em funccedilatildeo da espessura da camada ativa foram
confeccionadas novas amostras Continuou-se o uso dos trecircs tipos de soluccedilotildees para as
camadas ativas PSOB 47 OB puro+P3HT e PSOB 47 +P3HT Com a teacutecnica de
spin coating quanto maior a velocidade de rotaccedilatildeo menores satildeo as espessuras dos filmes
Para se obter filmes com espessuras adequadas os seguintes paracircmetros devem ser
observados viscosidade da soluccedilatildeo velocidade de rotaccedilatildeo e tempo de rotaccedilatildeo
3431 ndash Preparando novas amostras
Nesta etapa utilizou-se apenas rotaccedilatildeo de 3000 rpm para confeccionar o filme de
PEDOTPSS A deposiccedilatildeo foi feita com o auxiacutelio de uma conta gotas sendo que para cada
filme foram usadas duas pequenas gotas (001ml) Essa quantidade de soluccedilatildeo foi
suficiente para conseguir um espalhamento satisfatoacuterio e obter um filme fino e uniforme
Depois da deposiccedilatildeo os substratos satildeo colocados na estufa a 100 degC durante 15 minutos
para concluir o processo de secagem
40
Os trecircs tipos de camadas ativas foram preparadas seguindo o procedimento citado
na etapa 1 dos dados experimentais e resultados II Para esse grupo de amostra foi usado
um programa para o espalhamento do filme da camada ativa com uma rotaccedilatildeo fixa de 6000
rpm durante 25 segundos
Para depositar a mistura da camada ativa usou-se uma pipeta com 01 ml de
soluccedilatildeo Primeiramente depositou-se a mistura e em seguida colocou-se o spin coater
para girar atraveacutes do programa de rotaccedilatildeo previamente programado Esse procedimento
garante a uniformidade do filme As amostras foram levadas para a estufa a 100 degC por 20
minutos
O eletrodo superior foi pintado agrave matildeo O esquema usado para a confecccedilatildeo dos
dispositivos e a foto de uma amostra satildeo mostrados na figura 310 As amostras foram
confeccionadas seguindo o esquema mostrado na figura 310 (b) Todas as amostras deste
grupo tiveram um desenho semelhante ao da foto da figura 310 (a) Pois existem
variaccedilotildees nas espessuras dos contatos de Ag pois foram feitos a matildeo livre e sem muito
controle Isso pode ser um problema pois este eleacutetrodo pode aumentar a resistecircncia da
amostra fazendo diminuir as correntes coletadas das cargas geradas pelo dispositivo
Figura 3 10 ndash (a) Foto da amostra (b) Estruturas das camadas dos dispositivos das
novas amostras
41
3431 ndash Caracterizaccedilatildeo com lacircmpada espectral de Hg 80 W
Usou-se para este grupo de amostras os mesmos procedimentos de caracterizaccedilotildees
para as medidas de o VOC e ISC descrito na etapa 1 dos dados experimentais e resultados II
Para cada medida as amostras ficaram expostas sob o feixe de luz da lacircmpada de Hg que
foi focalizada diretamente na aacuterea ativa por aproximadamente cinco minutos
A aacuterea ativa foi estimada em torno de 05 cmsup2 Foram confeccionadas nove
amostras e os valores de VOC e ISC das amostras que apresentaram melhores desempenhos
satildeo apresentadas na tabela 39
Tabela 3 9 ndash Medidas de VOC e ISC para amostras iluminadas pela lacircmpada Hg 80 W
aproximadamente cinco minutos
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) P (nW)
PS OB 47 21 009 189
OBP3HT 18 002 36
PSOB 47P3HT 17 001 17
3433 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar direta
O mesmo grupo de amostras foi exposto sob luz solar direta em horaacuterio de sol
intenso entre onze horas e doze horas Todas as amostras tiveram um tempo de exposiccedilatildeo
de aproximadamente cinco minutos Os valores de VOC e ISC medidos podem ser vistos na
tabela 310 Nestes experimentos a lente convergente tambeacutem foi utilizada Poreacutem natildeo
foram observados acircngulos de incidecircncia e nem mudanccedila da irradiaccedilatildeo solar As medidas de
VOC e ISC foram realizadas em dia de sol forte e sempre no mesmo horaacuterio A figura 311
mostra como as medidas foram realizadas Para concentrar os raios solares usou-se uma
lente de aumento As medidas foram aferidas com uso de multiacutemetro digital descrito
anteriormente com cabos e garras de jacareacute comuns
42
Figura 3 11 ndash Ilustraccedilatildeo do experimento realizado com uma amostra tendo o contato
desenhado com a geometria em forma de trilhas camada ativa de PS OB 47
Para manter um padratildeo para todas as medidas a distacircncia entre a lente e a amostra
foram padronizadas a fim de que a intensidade de luz solar concentrada sobre cada
dispositivo fosse aproximadamente agrave mesma
Tabela 3 10 ndash Valores de VOC e ISC para amostras iluminada sob luz solar direta expostas
durante cinco minutos cada
Camada ativa VOC (mV) ISC (mA) Potecircncia (nW)
PS OB 47 62 009 558
OBP3HT 33 003 99
PSOB 47P3HT 25 002 50
3434 ndash Curva caracteriacutestica de corrente versus tensatildeo aplicada (IndashV)
A partir desta etapa as caracterizaccedilotildees eleacutetricas dos dispositivos tambeacutem foram
realizadas atraveacutes das medidas das curvas IndashV As medidas foram realizadas no escuro e
sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio Para estes experimentos foram usados os trecircs tipos de
camadas ativas jaacute mencionadas para confeccionar os dispositivos
Os experimentos das medidas foram realizados em sala com temperatura e pressatildeo
atmosferica ambiente e iluminaccedilatildeo de lacircmpadas comuns Tambeacutem foram realizados testes
43
usando a lacircmpada de Hg iluminando diretamente a parte superior da amostra Contudo
natildeo foram observadas mudanccedilas significativas nas medidas para este grupo de amostras
Figura 3 12 ndash Ilustraccedilatildeo da polarizaccedilatildeo direta para amostras com P3HT e gota de
PEDOTPSS para medidas das curvas (IndashV)
Para evitar que a agulha perfurasse o filme fino de PEDOTPSS e atingisse o filme
de FTO uma gota mais espessa de PEDOTPSS foi colocada sobre o filme no ponto onde
a agulha fazia o contato conforme mostra a figura 312
As amostras foram submetidas a uma tensatildeo que variou de um valor maacuteximo a um
valor miacutenimo com passo conhecido e constante de 002 Com os dados coletados nesse
experimento os graacuteficos de corrente versus tensatildeo aplicada foram gerados Este graacutefico eacute
conhecido como curva caracteriacutestica do dispositivo Os resultados obtidos satildeo mostrados
nas figuras 313 314 e 315 foram obtidas sob iluminaccedilatildeo comum do laboratorio LDCI
A figura 313 mostra a curva caracteriacutestica do dispositivo com a camada ativa de
PSOB 47 A iluminaccedilatildeo foi realizada com a lacircmpada do equipamento Keither 2400 e
iluminaccedilatildeo ambiente do laboratoacuterio LDCI (ambas satildeo luz branca) Para polarizaccedilatildeo direta
de -2 a 2 V foram observados valores de VOC de 09 volts enquanto que a corrente de 003
A foi negativa
A figura 314 mostra a curva IndashV para amostra com camada ativa usando
P3HT+OB puro Para essa amostra os valores de VOC = 002 V e ISC 0013 A foram
obtidos
A figura 315 mostra a curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PSOB
47 +P3HT Os valores de VOC = 11 V e ISC 00124 A foram observados neste graacutefico
44
Figura 3 13 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47 Corrente e
tensatildeo observadas 003 uA e 09 Volts respectivamente
Figura 3 14 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de OB puro + P3HT Corrente
e tensatildeo observadas 0013 uA e 002 Volts respectivamente
45
Figura 3 15 ndash Curva I_V do dispositivo com camada ativa de PSOB 47+P3HT
Corrente e tensatildeo observadas 0012 uA e 11 volts respectivamente
3435 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Aqui jaacute eacute possiacutevel notar um progresso nas medidas em relaccedilatildeo agraves amostras das
