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1

Celdas Solares Orgánicas

Centro de Investigaciones en Óptica (CIO)

León, Guanajuato, México www.cio.mx

Celdas Solares Orgánicas Curso-Taller, 28-30 may-2014

GPOM-CIO

José-Luis Maldonado

[email protected]

2

CIO: Optical Research Center

CONACyT Leon Guanajuato, Mexico

60 researchers

GRADUATE SCHOOL

IN OPTICS

www.cio.mx

3

Financiamiento:

~ 35 millones de pesos CONACyT, CONCyTEG

CIO

Photonics with

Inorganic Materials (glasses,

semiconductors, nanomaterials, etc)

Optical Materials

Photonics with

Organic Materials

(molecular electronics)

Spectroscopy lab

Materials Lab

4

Organic photonics and opto-electronics

New properties:

• Electrical conduction!

• Light emission!

• NL optical properties!

π Conjugated molecules and polymers

Celdas solares

5 5 5 5

Applications and devices

Storage information

Organic Conjugated Materiales

OLEDs

Solar Cells (OPVs)

Waveguides

Plastic Lasers

OFETs

Optical Limiting

Chemical Sensores

PR Polymers

EO Modulators

All optical switches

Frecuency converters

PhotodynamicTherapy Microfabrication with TPA

Multiphotonics markers

Biosensors

Organic molecules and polymers

Possibility of optimizing any interesting property through

molecular engineering

6 6 6

π conjugated molecules and polymers

Semiconducting Polymers

Nobel prize of chemistry 2000 Alan Heeger, Alan MacDiarmid (†) and Hideki Shirakawa: 1974: Discovery of metallic conductivity in iodine doped trans-polyacetylene (CH)x

ONL and opto-electronics

7 7 7 7

Organic electronics

“Solar Photon Conversion” Chem. Rev. 2010, 110, No. 11

“Organic Electronics” Adv. Mater. 2013, 5, No. 13

“Nanomaterials for energy conversion and storage” Materials Matters (SIGMA-ALDRICH) 2012, 7, No. 4

Materiales orgánicos: GPOM

9 9 9 9

Alternative energy sources: clean, economical, renewable

10 10

Pemex: Reservas

∗ México desconoce las reservas de gas y aceite de lutitas, estimado: 681 billones de pies cúbicos de gas natural y 13 mil millones de barriles

técnicamente recuperables de shale oil (Petróleo de lutitas)

∗ Departamento de Energía de los Estados Unidos, México: cuarto lugar a nivel mundial en términos de reservas potenciales de shale gas, con 681

billones de pies cúbicos técnicamente recuperables, cantidad 11 veces mayor a las reservas remanentes totales de gas natural del país

• “3 dilemas. Un diagnóstico para el futuro energético de México”, 2013: http://reddecompetencia.cidac.org Centro de Investigación para el Desarrollo, A.C. (CIDAC)

11 11

México requerirá más energía

El gobierno mexicano debe diseñar políticas públicas de largo plazo para fuentes de energía eficientes, ambientalmente limpias y que potencialicen el

desarrollo de la economía

12 12

Políticas públicas incipientes en energías renovables

∗Cambio climático: transición energética es un imperativo

∗La generación de energía eléctrica: emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) : 60% de las emisiones totales

∗ Por la Ley General de Cambio Climático (LGCC)

debe generar el 35% de electricidad mediante energías no fósiles para el año 2024

∗ La penetración de las energías renovables ha aumentado en los

últimos años, pero no lo suficiente

∗En 2010, México: segunda tasa de crecimiento de la inversión en energías renovables más grande del mundo, la cual fue del 548 %

∗ El desarrollo de las energías renovables en México, aunque lento, avanza

13 13

Fuentes de energía renovables

14 14

Energías renovables: Energía solar

∗ PND incorpora a las Energías Renovables en la política mexicana.

