Tesis doctoral de Rafael Andres Betancur Lopera
La tecnología fotovoltaica orgánica (opv) ha surgido como una solución potencial rentable para producir energía eléctrica. Los bajos costos de manufactura previstos combinados con propiedades como semi-transparencia o flexibilidad mecánica le dan a los dispositivos opv un gran potencial de ser aplicados industrialmente. Sin embargo, la implementación comercial de esta tecnología se enfrenta al reto de incrementar la relativamente baja eficiencia de los dispositivos opv del estado del arte. Esta tesis presenta una aproximación óptica para aumentar la eficiencia de los dispositivos opv mediante un control efectivo de los fotones de la radiación solar. Tal control es posible debido a la interacción coherente entre la luz y la estructura de multi-capas que constituye el dispositivo opv. consecuentemente, en esta tesis se estudia la dependencia de la distribución del campo óptico dentro de la celda solar con las propiedades ópticas de las diferentes capas. Entre esas propiedades se incluyen el índice de refracción n, el coeficiente de extinción k y espesor de cada una de las capas. Este estudio óptico ha permitido predecir estructuras óptimas para los dispositivos opv. La primera implementación del control de fotones fue hecha al cambiar los espesores relativos de las diferentes capas en el dispositivo. Una combinación óptima fue encontrada y confirmada experimentalmente. Una reducción significativa de la energía perdida por reflexión especular fue demostrada y como consecuencia, la recolección de fotones fue mejorada lo cual condujo a la concordancia entre las eficiencias cuánticas externa e internas en un amplio rango de longitudes de onda. Una segunda estrategia de control de fotones para mejorar el desempeño de los dispositivos opv fue implementada tras modificar las propiedades ópticas de las capas en el dispositivo distintas a la capa activa. Tanto n como k fueron cambiados en capas específicas tras considerar nuevos materiales. Tres casos diferentes fueron considerados: en el primer caso, una capa de bcp fue usada para reemplazar el calcio como capa transportadora de electrones. La absorción parásita inducida por el elvevado coeficiente de extinción de la capa de calcio fue reducida casi hasta cero tras reemplazar esta capa con una de bcp, un material cuyo coeficiente de absorción es prácticamente cero para un amplio rango de longitudes de onda. Se demostró un aumento en el desempeño de los dispositivos de hasta el 19%. En el segundo ejemplo, una capa ultra-delgada de óxido de níquel fue usada para reemplazar la comúnmente empelada capa de pedot como capa transportadora de huecos. Estas capas de óxido de níquel permitieron una mejor distribución y recolección de fotones en la capa foto-activa. En el último caso, un electrodo semi-transparente hecho de cobre/níquel fue usado para reemplazar un electrodo de ito. Este nuevo electrodo metálico en combinación con el electrodo de aluminio posterior del dispositivo permitió la formación de una cavidad óptica la cual resultó en una mayor localización del campo en la capa activa. finalmente, varios de los conceptos considerados anteriormente para localizar efectivamente el campo en la capa activa fueron usados en combinación con una estructura fotónica integrada en la estructura para obtener un dispositivo opv semi-transparente ópticamente optimizado. Concretamente, un cristal fotónico uno-dimensional no-periódico fue diseñado y añadido al dispositivo opv semi-trasparente con la intención de recolectar fotones uv e ir y al tiempo manteniendo una alta transmisión de los fotones visibles. Una mejora en el desempeño de los dispositivos superior al 56% fue obtenida preservando la luminosidad del dispositivo alrededor del 30%. Una propiedad adicional aportada por la integración de tales cristales fotónicos fue la posibilidad de modular el color transmitido por el dispositivo lo cual fue también demostrado.
Datos académicos de la tesis doctoral «Photon control in nano-structured organic photovoltaic materials«
- Título de la tesis: Photon control in nano-structured organic photovoltaic materials
- Autor: Rafael Andres Betancur Lopera
- Universidad: Politécnica de catalunya
- Fecha de lectura de la tesis: 10/07/2013
Dirección y tribunal
- Director de la tesis
- Jordi Martorell Pena
- Tribunal
- Presidente del tribunal: hernán ruy Míguez García
- karen Forberich (vocal)
- (vocal)
- (vocal)