Célula solar orgânica

Uma célula solar orgânica ou célula solar plástica é um tipo de fotovoltaica que usa eletrônica orgânica, um ramo da eletrônica que lida com polímeros orgânicos condutores ou pequenas moléculas orgânicas, para absorção de luz e transporte de carga para produzir eletricidade da luz solar pelo efeito fotovoltaico. A maioria das células fotovoltaicas orgânicas são células solares de polímero.

As moléculas usadas em células solares orgânicas são processáveis ​​por solução com alto rendimento e são baratas, resultando em baixos custos de produção para fabricar um grande volume. Combinado com a flexibilidade das moléculas orgânicas, as células solares orgânicas são potencialmente econômicas para aplicações fotovoltaicas. A engenharia molecular (por exemplo, alterar o comprimento e o grupo funcional de polímeros) pode alterar o gap, permitindo a sintonização eletrônica. O coeficiente de absorção óptica das moléculas orgânicas é alto, então uma grande quantidade de luz pode ser absorvida com uma pequena quantidade de materiais, geralmente da ordem de centenas de nanômetros. As principais desvantagens associadas às células fotovoltaicas orgânicas são baixa eficiência, baixa estabilidade e baixa resistência em comparação com células fotovoltaicas inorgânicas, como as células solares de silício.

Em comparação com dispositivos à base de silício, as células solares de polímero são leves (o que é importante para pequenos sensores autônomos), potencialmente descartáveis ​​e baratas de fabricar (às vezes usando eletrônicos impressos), flexíveis, personalizáveis ​​em nível molecular e potencialmente menos impactantes ao meio ambiente. As células solares de polímero também têm o potencial de exibir transparência, sugerindo aplicações em janelas, paredes, eletrônicos flexíveis, etc. Um exemplo de dispositivo é mostrado na Figura 1. As desvantagens das células solares de polímero também são sérias: elas oferecem cerca de 1/3 de a eficiência de materiais duros, e experimentam degradação fotoquímica substancial.

Os problemas de ineficiência e estabilidade das células solares de polímero, combinados com a promessa de baixos custos e maior eficiência, tornaram-nos um campo popular na pesquisa de células solares. A partir de 2015, as células solares de polímero foram capazes de atingir mais de 10% de eficiência através de uma estrutura tandem.

Física
Uma célula fotovoltaica é um diodo semicondutor especializado que converte a luz em eletricidade de corrente contínua (CC). Dependendo da distância da banda do material absorvedor de luz, as células fotovoltaicas também podem converter fótons de baixa energia, infravermelho (IR) ou de alta energia, ultravioleta (UV) em eletricidade DC. Uma característica comum das pequenas moléculas e polímeros usados ​​como material de absorção de luz na energia fotovoltaica é que todos eles têm grandes sistemas conjugados. Um sistema conjugado é formado onde os átomos de carbono se ligam covalentemente com ligações simples e duplas alternadas. Os orbitais de elétrons pz destes hidrocarburos deslocalizam e formam um orbitamento π de ligação deslocalizada com um orbital β * antibonding. O orbitário π deslocalizado é o mais alto orbital molecular ocupado (HOMO), e o orbitário π * é o mais baixo orbital molecular desocupado (LUMO). Na física de semicondutores orgânicos, o HOMO assume o papel da banda de valência enquanto o LUMO serve como banda de condução. A separação de energia entre os níveis de energia HOMO e LUMO é considerada a lacuna de banda de materiais eletrônicos orgânicos e normalmente está na faixa de 1 a 4 eV.

Toda a luz com energia maior que o gap de banda do material pode ser absorvida, embora haja um trade-off para reduzir o gap quando os fótons absorvidos com energias mais altas que o gap se dissiparão termicamente, resultando em tensões mais baixas. e eficiências de conversão de energia. Quando esses materiais absorvem um fóton, um estado excitado é criado e confinado a uma molécula ou região de uma cadeia polimérica. O estado excitado pode ser considerado como um exciton, ou um par de elétrons-buracos ligados por interações eletrostáticas. Em células fotovoltaicas, os excitons são divididos em pares livres de elétrons-furos por campos efetivos. Os campos efetivos são configurados criando uma heterojunção entre dois materiais diferentes. Na fotovoltaica orgânica, campos efetivos quebram os excitons fazendo com que o elétron caia da faixa de condução do absorvedor até a banda de condução da molécula aceptora. É necessário que o material aceptor tenha um bordo de banda de condução inferior ao do material absorvente.