etapas anteriores que possuiacuteam camada ativa mais espessa Os valores de VOC e ISC obtidos
com o multiacutemetro digital foram maiores para os dois tipos de iluminaccedilotildees lacircmpada Hg e
luz solar Estes resultados podem ser observados nas tabelas 39 e 310 Os resultados
mostram que o comportamento das amostras com camada ativa de PSOB 47
apresentaram melhores resultados Nota-se que a potecircncia fornecida pelas amostras
iluminadas pela luz solar natural eacute significantemente maior que quando iluminadas pela
lacircmpada de Hg
Nas amostras confeccionadas com blenda de OB puro+P3HT e PSOB 47
+P3HT foram observados resultados semelhantes tanto para VOC quanto para ISC
As trecircs amostras apresentaram comportamento distinto sendo que a amostra com
camada ativa feita com o PSOB 47 o resultado eacute mais parecido com o efeito
fotovoltaico e por isso eacute mais relevante
46
Para as proacutexinas amostras natildeo seraacute mais empregado o uso do P3HT Pois como foi
mostrado nos resultados seu uso natildeo favoreceu melhoras nas medidas Apesar dos
resultados apresentados e conseguidos ateacute aqui serem pequenos ainda assim podem ser
considerados satisfatoacuterios e promissores Pois se trabalhou com materiais novos e estaacute
empregando poliacutemeros isolantes de baixo custo usando oacuteleo vegetal como dopante
Reforccedilando a motivaccedilatildeo para o uso destes materiais no desenvolvimento em dispositivos
fotovoltaicos orgacircnicos
35 ndash DADOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS III
351 ndash Experimentos Etapa 1
Nesta etapa as pesquisas foram centralizadas em misturas de poliacutemeros isolantes
dopados com OB Aleacutem da mistura do PS com OB estudado anteriormente tambeacutem foi
incorporado agrave pesquisa a mistura do PMAM com OB Estudos recentes de Duratildees et al [8]
sobre a absorccedilatildeo de luz destes materiais na faixa de ultravioleta e luz visiacutevel mostraram
que quando o OB eacute adicionado agraves matrizes de PS e de PMAM um aumento significante
na absorccedilatildeo da luz eacute observado
As amostras dos dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos consistiram em camada ativa
contendo PS puro PS com 47 OB PMAM puro e PMAM com 35 de OB
As amostras foram ensanduichadas entre dois eletrodos PEDOT PSS e Ag A
caracterizaccedilatildeo eleacutetrica para as medidas de VOC e ISC foi realizada com a iluminaccedilatildeo da
lacircmpada de Hg 80 W e luz solar As curvas IndashV foram mensuradas usando um sistema de
caracterizaccedilatildeo de semicondutores Keithey 2400
3511 ndash Confecccedilatildeo das amostras usando PS e PMAM 1ordm grupo
Os dispositivos foram preparados sobre um substrato de vidro recoberto com
camada de FTO a resistecircncia da lacircmina eacute de aproximadamente 41-60 Ω
Os filmes de PEDOT PSS foram confeccionados com rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante
25 segundos e secos em estufa a 80 degC por 15 minutos Apoacutes os filmes das camadas ativas
das amostras serem feitos usando rotaccedilatildeo de 5000 rpm por 40 segundos foram secos em
estufa a 100 Cdeg por 15 minutos
47
Por fim foi usada a tinta de Ag para fazer o eletrodo superior Esse eletrodo foi
pintado com pincel comum de cerdas finas O contato superior foi pintado em forma de
linhas sobre o filme da camada ativa conforme mostrado na Figura 310
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo usando lacircmpada de Hg 80 W
As mesmas formas descritas anteriormente de caracterizaccedilatildeo foram utilizadas aqui
para fazer as medidas de VOC e ISC Os resultados obtidos com iluminaccedilatildeo da lacircmpada de
Hg durante cinco minutos de exposiccedilatildeo para o 1ordm grupo de amostra satildeo mostrados na
tabela 311
Tabela 3 11 ndash Resultados das medidas de ISC e VOC das amostras do 1ordm grupo sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpada durante 05 minutos de exposiccedilatildeo
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W)
PS puro 02 000 00
PSOB 47 08 003 0024
PMAM puro 02 000 00
PMAMOB 35 06 002 0012
3512 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar
Foram usados os mesmos procedimentos e instrumentos descritos anteriormente
para obter as medidas de VOC e ISC sob iluminaccedilatildeo de luz solar direta usando-se lentes
convergentes durante cinco minutos de exposiccedilatildeo A tabela 312 mostra os valores
obtidos
Tabela 3 12 ndash Resultados para ISC e VOC sob iluminaccedilatildeo luz solar por aproximadamente
05 minutos de exposiccedilatildeo
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W)
PS puro 11 001 0011
PSOB 47 39 006 0234
PMAM puro 09 002 0018
PMAMOB 35 27 004 0108
48
3512 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Como pode ser visto nas tabelas 311 e 312 os valores de VOC e ISC para as
amostras contendo PS puro e PMAM puro mostraram desempenhos inferiores que aquelas
com adiccedilatildeo do OB Nas caracterizaccedilotildees sob luz solar os desempenhos das amostras foram
superiores quando comparados com os valores obtidos sob iluminaccedilatildeo da lacircmpada de Ag
Apesar da amostra com camada ativa da mistura de PMAMOB 35 ter mostrado valores
mais baixos quando comparados agrave amostras contendo camada ativa com a mistura de
PSOB 47 ela ainda tem valores superiores agravequeles mostrados quando a camada ativa
era composta por misturas de PSOB 47 +P3HT
352 ndash Experimentos Fase 2
3521 ndash Confecccedilatildeo das amostras do 2ordm grupo
Para o 2ordm grupo de amostras foram confeccionadas quinze unidades sendo que
foram reproduzidas mais de uma amostra para cada tipo de camada ativa Isto foi feito para
observar a reprodutibilidade das amostras e a repetibilidade das medidas As amostras
foram nomeadas de A5 a A19 Todas as amostras seguiram os mesmos criteacuterios de
confecccedilatildeo jaacute mencionados anteriormente Para este grupo foi usada uma rotaccedilatildeo maior no
spin coater
Para fazer o filme de PEDOTPSS foi usada uma rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante
trinta segundos Para a deposiccedilatildeo da camada ativa foi usada uma rotaccedilatildeo de 6000 rpm
durante sessenta segundos Neste caso as amostras foram secas em temperatura ambiente
Este conjunto de amostras deve possuir filmes mais finos que os filmes das amostras
anteriores devido ao aumento da rotaccedilatildeo do spin coater durante a deposiccedilatildeo
Para medir a aacuterea ativa com mais precisatildeo para este grupo de amostras os contatos
superiores de Ag foram desenhados em apenas um ponto A confecccedilatildeo dos dispositivos
seguiu a configuraccedilatildeo das camadas e a geometria do eletrodo de Ag conforme o esquema
mostrado na figura 316 O contato de prata foi pintado em forma de retacircngulo que
representa a aacuterea ativa e ficou em torno de 010cm2
49
Figura 3 16 ndash Estruturas das camadas e do contato de Ag dos dispositivos fotovoltaicos
orgacircnicos usado para o 2 ordm grupo de amostras
3522 ndash Caracterizaccedilatildeo sob luz solar
Este grupo de amostras foi submetido somente agrave caracterizaccedilatildeo de luz solar direta
As medidas foram realizadas em dias diferentes a fim de observar a repetibilidade das
medidas dos dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos confeccionados
Os dados da tabela 313 mostram medidas de VOC e ISC realizadas entre dez e onze
horas da manhatilde sob sol intenso e usando lentes convergentes Para estas amostras o
tempo de exposiccedilatildeo foi de aproximadamente dez minutos Com tempo de exposiccedilatildeo
maior e usando lentes convergentes as amostras A5 A6 A7 e A8 se aqueceram muito e
se danificaram Contudo valores de VOC obtidos foram bem superiores
