Design and modelling of interdigitated and nanostructured polymer solar cells

Abstract

Des de l'aparició de les cèl·lules solars orgàniques (CSO), hi ha hagut una intensa recerca per a aconseguir fer-les tan rentables com les contaminants fonts d'energia tradicionals. Una solució prometedora és el mètode de la heterounió interdigitada, que permet obtenir dispositius amb una extensa interfície Donador-Acceptador per a una correcta dissociació d'excitons. L'avantatge que aquest mètode té sobre el de la heterounió de tipus bulk és que permet que hi hagin camins directes sense interrupció per a la recol·lecció de portadors lliures als elèctrodes. En aquesta tesi hem desenvolupat un procediment numèric complet per a simular les diferents etapes del procés de conversió fotovoltaica a les CSO. Aquest model està basat en el mètode d'elements finits, el qual ens pot aportar informació de cada magnitud en funció de la posició. Aplicant aquest model de simulació, hem realitzat un estudi sistemàtic de CSO interdigitades per a poder predir quines característiques geomètriques seran més apropiades per a optimitzar-les i com augmentar la seva eficiència. El model ha sigut validat amb resultats experimentals, obtinguts en les nostres instal·lacions utilitzant el mètode de síntesi assistit per plantilles amb alúmina anòdica nanoporosa. Finalment, el procediment també ha sigut adaptat i aplicat en d'altres tipus de dispositius i estructures per a demostrar que pot funcionar correctament en altres situacions a banda de les CSO interdigitades. Aquestes han sigut: reproduir resultats experimentals de cèl·lules solars hibrides amb un elèctrode nanostructurat de TiO2, i reproduir l'efecte plasmònic en piràmides de nanoesferes d'or.

Desde la aparición de las células solares orgánicas (CSO), ha habido una intensa búsqueda para conseguir hacerlas tan rentables como las contaminantes fuentes de energía tradicionales. Una solución prometedora es el método de la heterounió interdigitada, el cual permite obtener dispositivos con una extensa interface Donador-Aceptador para una correcta disociación de excitones. La ventaja de este método sobre el de la heterounió de tipo bulk es que permite caminos directos sin interrupción para la recolección de los portadores libres. En esta tesis hemos desarrollado un procedimiento numérico completo para simular las etapas del proceso de conversión fotovoltaica en las CSO. Este modelo está basado en el método de elementos finitos, el cual nos aporta datos de cada magnitud en función de la posición. Aplicando este modelo de simulación, hemos realizado un estudio sistemático de CSO interdigitadas para poder predecir que características geométricas serán más apropiadas para optimizarlas y aumentar su eficiencia. El modelo ha sido validado con resultados experimentales, obtenidos en nuestras instalaciones utilizando el método de síntesis asistido por plantillas con alúmina anódica nanoporosa. Finalmente, el procedimiento también ha sido aplicado a otro tipo de dispositivos y estructuras para demostrar que puede funcionar correctamente en otros casos a parte del de las CSO interdigitadas. Estos han sido: reproducir resultados experimentales de células solares hibridas con un electrodo nanoestructurado de TiO2, y reproducir el efecto plasmónico en pirámides de nanoesferas de oro.

Since the advent of organic solar cells (OSC), there has been an intense search to make them at least as profitable as traditional polluting energy sources. One promising solution is the interdigitated heterojunction approach. This method provides devices with a widespread Donor-Acceptor interface for a proper exciton dissociation. The advantage over the bulk heterojunction approach is that the interdigitated cells provide uninterrupted direct paths for charge carrier collection to the electrodes. In this thesis we have developed a complete numerical procedure to simulate the different steps of the photovoltaic conversion process in organic solar cells. This model is based on the finite element method, which can give us information of every magnitude as a function of the position. By applying this numerical simulation model, a systematic study of interdigitated OSC has been done to predict which geometrical characteristic will be better to optimize this kind of devices and how to increase their efficiency. The model has been validated with experimental results of real devices, obtained in our facilities by using the template-assisted synthesis method with nanoporous anodic alumina templates. Finally, the simulation procedure has also been adapted and applied to other devices and structures to demonstrate that it can work correctly not only for the case of interdigitated full organic solar cells. The simulation model has been applied to two situations: to reproduce experimental results of hybrid solar cells with a nanostructured TiO2 electrode, and to reproduce the plasmonic effect in gold nanospheres pyramids.