As células solares de polímero geralmente consistem de uma camada de bloqueio de elétrons ou buracos no topo de um vidro condutor de óxido de estanho índio (ITO) seguido de doador de elétrons e um aceptor de elétrons (no caso de células solares de heterojunção), um buraco ou bloqueio de elétrons camada e eletrodo de metal na parte superior. A natureza e a ordem das camadas de bloqueio – assim como a natureza do eletrodo de metal – depende se a célula segue uma arquitetura de dispositivo regular ou invertida. Em uma célula invertida, as cargas elétricas saem do dispositivo na direção oposta, como em um dispositivo normal, porque os eletrodos positivos e negativos são invertidos. Células invertidas podem utilizar catodos de um material mais adequado; OPVs invertidos desfrutam de vida útil mais longa do que os OPVs regularmente estruturados, mas normalmente não atingem eficiências tão altas quanto os OPVs regulares.

Em células solares de polímero de heterojunção a granel, a luz gera excitons. Separação de carga subseqüente na interface entre uma mistura de doador de elétrons e aceitador dentro da camada ativa do dispositivo. Essas cargas então são transportadas para os eletrodos do dispositivo, onde as cargas fluem para fora da célula, realizam o trabalho e, em seguida, voltam a entrar no dispositivo no lado oposto. A eficiência da célula é limitada por vários fatores, especialmente a recombinação não-geminada. A mobilidade do furo leva a uma condução mais rápida em toda a camada ativa.

Fotovoltaicos orgânicos são feitos de materiais de doadores de elétrons e aceptores de elétrons, em vez de junções pn semicondutoras. As moléculas que formam a região doadora de elétrons de células fotovoltaicas orgânicas, onde pares de elétrons-furos de exciton são gerados, são geralmente polímeros conjugados que possuem elétrons π deslocalizados que resultam da hibridização orbital de carbono p. Esses elétrons π podem ser excitados pela luz na parte visível do espectro, ou próximo dela, do orbital molecular mais alto ocupado da molécula (HOMO) até o mais baixo orbital molecular desocupado (LUMO), denotado por uma transição π -π *. A banda de energia entre esses orbitais determina qual (s) comprimento (s) de onda de luz pode (m) ser absorvido (s).

Ao contrário de um material de células fotovoltaicas cristalinas inorgânicas, com sua estrutura de banda e elétrons deslocalizados, os excitons em fotovoltaicos orgânicos estão fortemente ligados com uma energia entre 0,1 e 1,4 eV. Essa ligação forte ocorre porque as funções de onda eletrônica nas moléculas orgânicas são mais localizadas e a atração eletrostática pode, assim, manter o elétron e o orifício juntos como um exciton. O elétron e o buraco podem ser dissociados, fornecendo uma interface através da qual o potencial químico dos elétrons diminui. O material que absorve o fóton é o doador, e o material que adquire o elétron é chamado de aceptor. Na Fig. 2, a cadeia polimérica é o dador e o fulereno é o aceitador. Mesmo após a dissociação, o elétron e o buraco ainda podem ser unidos como um “par geminado”, e um campo elétrico é então necessário para separá-los. O elétron e o buraco devem ser coletados nos contatos. Se a mobilidade da portadora de carga for insuficiente, as portadoras não alcançarão os contatos e, em vez disso, se recombinarão nos locais de captura ou permanecerão no dispositivo como cargas de espaço indesejáveis ​​que se opõem ao fluxo de novas portadoras. O último problema pode ocorrer se as mobilidades de elétrons e furos não forem correspondidas. Nesse caso, a fotocorrente limitada por carga espacial (SCLP) dificulta o desempenho do dispositivo.