∗ Ley para el Aprovechamiento de las Energías Renovables y el Financiamiento de la Transición Energética: marco legal específico: enorme potencial de la energía solar en México y otras fuentes de energía renovable

∗ México: irradiación promedio al día: 4.4 kWh/m2, en la zona centro, a 6.3

kWh/m2 por día en el norte del país

∗ SENER: nichos económicos: sistemas fotovoltaicos: 700 megawatts (MW) económicamente factible para su explotación frente a una capacidad instalada

29 MW. Estos 700 MW: 5,200 millones de dólares para la industria solar

• “Programa de Fomento de Sistemas Fotovoltaicos en México (ProSolar) “, 2012 Cooperación técnica entre México y Alemania: SENER-GIZ (Cooperación alemana al desarrollo)

15 15

Sistemas PV en el mundo


16 16

Países líderes en sistemas PV


7 Países: 87 % de la capacidad PV mundial!

17 17

Yacimientos fósiles USA

18 18

Perspectivas USA

The Wall Street Journal, 2013 “What Solar Power Needs for a Brighter Future” http://online.wsj.com/news/articles/SB10001424052702304520704579129211308141046

19 19

Plantas solares en México

∗

20 20

PV: México-Alemania

21 21

Energía PV en México

• “3 dilemas. Un diagnóstico para el futuro energético de México”, 2013: http://reddecompetencia.cidac.org Centro de Investigación para el Desarrollo, A.C. (CIDAC)

Programa de Sistemas Fotovoltaicos en México SENER:GIZ-GTCo

22

Efficiency: solar cells National renewable Energy Laboratory (NREL)

23

Scientific papers

OPVs DSSC

Source: Web of Science

24 24 24 24

Synthesis Characterization Applications

Organic solar cells (OPVs)

Optics with organics in our group

25 25

Mercado: nichos potenciales

Prototipo de mochila con celdas OPVs desarrollada por SOLARMER

Flexibilidad y ligereza

Transparencia (Ventanas y electrodos

transparentes)

Economía

J.F. Salinas ,…, J.L. Maldonado , and A. K.-Y. Jen Adv. Mater. 24, 6362 (2012)

Solar spectrum

3% UV, 45% Vis and 52% IF

27/05/2014 27

DYE SENSITIZED SOLAR CELLS (DSSC): Hybrids of nano-porous metal oxides, TiO2, and organic dyes, with solution

electrolytes. Electrochemical cells.

SMALL MOLECULE ORGANIC SOLAR CELLS: Made by vacuum deposition.

POLYMER SOLAR CELLS: Made by solution, low processing.

ORGANIC SOLAR CELLS THREE TYPES

THEY FACE SIMILAR CHALLENGES: To increase efficiency and stability

To develop a technology for large areas

•1975: η = 0.001% • 1986: η = 1.0% • 2006: η = 5.5% • 2009: η = 6.1% • 2012: η = 10.0%

28 28 28

Organic (Plastic) Solar Cells: OPVs

29

Organic solar cells (OPVs)

100 % ×=inc

scoc

IFFJVη

Substrate

Anode

Cathode

HhνHhν

OLED OPV

Organic layer- +

scoc

max

scoc

mm

JVP

JVJVFF ==

30

Bulk hetero junction (BHJ)

SEM Image (Jeol)

A more general OPV

structure

Other OPVs Architectures: Inverted and Tandem

31 S. Sista, et al. Energy Environ. Sci., 4, 1606 (2011)

32 32

Efficiency: Voc, Jsc, FF

∗ Voc : HOMOD- LUMOA, morphology, thickness, etc.

∗ Jsc : Band gap of the DONOR ~ 1.5 ev, recombination losses, high charge mobility, morphology, thickness, etc.

∗ FF : Small Rs, large Rsh, electrode/organic layer interfaces, morphology, Voc

Reviews: • Energy Environ. Sci., 2, 251–261 (2009) • Macromolecules , 45, 607−632 (2012) •Adv. Mater., 25, 1847–1858 (2013)

Large Voc = 1 V, Large Jsc = 17.3 mA/cm2, η = 12 % (PCE)! Large FF = 0.7

FACTORS THAT AFFECT THE EFFICIENCY OF AN OPV CELL • Active materials • Hole and electron collection layers • Thin film deposition methods • Layers thickness • Morphology • Topography • Solvents • Concentrations • Electrodes • Architecture and Engineering Etc.