Foram realizadas medidas em dois dias usando as amostras A9 A10 A11 A13
A14 A15 A16 A17 A18 e A19 para observar a repetibilidades das medidas As tabelas
14 e 15 mostram medidas de VOC e ISC realizadas nos dias 12052009 e 18052009
respectivamente entre dez e onze horas da manhatilde sob sol forte e usando lentes
convergentes para concentrar os raios solares na camada ativa da amostra
Tabela 3 13 ndash Medidas realizadas para as amostras A5 A6 A7 sob iluminaccedilatildeo solar
direta durante 10 minutos
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W) Amostra
PS puro 18 004 0072 A5
PS OB 47 49 008 0392 A6
PMAM puro 11 001 0011 A7
PMAMOB 35 48 005 024 A8
50
Tabela 3 14 ndash Medidas realizadas no dia 12052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W) Amostra
PS OB 47 11 003 0033 A9
PS puro 08 0 0 A10
PS puro 1 001 001 A11
PS OB 47 19 003 0057 A13
PS OB 47 11 003 0033 A14
PS OB 47 12 002 0024 A15
PMAM puro 09 001 0009 A16
PMAM puro 07 001 0007 A17
PMAMOB 35 11 001 0011 A18
PMAMOB 35 14 005 007 A19
Tabela 3 15 ndash Medidas realizadas no dia 18052009 das amostras sob iluminaccedilatildeo solar
direta usando lentes convergentes durante 10 minutos
Camada ativa VOC (mA) ISC (mA) Potecircncia ( W) Amostra
PS OB 47 12 004 0048 A9
PS puro 06 01 006 A10
PS puro 08 001 008 A11
PS OB 47 21 004 0084 A13
PS OB 47 15 003 0045 A14
PS OB 47 10 002 002 A15
PMAM puro 07 001 00007 A16
PMAM puro 08 001 00008 A17
PMAMOB 35 12 003 0036 A18
PMAMOB 35 13 005 0065 A19
3523 ndash Curva caracteriacutestica corrente versus tensatildeo (IndashV)
Foram realizadas medidas das curvas IndashV usando o sistema de caracterizaccedilatildeo de
semicondutores Os procedimentos adotados foram descritos anteriormente Para estas
amostras foram usadas quatro tipos de camada ativa PS puro PSOB 47 PMAM puro e
51
PMAMOB 35 As medidas das curvas IndashV foram realizadas no escuro e sob iluminaccedilatildeo
natural do laboratoacuterio LDCI
Natildeo foram observadas grandes influecircncias sobre o efeito da iluminaccedilatildeo nas
amostras pois as curvas IndashV obtidas no escuro e no claro apresentaram valores parecidos
para VOC e ISC
Para a camada ativa confeccionada com o poliacutemero PS puro (figura 317) a curva
IndashV realizada no escuro e no ambiente iluminado mostra uma superposiccedilatildeo das curvas
O dispositivo com camada ativa feita de PSOB 47 mostrada na (figura 318)
natildeo se observa diferenccedila significativa nas curvas obtidas no escuro e com iluminaccedilatildeo do
laboratoacuterio O mesmo pode ser observado na (figura 319) onde a camada ativa eacute feita de
PMAM puro Contudo observou-se uma leve diferenccedila nas curvas mostradas na (figura
320) para a amostra confeccionada com camada ativa da mistura de PMAMOB 35
Onde houve um pequeno deslocamento para a corrente
Figura 3 17 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PS puro No escuro e sob
iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
52
Figura 3 18 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PSOB 47 No escuro e
sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
Figura 3 19 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAM puro No escuro
e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
53
Figura 3 20 ndash Curva IndashV para o dispositivo com camada ativa de PMAMOB 35 No
escuro e sob iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio LDCI
3524 ndash Medida de espessura
As espessuras dos filmes foram medidas usando um Perfilocircmetro Dektak 150
VEECO Os filmes de PEDOTPSS depositados pela teacutecnica de spin coating usando
rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante quarenta segundos apresentaram espessuras na ordem de 180
nanocircmetros
Os procedimentos para medir as espessuras consistiram em medir vales e
superfiacutecie Para realizar as medidas dos filmes um risco foi feito usando a ponta de um
estilete conforme mostra a figura 321 O risco foi percorrido com a ponta do perfilocircmetro
com distacircncia de 500 m no sentido transversal Para obter a espessura do filme mede-se
entatildeo a diferenccedila de altura entre um ponto de referecircncia R fundo do vale e M superfiacutecie do
filme conforme mostrado na figura 322 Os procedimentos foram realizados em trecircs
diferentes regiotildees da amostra onde foi obtido um valor meacutedio da espessura do filme
54
Figura 3 21 ndash Risco feito no filme da amostra onde a ponta do perfilocircmetro executou a
varredura
Figura 3 22 ndash Medindo a diferenccedila da altura entre os cursores (R - reference) e (M -
measurement) para determinar a espessura do filme
Todos os quatro tipos de filmes usados para formar as camadas ativas dos
dispositivos que foram depositados por spin coating tiveram suas espessuras medidas Para
cada amostra foram feitos trecircs riscos em pontos alternados a fim de se verificar a
uniformidade na espessura Os riscos seguiram o exemplo ilustrado na figura 321 Os
resultados das trecircs medidas e o seu valor meacutedio para cada filme satildeo mostrados nas tabelas
316 e 317
A tabela 316 mostra os resultados das medidas de espessuras de filmes depositados
com rotaccedilatildeo de 5000 rpm durante 60 segundos A tabela 317 mostra os valores das
afericcedilotildees das espessuras para os filmes depositados com rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante 60
segundos Pode-se observar que os filmes feitos com rotaccedilotildees maiores apresentaram
valores de espessuras menores Tambeacutem eacute observado que a adiccedilatildeo do OB nas matrizes
polimeacutericas isolantes tende a camadas mais espessas mesmo para um mesmo valor de
rotaccedilatildeo quando comparada com os filmes sem o OB
55
Tabela 3 16 ndash Medida dos pontos e a media medida dos filmes das camadas ativas feitos
com rotaccedilatildeo de 5000 rpm Valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M
Camada ativa 1deg Ponto (nm) 2deg Ponto (nm) 3deg Ponto (nm) Meacutedia (nm)
PS puro 194 202 189 195
PS OB 47 283 305 296 2946
PMAM puro 127 90 105 1073
PMAM OB 35 235 269 259 2543
Tabela 3 17 ndash Medida dos pontos e a media dos filmes das camadas ativas feitos com
rotaccedilatildeo de 6000 rpm O valor apresentado para os pontos e a diferenccedila entre R e M
Camada ativa 1deg ponto (nm) 2deg ponto (nm) 3deg ponto (nm) Meacutedia (nm)
PS puro 126 130 128 128
PS OB 47 221 218 208 2156
PMMA puro 76 113 97 953
PMMA OB 35 196 163 180 1796
3524 ndash Anaacutelise e Discussatildeo
Pode-se observar nestas medidas que as amostras contendo misturas de PSOB
47 em sua camada ativa mostraram resultados melhores que as outras amostras
analisadas Tambeacutem foi comprovado que as amostras podem ser reproduzidas sendo que
suas medidas foram repedidas As amostras que foram feitas em duplicatas ou triplicadas
possuem valores de VOC e ISC muito parecidos confirmando assim a reprodutibilidade na
sua fabricaccedilatildeo Atraveacutes das tabelas 314 e 315 pode ser observado que os valores obtidos
satildeo repetidos em dias diferentes mesmo assim natildeo ocorreram diminuiccedilotildees nos valores
medidos de VOC e ISC
Para as curvas IndashV coletadas no laboratoacuterio no escuro e sob iluminaccedilatildeo ambiente
para os dispositivos com camadas ativas com misturas das matrizes polimeacutericas de PSOB
47 e PMAM OB 35 (figuras 318 319 319 e 320) natildeo foram detectadas variaccedilotildees
relevantes entre os diferentes tipos de camadas ativas sob diferentes condiccedilotildees de
iluminaccedilatildeo O intrigante nestas medidas eacute que o mesmo efeito que aparece no claro
aparece tambeacutem no escuro As curvas tendem a um comportamento com resistecircncia de
56
diferencial negativa proacuteximo a tensotildees mais baixas Talvez isso aconteccedila devido agrave