A fotovoltaica orgânica pode ser fabricada com um polímero ativo e um aceptor de elétron baseado em fulereno. A iluminação deste sistema por luz visível leva à transferência de elétrons do polímero para uma molécula de fulereno. Como resultado, a formação de uma quasipartícula fotoinduzida, ou polaron (P +), ocorre na cadeia polimérica e o fulereno se torna um ânion radical (C-
60). Os polarons são altamente móveis e podem se dispersar.

Tipos de junção
O dispositivo fotovoltaico orgânico mais simples apresenta uma heterojunção planar. Uma película de material ativo orgânico (polímero ou molécula pequena), do tipo doador de elétrons ou doador de elétrons é colocada entre os contatos. Excitons criados no material ativo podem se difundir antes da recombinação e separação, difusão de furos e elétrons para seu eletrodo de coleta específico.Como as transportadoras de carga têm comprimentos de difusão de apenas 3 a 10 nm em semicondutores orgânicos amorfos típicos, as células planares devem ser finas, mas as células finas absorvem menos a luz. As heterojunções em massa (BHJs) abordam essa lacuna. Em um BHJ, uma mistura de materiais doadores e aceitadores de elétrons é moldada como uma mistura, que então separa por fases. As regiões de cada material no dispositivo são separadas por apenas vários nanômetros, uma distância apropriada para a difusão da portadora. BHJs exigem controle sensível sobre a morfologia dos materiais em nanoescala. Variáveis ​​importantes incluem materiais, solventes e a razão de peso doador-aceitador.

O próximo passo lógico além dos BHJs são os nanomateriais ordenados para células solares, ou heterojunções ordenadas (OHJs). OHJs minimizam a variabilidade associada com BHJs. OHJs são geralmente híbridos de materiais inorgânicos ordenados e regiões ativas orgânicas. Por exemplo, um polímero fotovoltaico pode ser depositado em poros em uma cerâmica como o TiO2. Como os furos ainda devem difundir o comprimento do poro através do polímero até um contato, os OHJs sofrem limitações de espessura semelhantes. A atenuação do gargalo de mobilidade do furo é fundamental para melhorar ainda mais o desempenho do dispositivo de OHJ.

Camada única
Células fotovoltaicas orgânicas de camada única são a forma mais simples. Essas células são formadas por uma camada de materiais eletrônicos orgânicos entre dois condutores metálicos, tipicamente uma camada de óxido de índio e estanho (ITO) com alta função de trabalho e uma camada de metal de baixa função como Alumínio, Magnésio ou Cálcio. A estrutura básica de tal célula é ilustrada em.

A diferença de função de trabalho entre os dois condutores configura um campo elétrico na camada orgânica. Quando a camada orgânica absorve a luz, os elétrons serão excitados para o LUMO e deixarão buracos no HOMO, formando assim excitons. O potencial criado pelas diferentes funções de trabalho ajuda a dividir os pares de excitons, puxando elétrons para o eletrodo positivo (um condutor elétrico usado para fazer contato com uma parte não metálica de um circuito) e buracos para o eletrodo negativo.

Heterojunction classificados
O doador de elétrons e o receptor são misturados de tal forma que o gradiente é gradual. Essa arquitetura combina a curta distância de viagem do elétron na heterojunção dispersa com a vantagem do gradiente de carga da tecnologia de bicamada.

Junção contínua
Semelhante à heterojunção graduada, o conceito de junção contínua visa realizar uma transição gradual de um doador de elétrons para um aceptor de elétrons. No entanto, o material aceitador é preparado directamente a partir do polímero dador num passo de modificação pós-polimerização.

Produção
Como sua camada ativa determina em grande parte a eficiência do dispositivo, a morfologia desse componente recebeu muita atenção.

Se um material é mais solúvel no solvente que o outro, ele se depositará primeiro no topo do substrato, causando um gradiente de concentração através do filme. Isto foi demonstrado para dispositivos poli-3-hexil tiofeno (P3HT), éster metílico de ácido fenil-C61-butírico (PCBM) em que o PCBM tende a acumular-se em direcção ao fundo do dispositivo mediante revestimento por rotação a partir de soluções ODCB. Este efeito é visto porque o componente mais solúvel tende a migrar para a fase “rica em solvente” durante o procedimento de revestimento, acumulando o componente mais solúvel em direção ao fundo do filme, onde o solvente permanece mais longo. A espessura do filme gerado afeta a segregação das fases porque a dinâmica de cristalização e precipitação são diferentes para soluções mais concentradas ou taxas de evaporação mais rápidas (necessárias para construir dispositivos mais espessos). O enriquecimento P3HT cristalino mais próximo do eletrodo de coleta de furos só pode ser alcançado para camadas P3HT / PCBM relativamente finas (100 nm).