33

Reviews: • Energy Environ. Sci., 2, 251–261 (2009) • Macromolecules , 45, 607−632 (2012) •Adv. Mater., 25, 1847–1858 (2013)

34

1) HOMO/LUMO alignment (LUMO donor ca. 3.3 - 3.5 eV with PC61BM acceptor) 2) High absorption coefficients 3) Sufficient charge carrier mobility 4) Optimized “Bulk Heterojunction“ morphology 5) Processing improvements Further requirements for a successful material: • Good solubility in various solvents • Simple synthesis – large amounts •Tendency to aggregate to form large domains • High molecular weight for increased viscosity of inks

Needs for PCE (Efficiency) Improvement : Materials

Reviews: • Energy Environ. Sci., 2, 251–261 (2009) • Macromolecules, 45, 607−632 (2012) •Adv. Mater., 25, 1847–1858 (2013)

1.7 eV (gap) η = 7.2 % Zhou H. et al., Angew. Chem., Int. Ed. 2011, 50 (13), 2995−2998 1.69 eV (gap) η = 7.3 %

Amb C. M. et al., J. Am. Chem. Soc. 2011, 133 (26), 10062−10065

η = 9.2 % Z. He,…, Y. Cao, Nature Phot. 2012, 6, 591-595

Highly efficient OPVs Polymers Polymers

η = 5.7 % y η = 6.2 % Yong Z.,…, Alex K.-Y. Jen, et al., Chem. Mater. 2011, 23, 2289–2291

HB366, η = > 5 % Hannah B.,…,K Meerholz, et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 11628 –11632

Small molecules

η = 8.3 % A. Ko Ko Kyaw,…,C. Bazan, A. J. Heeger ACS Nano 2013, 7, 4569-4577

36

Low band gap materials: ~ 1.5 eV

27/05/2014 37

Alternative counter-electrodes : Wood´s (Pb/Bi/Cd/Sn) and Field´s metal (Bi/In/Sn)

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

-10

-8

-6

-4

-2

0

J sc (

mA/

cm2 )

Voltaje (V)

MEH-PPV:PCBM P3HT:PCBM MEH-PPV:M1:PCBM P3HT:PCBM invertidaη = 2.19 %

η = 1.75 %

η = 0.36 %

η = 0.19 %

OPVs at CIO

• J.L. Maldonado, G. Ramos-Ortiz, et al., Am. J. Phys. 76, 1130 (2008) • J.F. Salinas, J.L. Maldonado, et al., Sol. Energ. Mat. Solar C 95, 595 (2011) • C. Salto, J.F. Salinas, J.L. Maldonado, G. Ramos-Ortiz, M. Rodríguez, et al., Synthetic Met., 161, 2412 (2011)

Easy and fast deposition

Mp less than 75 °C

Free vacuum process and normal room conditions

Some contributions

27/05/2014 38

E. Pérez-Gutiérrez, J.L. Maldonado, et al., “Titanium oxide fullerene composites films as ECL…”. Opt. Mater. 36, 1336–1341 (2014).

Active layers: MEH–PPV:PC71BM: ƞ = 2.07 % P3HT:PC71BM ƞ = 2.68 %

It is proposed the use of titanium oxide:fullerene blend: TiOx:PC71BM as ECL in OPV cells

Without TiOx:PC71BM

With TiOx:PC71BM

Some contributions

HOMO: 5.3 eV LUMO: 3.2

27/05/2014 39

J. C. Nolasco, G. Ramos-Ortiz, J.L. Maldonado, et al., “Polymer/Cathode interface region limiting the Voc…” Appl. Phys. Lett. 104, 043308 (2014).