caracteriacutestica intriacutenseca dos materiais utilizados nas confecccedilotildees das amostras
353 ndash Experimentos Etapa 3
3531 ndash Confecccedilatildeo das amostras com parte do FTO removido
Nesta etapa os dispositivos tambeacutem foram preparados sobre substrato de vidro o
mesmo tipo usado anteriormente Poreacutem aqui antes de fazer a deposiccedilatildeo dos filmes parte
do FTO foi removida do substrato de vidro A corrosatildeo do FTO foi feita utilizando uma
tinta homogecircnea preparada com poacute de zinco (Zn)
Para conservar parte do FTO no substrato foi utilizada fita adesiva sendo tambeacutem
possiacutevel utilizar tinta ou esmalte [46] Com parte do FTO protegido o substrato foi
mergulhado em soluccedilatildeo diluiacuteda de aacutecido cloriacutedrico (HCI)
Apoacutes a etapa de corrosatildeo as lacircminas passaram por um processo de limpeza Os
substratos foram limpos para retirar gorduras e resiacuteduos quiacutemicos
A corrosatildeo se fez necessaacuteria para evitar curto circuito entre os eletrodos de contato
do dispositivo Mudou-se a geometria dos substratos porque em algumas medidas de
curvas IndashV que foram obtidas em algumas amostras obteve-se curvas do tipo ocirchmico Isto
pode ter ocorrido porque o eletrodo de FTO estava ocupando toda a superfiacutecie do
substrato de vidro e pode ter ocorrido que na hora das medidas a agulha do equipamento
de medidas pode ter perfurado os filmes das camadas do dispositivo medindo apenas o
filme de FTO que apresenta curva puramente ocirchmica Assim com parte do FTO retirado
garante que a corrente flua apenas pelas camadas dos filmes do dispositivo A geometria
da lacircmina de vidro apoacutes a corrosatildeo pode ser visualizada na figura 323
Figura 3 23 ndash Geometria da lacircmina de vidro apoacutes corrosatildeo do FTO
57
Com o substrato limpo e seco e com a nova geometria desenvolvida segue para a
etapa da deposiccedilatildeo do poliacutemero condutor PEDOTPSS que serviu de um dos eletrodos A
deposiccedilatildeo foi realizada sobre toda a lacircmina de vidro conforme mostra o esquema da figura
324 O filme foi feito usando a teacutecnica de spin coating com rotaccedilatildeo de 6000 rpm durante
cinquumlenta e cinco segundos o filme foi seco em estufa a 50 degC por 15 minutos
Os materiais utilizados como camada ativa foram PS puro PSOB 47 PMAM
puro e PMAMOB 35 Os diferentes tipos de camadas ativas foram depositados sobre a
estrutura vidroFTOPEDOTPSS usando a teacutecnica de spin coating com rotaccedilatildeo de 7000
rpm durante quarenta segundos Os filmes das camadas ativas foram secos em temperatura
ambiente
O outro eletrodo foi pintado sobre a camada ativa com tinta condutora de Ag A
estrutura vidroFTOPEDOT PSScamada ativaAg do dispositivo final pode ser vista na
figura 324 A regiatildeo ativa tem aacuterea de aproximadamente 009 cm2
Figura 3 24 ndash Geometria das camadas do dispositivo
3532 ndash Caracterizaccedilatildeo das curvas (IndashV )
As amostras foram caracterizadas atraveacutes das curvas IndashV Na figura 325 satildeo
mostradas comparaccedilotildees entre resultados obtidos para camadas ativas com o PS puro e
PSOB 47 Na figura 326 satildeo mostradas comparaccedilotildees entre resultados obtidos para
camadas ativas com o PMAMOB 35 Foi observado que para as camadas ativas sem o
OB o comportamento da curva Indash V eacute puramente ocirchmico ou seja linear Pode-se ressaltar
58
um comportamento resistivo para o filme utilizado nessa camada ativa enquanto que para
o filme da camada ativa com OB as curvas natildeo satildeo lineares
Outro detalhe a ser notado foi que para os filmes de PS puro e PSOB 47 as
correntes obtidas satildeo maiores que para os filmes confeccionados com PMAM puro e
PMAMOB 35 isto concorda com os resultados obtidos atraveacutes da iluminaccedilatildeo onde os
valores de VOC e ISC tambeacutem se apresentaram maiores
O dispositivo feito com o PS puro apresenta uma resistecircncia maior que o
dispositivo feito com PMAM puro isto talvez aconteccedila devido agraves diferenccedilas nas
espessuras das camadas ou nas propriedades intriacutensecas do material
Como pode ainda ser observadas nas figuras 325 e 326 quando se usou camada
ativa contendo o OB em sua mistura mudanccedilas ocorreram nos comportamentos das curvas
IndashV O comportamento da curva natildeo eacute mais linear e apresenta simetria para as duas
polarizaccedilotildees aplicadas (-V+V) Nos casos das curvas observadas para as camadas ativas
contento OB observou-se curvas semelhantes agrave curva de um diodo do tipo metal isolante
metal (MIM) [47]
Figura 3 25 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PS puro
e PS OB 47
59
Figura 3 26 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PMAM
puro e PMAMOB 35
Para quase todas as amostras que confeccionamos nas condiccedilotildees descritas acima
teve-se respostas nas medidas eleacutetricas para as caracterizaccedilotildees das curvas IndashV realizadas
no laboratoacuterio LDCI Foi observado que os dispositivos contendo OB apresentaram um
efeito fotovoltaico em temperatura ambiente As medidas foram realizadas no escuro e
com iluminaccedilatildeo do laboratoacuterio Nas figuras 327 e 328 satildeo mostradas as curvas IndashV para
os dispositivos confeccionados com camadas ativas de PSOB 47 e PMAMOB 35
respectivamente
Em quase todas as amostras que foram realizadas as medidas das curvas IndashV o
efeito fotovoltaico foi observado Pode-se observar nesses resultados um aumento da
fotocorrente quando as amostras foram iluminadas
60
Figura 3 27 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de PSOB
47 no claro e escuro
Figura 3 28 ndash Comparaccedilatildeo das curvas IndashV para as amostras com camada ativa de
PMAMOB 35 no claro e escuro
61
3533 - Anaacutelise e discussatildeo
Paras esses dispositivos natildeo foram apresentados os caacutelculos da eficiecircncia ( nem o
valor de IPCE porque para determinar tais paracircmetros dos dispositivos fotovoltaicos seraacute
necessaacuterio conhecer a I0 e mencionados no capiacutetulo II Poreacutem para as medidas
realizadas nesta pesquisa natildeo foram considerados o coeficiente de massa de ar o acircngulo
de inclinaccedilatildeo da luz incidente na amostra nem o comprimento de onda Paracircmetros que soacute
seratildeo determinados usando-se um sistema utilizado para caracterizaccedilatildeo de dispositivo
fotovoltaico No momento natildeo havendo disponibilidade de tal equipamento no laboratoacuterio
Observou-se que a inserccedilatildeo de OB em matrizes polimeacutericas isolantes tais como a
de PMAM e PS promoveram a absorccedilatildeo de foacutetons e portanto a formaccedilatildeo de eacutexciton Os
VOC foram de 008 V para o PMAMOB 35 e 03 V para PSOB 47 No caso do valor
de VOC obtidos para o PSOB 47 o nuacutemero eacute aproximadamente o mesmo valor da
diferenccedila da funccedilatildeo trabalho entre o PEDOTPSS (49 eV ) e a Ag (46 eV) No entanto
para o PMAMOB 35 este nuacutemero eacute inferior agrave diferenccedila da funccedilatildeo trabalho entre
PEDOTPSS e a Ag Aqui vale a pena ressaltar que as funccedilotildees trabalho do PEDOTPSS
podem variar entre 48 e 49 eV e a funccedilatildeo trabalho da prata podem variar de 452 eV e
474 eV dependendo da interface entre os materiais da camada ativa Assim pegou-se o
valor de 474 eV para a funccedilatildeo trabalho da prata e de 48 eV para o PEDOTPSS obteve-se
um valor de 006 eV o qual estaacute bastante proacuteximo do valor de 008 eV que eacute a tensatildeo de
circuito aberto obtida para a amostra de PMAMOB 35 Os valores de VOC satildeo limitados
pelo potencial de contato ou pelas diferenccedilas entre a funccedilatildeo trabalho dos eletrodos Sendo