Os gradientes na morfologia inicial são então gerados principalmente pela taxa de evaporação do solvente e as diferenças na solubilidade entre o doador e o aceitador dentro da mistura. Esta dependência da solubilidade foi claramente demonstrada usando derivados de fullereno e P3HT. Ao usar solventes que evaporam a uma taxa mais lenta (como o clorobenzeno (CB) ou diclorobenzeno (DCB)), você pode obter graus maiores de separação ou agregação vertical, enquanto os solventes que evaporam produzem mais rapidamente uma separação vertical muito menos efetiva. Gradientes de solubilidade maiores devem levar a uma separação vertical mais efetiva, enquanto gradientes menores devem levar a filmes mais homogêneos. Estes dois efeitos foram verificados em células solares P3HT: PCBM.

A velocidade de evaporação do solvente, bem como posterior vapor de solvente ou procedimentos de recozimento térmico também foram estudados. Combinações como P3HT: PCBM parecem se beneficiar de procedimentos de recozimento térmico, enquanto outras, como PTB7: PCBM, parecem não apresentar nenhum benefício. Em P3HT, o benefício parece vir de um aumento da cristalinidade da fase P3HT, que é gerada por uma expulsão de moléculas de PCBM de dentro desses domínios.Isto foi demonstrado através de estudos de miscibilidade de PCBM em P3HT, bem como alterações na composição do domínio em função dos tempos de recozimento.

A hipótese acima baseada na miscibilidade não explica completamente a eficiência dos dispositivos, uma vez que apenas as fases amorfas puramente dos materiais dadores ou aceitadores nunca existem dentro dos dispositivos de heterojunção a granel. Um artigo de 2010 sugeriu que os modelos atuais que assumem fases puras e interfaces discretas podem falhar devido à ausência de regiões amorfas puras. Como os modelos atuais pressupõem a separação de fases nas interfaces sem qualquer consideração pela pureza da fase, os modelos podem precisar ser alterados.

O procedimento de recozimento térmico varia dependendo precisamente de quando é aplicado.Uma vez que a migração vertical das espécies é parcialmente determinada pela tensão superficial entre a camada ativa e o ar ou outra camada, o recozimento antes ou depois da deposição de camadas adicionais (na maioria das vezes o cátodo de metal) afeta o resultado. No caso das células solares P3HT: PCBM, a migração vertical é melhorada quando as células são recozidas após a deposição do cátodo de metal.

O acúmulo de doador ou aceitador próximo às camadas adjacentes pode ser benéfico, pois essas acumulações podem levar a efeitos de bloqueio de furos ou elétrons que podem beneficiar o desempenho do dispositivo. Em 2009, a diferença na distribuição vertical das células solares P3HT: PCBM mostrou causar problemas com a mobilidade de elétrons, o que resulta no rendimento de eficiências de dispositivos muito ruins. Mudanças simples na arquitetura do dispositivo – girar o revestimento de uma camada fina de PCBM sobre o P3HT – aumentam muito a reprodutibilidade das células, proporcionando uma separação vertical reproduzível entre os componentes do dispositivo. Uma vez que é necessário um maior contato entre o PCBM e o catodo para obter melhores eficiências, isso aumenta em grande parte a reprodutibilidade do dispositivo.

De acordo com a análise de espalhamento de nêutrons, as misturas P3HT: PCBM foram descritas como “rios” (regiões P3HT) interrompidas por “fluxos” (regiões PCBM).