Quantitative analysis on P3HT/Cathode interface Voc values in P3HT:PC61BM, BHJ OPVs

−=

scbeoc J

TAq

nkTnV2*

lnφ

Cathode Material

J0 (mA/cm2)

n beφ

eV

m Rp Ωcm-2

Rs Ωcm-2

Predicted Voc (V)

Exp. Voc (V)

WM 7.0× 10-2 3.81 0.67 0.97 4.6×103 286 0.38 0.28

FM 4.3×10-3 2.00 0.74 1.01 5.7×106 1429 0.33 0.28 In-Ga 1.2×10-4 1.99 0.83 0.80 3.7×107 857 0.49 0.44

Al 4.0×10-5 1.60 0.86 0.92 1.0×108 60 0.50 0.49

Some contributions

27/05/2014 40

J.F. Salinas ,…, J.L. Maldonado , and A. K.-Y. Jen Adv. Mater. 24, 6362 (2012)

OPVs devices based on the PBDTTT-C-T:PC71BM blend

provide high quality transmitted light that is suitable for window applications.

Windows application, Transparency

U. of Washington Prof. Alex K.Y. Jen Group

Some contributions

41 41

Some contributions

Efficiency enhancement by an organo-boron molecule blended with new polythiophene

S Sx y

O

ON

N+

OO-

1

2

34

5

6 7

1´

2´

3´4´

5´

δ

ζ

ε

αβ

γ

89 10 11 12 13

1415

1617

18

19

2021

222324

252627PI

M1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

-3.0

-2.5

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

Curre

nt d

ensit

y J s

c (m

A/cm

2 )Voltage (V)

PI:PC61BM PI:M1:PC61BM

J.A. Del-Oso, J.L. Maldonado, G. Ramos-Ortíz, M. Rodríguez, M. Güizado-Rodríguez, et al., “New polythiophene derivatives and enhanced photovoltaic effect by a boron compound blended with them in OPVs cells” Synthetic Met. Casi aceptado (2014)

42 42

Some contributions

Ultrafast (fs) transient absorption experiments in the NIR

S Sx y

O

ON

N+

OO-

1

2

34

5

6 7

1´

2´

3´4´

5´

δ

ζ

ε

αβ

γ

89 10 11 12 13

1415

1617

18

19

2021

222324

252627PI M1

S. Romero-Servin,G. Ramos-Ortíz, R. Carriles-Jaimes, J.L. Maldonado, M. Güizado-Rodríguez, et al., “Transient absorption studies on organo-boron molecule blended with new polythiophenes…” To be published

0 300 600 900 1200 15000,00

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

Tran

sient

Abs

orpt

ion

(-∆T/

T)Time (ps)

0 10 20 30 40 50 600,00

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

Tran

sient

Abs

orpt

ion

(-∆T/

T)

Time (ps)

Transient signals 5 ps with M1

12 ps without M1 Faster exciton transfer

43

Vacuum deposition system: Organic and inorganic + glove boxes

Thin films • 4 sources for inorganics (metals)

• 4 sources for organics

• Inert atmosphere • Sample thickness

• Topography • Morphology

44

1) CONACyT-SENER 153094 (2011-2015). 8.5 millones de pesos

2) CEMIE-Sol (2013): 67 instituciones de investigación, 21 empresas. 460 millones de pesos

3) Megaproyecto Centros CONACyT (2014). Muchos millones de

pesos

4) Otras

Proyectos GPOM-CIO Celdas solares orgánicas (OPVs)

45

1) Química: Síntesis de nuevos materiales orgánicos capaces de absorber la mayor cantidad de luz solar

(químicos y ciencias de materiales)

2) Dispositivos: Aumento de la eficiencia y tiempo de vida novedosas arquitecturas e ingenierías

(ingenieros y físicos)

3) Física: Comprensión fundamental de los fenómenos físico-químicos. Óptica ultrarrápida (láseres)

(ópticos y físicos) (CIO también tiene estas capacidades: LOU)

Celdas OPVs Comunidad científica

46 46

Progresos de Eficiencia, CIO

PFN

ITO/PEDOT:PSS/PTB7:PC71BM (1:1.5)/PFN/FM

5% de eficiencia

47 47

OPVs cells arrays

To electrical feed leds, motors, etc.