assim neste sistema natildeo eacute possiacutevel conseguir tensotildees de VOC maiores Entretanto se for
utilizado materiais onde as funccedilatildeo trabalho dos eletrodos sejam muito diferentes poderaacute
obter VOC ainda maiores Os resultados obtidos nesse trabalho satildeo menores que os
relatados em trabalhos publicados [48-52] Contudo trabalhou-se com novos materiais
abundantes e baratos Aleacutem de se ter usado oacuteleo vegetal que eacute um material natural e que se
acredita no seu potencial para em breve obter melhores resultados
354 Caracterizaccedilatildeo dos Materiais por Microscopia de Forccedila Atocircmica (AFM)
Um dos paracircmetros importantes nos filmes polimeacutericos eacute a topologia pois a partir
dela se se pode inferir a uniformidade das camadas A questatildeo da uniformidade da
superfiacutecie dos materiais em Eletrocircnica Orgacircnica eacute importante porque permite conhecer o
62
desempenho eletrocircnico dos filmes Fatores como injeccedilatildeo e o transporte de cargas podem
ser facilitados ou bloqueados dependendo da espessura da camada polimeacuterica e da sua
regularidade fiacutesica ou quiacutemica [53] Neste sentido eacute importante investigar a topografia dos
materiais para que se possam entender fenocircmenos de transporte eletrocircnico que podem
ocorrer ou natildeo sob influecircncia da morfologia
As imagens por microscopia de forccedila atocircmica (AFM) revelaram diferenccedilas entre
filmes com as matrizes polimeacutericas puras e filmes com as matrizes modificadas com OB
O PS puro mostrou uma superfiacutecie suave com alguns relevos dispersos na aacuterea de
varredura (Figura 329) A presenccedila de oacuteleo de buriti nesta matriz polimeacuterica modificou
significativamente a superfiacutecie do material Houve formaccedilatildeo de pequenos e numerosos
gloacutebulos que ocorrem em um periacuteodo de espaccedilo muito pequeno resultando em uma
superfiacutecie aparentemente rugosa (Figura 330) Para o material PSOB 47 eacute possiacutevel
observar uma maior ocorrecircncia de picos regiotildees mais claras confirmando a possibilidade
da rugosidade do material
Figura 3 29 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS puro obtida por AFM no modo
contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
63
Figura 3 30 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PS OB 47 por AFM modo contato
Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
A superfiacutecie do PMAM ao contraacuterio da superfiacutecie do PS apresentou possiacutevel
protuberacircncia ou gloacutebulos esfeacutericos em toda aacuterea de varredura (Figura 331) Haacute aacutereas onde
existe uma grande incidecircncia de vales identificados na figura por regiotildees mais escuras
Essas podem ser localizadas nas extremidades da amostra enquanto que no centro da
superfiacutecie haacute grandes nuacutemeros de picos indicando a possibilidade de ser um material com
bastante rugosidade
64
Figura 3 31 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PMAM puro obtida por microscopia
de forccedila atocircmica no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
Figura 3 32 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero PAMAM OB 35 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
65
A presenccedila de OB na concentraccedilatildeo de 35 na matriz de PMAM resultou em
pequenas mudanccedilas na topografia do material (Figura 332) Natildeo houve grandes mudanccedilas
na morfologia da superfiacutecie do filme que possa ser determinada visualmente Entretanto a
geometria dos gloacutebulos foi alterada de uma forma arredondada (Figura 331) para uma
forma pontiaguda (Figura 332)
Outro material estudado foi o P3HT com OB puro e o P3HT + PSOB 47 A
superfiacutecie do filme de P3HTOB puro (Figura 334) tambeacutem mostrou um material com
possiacuteveis rugosidade em sua superfiacutecie entretanto a diferenccedila entre esta superfiacutecie e a
topografia do material P3HT+ PSOB 47 (figura 335) estaacute no tamanho das estruturas
que compotildeem a superfiacutecie de ambos os materiais
Figura 3 33 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HTOB puro obtida por AFM no
modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
66
Figura 3 34 ndash Topografia da superfiacutecie do poliacutemero P3HT+PS OB 47 obtida por AFM
no modo contato Representaccedilatildeo tridimensional Aacuterea (20 x 20) μm
A Figura 333 revela estruturas menores que consequumlentemente ocupam um
espaccedilo menor dentro da aacuterea de varredura e por isso se apresentam em grande nuacutemero
resultando a possibilidade de rugosidade mais alta
A Figura 334 mostra estruturas do material P3HT+PS OB 47 que apresentam
geometrias similares agrave do material P3HTOB puro contudo com dimensotildees maiores
Desta forma estas estruturas ocupam um espaccedilo maior dentro da aacuterea de varredura e se
apresentam em menor quantidade proporcionando possiacuteveis rugosidades em tamanhos
menores que o P3HT OB puro
67
Capiacutetulo IV
Conclusotildees e Recomendaccedilotildees
68
4 ndash CONCLUSOtildeES E RECOMENDACcedilOtildeES
Atraveacutes destes estudos preliminares em linhas gerais os dispositivos projetados
construiacutedos e as medidas obtidas neste trabalho permitem direcionar para a construccedilatildeo e
caracterizaccedilatildeo de dispositivos fotovoltaicos baseados no uso do OB como dopante Os
dados obtidos satildeo bastante promissores e sinalizam para o alcance do sucesso na
construccedilatildeo desses dispositivos a partir de matrizes modificadas com OB
Os resultados apresentados no capiacutetulo III no toacutepico referente aos dados
experimentais e resultados I foram dos dispositivos desenvolvidos baseados no modelo
dos dispositivos fotovoltaicos desenvolvidos por Graumltzel com o propoacutesito de observar o
OB como eletroacutelito da camada ativa Medidas de VOC e ISC para as amostras
confeccionadas foram mensuradas embora os resultados obtidos fossem baixos quando
comparados com a literatura Contudo os materiais empregados satildeo novos e mostraram
promissores
No contexto dos dados experimentais e resultados I apresentou-se o
desenvolvimento de dispositivos usando o substrato de PET desenvolvendo a
configuraccedilatildeo de dispositivo fotovoltaico orgacircnico monocamada direcionados na busca de
substratos flexiacuteveis de menor custo no propoacutesito de substituir o substrato de vidro
recoberto com FTO Para estes dispositivos consegui-se obter valores de VOC e ISC sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpada usando um multiacutemetro para as referidas medidas Entretanto esse
tipo de substrato apresentou diversas inviabilidades conforme relatado nesta pesquisa
Novamente trabalhou-se com substrato de vidro recoberto com FTO com
configuraccedilatildeo de dispositivo fotovoltaico orgacircnico monocamada Acredita-se que as
espessuras dos filmes das camadas ativas possam ter influenciado nos baixos resultados
obtidos Ateacute essa etapa dos experimentos as camadas ativas eram construiacutedas
manualmente proporcionando assim camadas ativas espessas
Os resultados apresentados no toacutepico referente aos dados experimentais e resultados
II abordaram a configuraccedilatildeo monocamada em substrato de vidro recoberto com FTO onde
se fez o uso de camadas ativas com poliacutemero semicondutor P3HT misturado com OB Para
efeito de comparaccedilatildeo construiu-se camada ativa usando o PS um poliacutemero isolante
misturado com 47 de OB A partir destes experimentos os filmes dos dispositivos foram
confeccionados com spin coater o que proporcionou a construccedilatildeo de filmes mais finos
As caracterizaccedilotildees foram realizadas usando lacircmpadas e luz solar direta para