48 48

Perspectivas

* Desarrollo de esta tecnología en México con trabajo multidisciplinario e interinstitucional

* 7 % de eficiencia y estabilidad químico-estructural

* Probable desarrollo de arreglos de celdas roll-to-roll

49 49

* A CONACyT-SENER 153094

* Al CIO (Logística, infraestructura, apoyo económico)

* A FQ-UNAM, DQ-CINVESTAV, DQ-UAM (España)

* A todos Uds.

Gracias

50

Dr. Norberto Farfán and Héctor García (FQ-UNAM) Drs. Rosa Santillan , Eusebio Juaristi y Giovana Granados (CINVESTAV-DF) Dr. Tomás Torres (UAM, Spain ) Dr. Bernardo Frontana (CCIQS UAEMéx-UNAM) Dr. Marisol Guizado (CIICAp-UAEM) Dr. Silvia Gutiérrez (U. of Gto.) Dr. Guadalupe de la Rosa (U. of Gto.) Dr. Pascal Lacroix (CNRS Toulouse France) Dr. Mikhail Zolotukhin (IIM-UNAM) Dra. Rosa Vázquez (UAEH)

Collaborations and funding

GPOM Members Dr. Gabriel Ramos-Ortíz Dr. Mario Rodríguez

Dr. M.A. Meneses-Nava Dr. Oracio Barbosa, Postdocs: Dr. Enrique Pérez Dr. Jairo Nolasco Dra. Rosario

Galindo , Dr. Arián Espinosa Several undergraduate and graduate Students:

J.F. Salinas, M. Romero, C. Salto, A. Enendi, S. Naude, U. Mendoza, J. Sarahí, V. Rodríguez, A. Alvarez, A. Romero, L. Abraham

Financial Support

CONACyT, CIO,

CONACyT-SENER Grants

27/05/2014 51

GPOM Group http://www.cio.mx/invest_13/gpom/e_lineas_inv.html

Thank you

53 53

Some contributions

0.0 0.5-8

-6

-4

-2

0

J (m

A/cm

^2)

J (mA/cm^2)

area=0.08 cm2FF = 0.604Voc = 0.6VJsc= 6.82mA/cm2

η ∼ 2.5 %

Glass/ITO/ZnO nano-particules/P3HT:PC71BM/PEDOT:PSS/Ag

Inverted OPV cell with ZnO nano-particles

Voltage (V)

250 300 350 400 450 5000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

ZnO absorption spectrum

A.U.

Wavelength (nm)

1240/λ1/2 = 3.301 + 294/D2 + 1.09/D

λ1/2 = 351 nm ⇒ D = 3.8 nm

λ1/2

Slide Number 1Slide Number 2Slide Number 3Slide Number 4Slide Number 5Slide Number 6Slide Number 7Slide Number 8Slide Number 9Slide Number 10Slide Number 11Slide Number 12Slide Number 13Slide Number 14Slide Number 15Slide Number 16Slide Number 17Slide Number 18Slide Number 19Slide Number 20Slide Number 21Slide Number 22Slide Number 23Slide Number 24Slide Number 25Solar spectrumSlide Number 27Slide Number 28Slide Number 29Slide Number 30Other OPVs Architectures:�Inverted and TandemSlide Number 32Slide Number 33Slide Number 34Slide Number 35Slide Number 36Slide Number 37Slide Number 38Slide Number 39Slide Number 40Slide Number 41Slide Number 42Slide Number 43Slide Number 44Slide Number 45Slide Number 46Slide Number 47Slide Number 48Slide Number 49Slide Number 50Slide Number 51Slide Number 52Slide Number 53

celdas solares orgánicas - cio...celdas solares orgánicas centro de investigaciones en Óptica...

Documents