medidas de VOC e ISC com o multiacutemetro tambeacutem foram realizadas caracterizaccedilotildees com
69
curvas I-V sob a luz ambiente do laboratoacuterio As curvas levantadas mostraram efeitos
semelhantes ao efeito fotovoltaico para os materiais das camadas ativas pesquisadas Pelos
resultados obtidos nessa etapa do trabalho observou-se que as amostras confeccionadas
com o poliacutemero isolante misturado com o OB apresentaram melhores desempenhos
Embora jaacute existam resultados na literatura usando o semicondutor P3HT para fazer
dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos com desempenho relativamente alto nas pesquisas
desenvolvidas nesse trabalho o uso do P3HT natildeo sinalizou vantagens em relaccedilatildeo ao uso
do poliacutemero isolante PS
Nesse trabalho as pesquisas foram focadas apenas em materiais de baixo custo
que proporcionaram resultados animadores usando o poliacutemero PS misturado com OB
Os resultados apresentados nos toacutepicos que abrangem os dados experimentais e
resultados III abordaram o uso dos poliacutemeros isolantes PS e PMAM modificados com OB
na configuraccedilatildeo de dispositivo fotovoltaico em monocamada usando substrato de vidro
recoberto com FTO Foram realizadas medidas eleacutetricas diretas dos dispositivos sob
iluminaccedilatildeo de lacircmpadas e iluminaccedilatildeo solar fazendo-se uso de multiacutemetro para as medidas
Tendo respostas interessantes com estes experimentos pois as medidas foram realizadas
com multiacutemetros comuns com cabos que apresentam impedacircncias que agregaram perdas
substanciais das tensotildees e correntes geradas pelos dispositivos Mesmo assim obtiveram-
se as medidas de VOC e ISC
Os resultados mais empolgantes foram os caracterizados com curvas I-V
desenvolvidos com substratos tendo parte do FTO removidas no qual se permitiu
visualizar as curvas de tensatildeo e corrente apenas dos filmes sem a interferecircncia do filme
condutor de FTO Em vaacuterias amostras pocircde-se observar um efeito fotovoltaico entretanto
com valores bem abaixo aos relatados pela literatura vigente sobre o assunto
Nesse trabalho apresentou-se um material novo e promissor na aacuterea de pesquisa
dos dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos como tambeacutem o uso de oacuteleos vegetais como
dopante de poliacutemeros para o desenvolvimento de dispositivo de baixo custo com
tecnologia de faacutecil domiacutenio e acessiacutevel
Os resultados apresentados sugerem os seguintes trabalhos futuros
1 Desenvolvimento de dispositivos fotovoltaicos orgacircnicos agrave base de poliacutemeros
isolantes com camadas ativas mais finas na ordem de nanocircmetros a fim de facilitar
a dissociaccedilatildeo dos eacutexcitons nas interfaces dos materiais O uso de novas teacutecnicas de
deposiccedilatildeo para conseguir filmes nesta ordem de grandeza
70
2 Desenvolvimento de novas estruturas usando os PSOB 47 e PMAMOB 35
em novas arquiteturas como os dispositivos em bicamadas e heterojunccedilatildeo para
melhorar os resultados jaacute obtidos
3 Siacutentese de novas misturas com poliacutemeros usando outros oacuteleos vegetais abundantes
na natureza que apresentaram absorccedilatildeo na faixa do espectro visiacutevel
4 Construccedilatildeo de novos eletrodos de contatos usando teacutecnicas de evaporaccedilatildeo com o
intuito de diminuir as resistecircncias dos contatos e melhorando a coleta das correntes
geradas
5 Caracterizar as amostras usando o simulador solar Caracterizar os filmes usando
perfilocircmetro e AFM buscando filmes com menos rugosidades Correlacionar
medidas das curvas I ndashV com as medidas de AFM
71
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Brasiacutelia DF 2008
75
APEcircNDICES
77
APEcircNDICE 1
Produccedilotildees Bibliograacuteficas
Artigo Publicado
Silva E R Ceschin A M J A Duratildees A possible organic solar cell based on Buriti
oil In 24th Symposium on Microelectronics Technology and Devices SBMicro 2009
Natal - RN The Electrochemical Society (ECS) the society for solid-state and
electrochemical science and Technology EUA Pennigton 2009 v 23 P 553-556
(2009)
Artigo Aceito
Silva E R Romariz A R S Ceschin A M Study of organic MIM junctions for use
in photovoltaic devices In 25th Symposium on Microelectronics Technology and
Devices SBMicro 2010 Satildeo Paulo - SP The Electrochemical Society (ECS) the society
for solid-state and electrochemical science and Technology EUA Pennigton artigo
aceito (2010)
Resumo Publicado
Silva E R Ceschin A M Photovoltaic effect observed in junctions based on Buriti
oil In 11 th International Conference on Advanced Materials (ICAM2009) 2009 Rio
de Janeiro 11 th International Conference on Advanced Materials 2009
78
A possible Organic Solar Cell Based on Buriti Oil
E R da Silva a J A Duratildees
b and A M Ceschin
a
a Departamento de Engenharia Eleacutetrica - Laboratoacuterio de Dispositivos e Circuito
Integrado Universidade de Brasiacutelia CP 4386 CEP 70904-970 Brasiacutelia DF - Brasil b Instituto de Quiacutemica ndash Laboratoacuterio de Pesquisa em Poliacutemeros Universidade de
Brasiacutelia
CEP 70904-970 Brasiacutelia DF ndash Brasil
This work proposes a new approach - the possible production of
organic solar cells based on Buriti oil We propose the
formation of an active layer three types of mixture always
exploring the use of Buriti oil The active layers were deposited
by spin coating the mixture of Buriti oil polystyrene (PS) Buriti
oil poly (3- hexylthiophene) (P3HT) and blend Buriti oil PS
plus P3HT For the three devices investigated here we use a
glass substrate coated with fluoride-doped tin oxide (FTO) An
electrode of poly (34-ethylenedioxythiophene) poly (4-
styrenesulfonate) (PEDOT PSS) was deposited by spin coating
The other electrode was painted on top with silver conductive
ink (Ag) We show two different illuminations for the
characterization of the devices For the acquisition of measures
resistance () open circuit voltage (VOC) and the short circuit
current (ISC) a common digital multimeter was used
Introduction
Organic solar cells are being investigated for their potential use in the cheap and
clean conversion of abundant solar energy In addition polymer solar cells have
attracted considerable attention because of their potential use in low-cost lightweight
solution processable and flexible large-area panels (1) In the best performing solid state
organic solar cells reported to date (23) a conjugated polymer is blended with an
electron accepting material to form the bulk-heterojunction structure for efficient
exciton dissociation (34) Academic attention has focused on blends of poly (3-
hexylthiophene) (P3HT) and [66]-phenyl C61-butyc acid methyl ester (PCBM) since
these two materials show the highest power conversion efficiency in their bulk-
heterojunction which is around 5 The combination of unique semiconducting
electronic property and mechanical aspects similar to conventional plastics is an
attractive feature in spite of the lower efficiencies prevailing in these systems Each
polymer has unique properties and responds differently to different stimulus However
its characteristics can be improved by blending two polymers or by adding some
compounds called additives producing interesting results As an example we can take a
polystyrene (PS) matrix mixed with Buriti oil this modified material shows a very
broad absorption between 150 to 400 nm with a maximum at 320 nm (67) Figure 1
shows the spectrum of absorption for four types of concentration of Buriti oil in PS
matrix
79
Figure 1 Spectra of absorption of UV radiation of PS films and PS- Buriti oil (7)
This feature makes it a promising candidate for photovoltaic studies Based on
this result we decided to investigate Buriti oil P3HT Buriti oilPS and Buriti
oilPSP3HT mixtures in solar cell fabrication Thus the possible fabrication of the
Buriti oil solar cell and its results are reported and discussed here
Sample Preparation
The devices consist basically of an active layer made of Buriti oilPS or Buriti
oilP3HT films or Buriti oilPSP3HT material placed in-between the bottom
electrode of poly(34-ethylenedioxythiophene)poly(4-styrenesulfonate) (PEDOTPSS)
and the top silver (Ag) electrode Devices were assembled on glass substrates covered
with fluoridedoped tin oxide (FTO) with planar resistance in order of 30 _ cm without
further treatment The actives layer and the bottom electrode were deposited by spin
coating (6000 and 5000 rpm respectively) while the silver electrode was painted
PEDOT PSS was used in order to smooth the FTO surface and to decrease the hole
barrier A first kind of active layer was prepared through deposition (6000 rpm spin
coating) of a solution prepared by dissolving appropriate amounts of PS and Buriti oil
4681 wt (extracted with supercritical CO2) at room temperature in analytical grade
reagent chloroform The second kind of active layer was prepared through deposition of
Buriti oil and P3HT mix dissolved in analytical grade reagent toluene The last active
layer was prepared by mixing Buriti oilPS with P3HT dissolved in an analytical grade
reagent chloroform
After each spin coating deposition the films were dried in a stove at 100 0C for
about 15 minutes Devices of active area A~ 20 cm2 were obtained Figure 2 shows a
schematic view of the finished device
80
Figure 2 Structure of the Buriti oil solar cell
Characterization
The measurements were obtained using a common digital multimeter model
ET-2042C Minipa The samples were subjected to direct irradiation of an Hg spectral
lamp (80 W) for five minutes For such measures we did not consider neither
interference of the illumination nor the samplersquos angle of inclination The series
resistance of the device was also collected as this is one that has a direct relation with
the value of this measure as shown in Table 1 the lower the resistance the greater the
current collected All the results are shown in Table 1
Table 1 VOC and ISC for the different solar cell illuminated with an Hg spectral
lamp (80W)
VOC (mV) ISC (mA) R (cm2)
Buriti oil PS 21 009 740
Buriti oil P3HT 18 002 369
Buriti oil PS+P3HT 17 001 717
To observe a real situation the same sample group was exposed to direct
sunlight in hours of intense sun between 1100 am and 0100 pm taking into account
that all samples had an exposure time of approximately five minutes In this step a
convergent lens was used to concentrate the solar light on the device (8 and 9) In this
experiment angle of incidence and the solar irradiation were not measured The results
are shown in Table 2
Table 2 VOC and ISC for the different solar cell illuminated by direct solar light
VOC (mV) ISC (mA) R (cm2)
Buriti oil PS 62 009 740
Buriti oil P3HT 33 003 369
Buriti oil PS+P3HT 25 002 717
Results and analysis
Based on the values of VOC and ISC obtained for the samples it can be clearly
observed that sunlight exposure provided better results when compared to the artificial
81
illumination The main reason for such a situation could be related to the use of Hg
lamp that is not appropriated In spite of this the devices based-on Buriti oil presented
good performances in both cases This effect may be due to the lower resistance value
of the first samples When the illumination is promoted by the sun the VOC increases
but the ISC remains the same maybe as a consequence of the resistance value or
because the samples becomes hotter For the samples made with Buriti oil P3HT and
Buriti oil PS P3HT materials and illuminated by the spectral lamp similar results for
VOC and ISC were observed Under sunlight illumination the values of VOC and ISC
are greater than that obtained for the spectral lamp lighting
Conclusions
In this paper we show that Buriti oilPS and Buriti oil P3HT materials can be
used as an active layer for solar cells The behavior of the samples based-on Buriti
oilPS showed better results for the two types of illumination It is important to
emphasize tha these results are just a part of the devices characterization which still
requests the fulfillment factor (FF) as well as cell efficiency determination Such
calculations are on process but all the obtained data are satisfactory and promising
because our main aim is to develop solar cells using more accessible organic materials
such as the Buriti oil PS blend
Acknowledgments
The authors gratefully acknowledge CNPq and NAMITECMilenio Institute for
financial support
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82
Study of organic MIM junctions for use in photovoltaic devices
E R Silva A R S Romariz and A M Ceschin
Departamento De Engenharia Eleacutetrica Laboratoacuterio de Dispositivos e Circuito
Integrado (LDCI) Universidade de Brasiacutelia Campus Darcy Ribeiro Brasiacutelia CP
4386 CEP 70904-970 Brasiacutelia ndash DF Brasil
We report here photovoltaic effects on Buriti oil (Mauritia
flexuosa) mixed in an insulating polymers matrix The samples
studied here consist of an active layer based on polystyrene (PS)
and poly (methilmethacrilate) (PMMA) mixed with Buriti Oil
(BO) The structure of the device was glassFTO Poly (3 4-
ethylenedioxythiophene) (PEDOT) poly (styrenesulfonate)
(PSS) active layer Ag These mixtures are promising materials
in the fabrication of organic photovoltaic devices The advantage
of these mixtures is their low cost of production and ease in
fabrication Electrical measurements were obtained in both a lit
room and in the dark We can observe photovoltaic effects in all
samples mixed with OB This effect is very interesting because
we are working with an insulating polymer instead of the
semiconductor polymer In this work we have been developing a
junction of the metalndash insulatorndashmetal (MIM) diode that acts like
a photovoltaic device
Introduction
In the past years various new materials and mixtures for fabricating
photovoltaic devices have been proposed for higher conversion efficiencies and lower
cost processes (1 2) Organic solar cells are being investigated for their potential use in
the clean conversion of solar energy through large-area solar panels (3 4 and 5)
Academic attention has focused on blends of poly (3-hexylthiophene) (P3HT) and [6
6]-phenyl C61-butyc acid methyl ester (PCBM) since these two materials show the
highest power conversion efficiency in their bulkheterojunction which is around 5
(6)
Each polymer has unique properties and responds differently to different stimuli
However its characteristics can be improved by blending two polymers or by adding
some compounds called additives thus producing interesting results As an example we
can take the BO mixed in a PS matrix and one mixed in a PMMA matrix This modified
material shows a very broad absorption between 250 to 400 nm with a maximum at 320
nm (7) Based on this result we decided to investigate the OB mixtures in the fabrication
of photovoltaic devices One possible way to enhance the quantum efficiency of a
photovoltaic device is to add dyes that have high absorption efficiency to the host
materials (8) The addition of BO in the PS and PMMA matrices increases this
efficiency The OB is added with the polymers to improve the efficiency on the active
layers of the insulating materials In this paper we will present photovoltaic parameters
on devices based on insulating polymers mixed with BO deposited on a substrate
83
covered with fluorine doped tin oxide (FTO) The devices were fabricated by the spin
coating technique the open circuit voltage (VOC) and short-circuit current density (JSC)
of the BOPS device are 03V and 039 nAcm2 respectively which is 0212V higher
than BOPMMA devices The fill factor (FF) that defines power extraction efficiency of
BOPS devices is 026 against 020 in the BOPMMA devices
Experimental
Our devices were based on previous studies about insulating polymers mixed
with BO (7) The material for the active layer BOPS and BOPMMA of the MIM
junction was chosen because this materials posses two regionrsquos absorption the first
range in 250 at 400 nm that has a peak at 320 nm and the second in the range of 500 at
700 nm The fact these materials absolve in visible region allow to realization of study
about applications in photovoltaic devices (9) We were still able to get good results
from the investigation of BO for make photovoltaic devices
The samples were assembled on glass substrates covered with FTO The
resistance of the plate is asymp 41-60 Ω Prior to depositing the layers part of the FTO
substrate was removed the FTO was corroded using a homogenous ink prepared with
powdered zinc (Zn) Additionally it is possible to use tape or enamel in order to save
part of the FTO After these procedures the substrate is dipped in a diluted solution of
hydrochloric acid (HCI) After the corrosion stage the substrate goes through a cleaning
process that was also performed before corrosion The substrates are cleaned to remove
grease and residual chemicals Corrosion is necessary to avoid short circuits between
the devicersquos electrode contacts (10) The devices were fabricated in a typical
sandwiched structure with the active layers sandwiched between two electrodes the
bottom electrodes consist of conducting polymer film deposition of (PEDOT PSS)
purchased from Bayer This forms the anode that was deposited on the FTO We use it
in order to increase the positive carrier collection of the active layer The film was made
using the spin coating technique with 6000 rotations per minute (rpm) for 55 seconds
Next it was dried in an oven at a temperature of 50 deg C for 15 minutes The cathode was
made with a conductive ink of silver (Ag) acquired from Silver Ink having 99 purity
with painting done by hand because more precise techniques were not available The
materials used in the active layer were pure PS PS mixed with 47 BO pure PMMA
and PMMA mixed with 35 BO Four types of active layers were used All the
mixtures were made with an appropriate quantity of the analytical reagent chloroform at
room temperature Before the deposition the solutions were stirred with magnetic
agitate for 30 minutes in order to ensure greater uniformity for the mix A schematic
view finished device (glass FTO PEDOT PSS active layer Ag) is shown in figure
1 The film thicknesses of the active layers were measure using a Dektak 150
profilometer These values are about 1μm We could not obtain a thinner device because
of the high viscosity of the material In our final device the active area is approximately
009 cm2
Figure 1 Schematic of the finished Device
84
Results and Discussion
The devices with different active layers were prepared following the procedure
described above at room temperature The currentndashvoltage (I-V) characteristics were
measured using a Keithley 2400 programmable software semiconductor measuring
system In all samples without oil devices using only insulating polymer like PS and
PMMA ohmic behavior was observed for bias voltage between -2 and 2 V The device
with pure PS has greater resistance than the one with pure PMMA Perhaps this happens
due to differences in layer thickness or intrinsic material properties But when BO is
added to the mixture we get a different behavior for I-V curves in the two cases We
observed that the sample of PS BO had larger current than PMMABO Figure 2
shows the curves for the PS mixture with and without BO 47 In Figure 3 we have
curves for the PMMA mixture with and without BO 35 In these two cases we
observed curves that look like MIM diode characteristic curves
Figure 2 The I-V Curves characteristics of ohmic behavior and MIM diode for
the PMMA
Figure 3 The I-V Curves characteristics of ohmic behavior and MIM diode for the PS
85
We also noticed a photovoltaic effect in the junctions based in BO at room
temperature Measurements were taken both in the dark and with the room fluorescent
light on In all observations we saw slight photovoltaic effects in all devices made using
insulating polymers with BO mixtures in the active layer In Figure 4 this effect is
shown for PSBO and in Figure 5 for PMMABO
Figure 4 Curve characteristics PS dark and light
Figure 5 Curve characteristics PMMA dark and light
86
For such measures we did not consider either air mass coefficient or the
samplersquos inclination angle for these characterizations because we donrsquot have
characterization equipments Thus we are unable to calculate the conversion efficiency
() The voltage bias was varied from -1 to 1 V but here it is shown with a smaller
interval to better visualize this slight effect In Table 1 the values are shown for the
samples insulating polymer mixed with BO for Voc Jsc and fill factor FF In summary
these parameters are important for characterizing our devices The FF is the ratio that
determines the maximum operating current and voltage of the photovoltaic device and
was calculated as FF = VpIpVocIsc (11) All the values are extracted from the curves
Table 1 Summary of the photovoltaic devices performance with and without light
Active Layer VOC
(mV)
JSC
(nAcm2)
FF
PSBO 47 300 039 026
PMMABO 35 86 216 020
We have seen that the insertion of BO at the matrices of insulating polymers
such as PMMA and PS promote the absorption of photons and therefore the formation
of excitons However we do not have a maximum absorption because of the peak of
absorption of the active layers is in range of 200 to 400 nm while the illumination used
was in the visible region The excitons generated were dissociates and the charges
created were collected in their respective electrodes to form the short-circuit Current
(ISC) This current is small due to the film thickness of the active layer Thus carriersrsquo
recombination could be occurring before they reach their respective electrodes
The measured VOC was 008 V to PMMABO and 03 V to PSBO For the
PSBO this number is roughly the same as the difference in work function between
PEDOT PSS and Ag However for the PMMABO this number is lower than the
difference in work function between PEDOTPSS and Ag All this contributed for the
values low ISC VOC and FF The results obtained here are very below that reported in
recent papers (12 13)
Conclusion
We have been working with polymer insulating with additions of material cheap
an abundant of in nature We presented preliminary results for the MIM junction diode
We used BO mixed with insulating polymer to form the active layers This way we get a
value for ISC VOC and FF but we can observe photovoltaic effect in the majority of the
samples with the BO The active layers have a region of absorption outside of the solar
spectrum and the thickness was thick Because of the collection the carrier was hindered
before to reach the collectorrsquos electrode The devices shown here is very easy to make
and can be made in a large area
Acknowledgments
87
The authors gratefully for the financial support received from National Counsel
of Technological and Scientific Development (CNPq) National Institute of Science and
Technology of Micro and Nanoelectronics Systems (NAMITEC) This paper was
partially supported from a scholarship granted by Coordenaccedilatildeo de Aperfeiccediloamento de
Pessoal de Niacutevel Superior (CAPES) for the first author that also wishes to thank for this
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