Efeitos do solvente
As condições para o revestimento por centrifugação e a evaporação afetam a eficiência do dispositivo. O solvente e os aditivos influenciam a morfologia do doador-aceitador. Os aditivos diminuem a evaporação, levando a polímeros mais cristalinos e, assim, melhoram as condutividades e eficiências dos buracos. Aditivos típicos incluem 1,8-octanoditiol, orto-diclorobenzeno, 1,8-diiodooctano (DIO) e nitrobenzeno. O efeito DIO foi atribuído à solubilização seletiva de componentes PCBM, modifica fundamentalmente a distância média de saltos de elétrons e, portanto, melhora a mobilidade de elétrons. Os aditivos também podem levar a grandes aumentos na eficiência dos polímeros. Para as células solares HXS-1 / PCBM, o efeito foi correlacionado com a geração de carga, transporte e estabilidade de prateleira. Outros polímeros, como o PTTBO, também se beneficiam significativamente da DIO, alcançando valores de PCE superiores a 5% de cerca de 3,7% sem o aditivo.

As células solares de polímero, fabricadas a partir de cloronaftaleno (CN) como co-solvente, gozam de maior eficiência do que as fabricadas a partir da solução mais convencional de clorobenzeno puro. Isso ocorre porque a morfologia doador-receptor muda, o que reduz a separação de fases entre o polímero doador e o fulereno. Como resultado, isso se traduz em altas mobilidades de buracos. Sem co-solventes, grandes domínios de fulereno formam, diminuindo o desempenho fotovoltaico da célula devido à agregação do polímero em solução. Esta morfologia origina-se da separação de fase líquido-líquido durante a secagem; resolver a evaporação faz com que a mistura entre na região espinodal, na qual existem flutuações térmicas significativas. Grandes domínios impedem que os elétrons sejam coletados eficientemente (diminuindo o PCE).

Pequenas diferenças na estrutura do polímero também podem levar a mudanças significativas no empacotamento do cristal que inevitavelmente afetam a morfologia do dispositivo. PCPDTBT difere do PSBTBT causado pela diferença no átomo de ligação entre os dois polímeros (C vs. Si), o que implica que melhores morfologias são alcançadas com células solares PCPDTBT: PCBM contendo aditivos em oposição ao sistema Si que alcança boas morfologias sem a ajuda de substâncias adicionais.

Células auto-montadas
Química supramolecular foi investigada, usando moléculas doadoras e receptoras que se reúnem em fundição e aquecimento. A maioria dos conjuntos supramoleculares emprega pequenas moléculas. Domínios doador e aceitador em uma estrutura tubular parecem ideais para células solares orgânicas.

Os polímeros Diblock contendo fulereno produzem células solares orgânicas estáveis ​​após o tratamento térmico. Células solares com morfologias pré-projetadas resultaram quando interações supramoleculares apropriadas foram introduzidas.

O progresso em BCPs contendo derivados de politiofeno produzem células solares que se agrupam em redes bem definidas. Este sistema exibe um PCE de 2,04%. Ligação de hidrogênio orienta a morfologia.

A eficiência do dispositivo com base em abordagens de copolímeros ainda não cruzou a barreira de 2%, enquanto dispositivos de heterojunção em massa exibem eficiências & gt; 7% em configurações de junção única.

Copolímeros em bloco de bobina-haste enxertados com fulereno têm sido usados ​​para estudar a organização do domínio.

Abordagens supramoleculares para células solares orgânicas fornecem entendimento sobre as forças macromoleculares que determinam a separação de domínios.

Células Poliméricas Infravermelhas
As células infravermelhas preferencialmente absorvem luz na faixa do infravermelho, em vez de comprimentos de onda visíveis. A partir de 2012, essas células podem ser feitas quase 70% transparentes à luz visível. As células supostamente podem ser feitas em alto volume a baixo custo usando o processamento da solução. Células de polímero infravermelho podem ser usadas como componentes adicionais de eletrônicos portáteis, janelas inteligentes e sistemas fotovoltaicos integrados em edifícios. As células empregam filmes compostos de nanofio de prata / dióxido de titânio como o eletrodo superior, substituindo os eletrodos de metal opacos convencionais. Com esta combinação, foi alcançada uma eficiência de conversão de energia de 4%.

Eficiência de conversão de energia
Uma das principais questões em torno das células solares de polímero é a baixa eficiência de conversão de energia (PCE) das células fabricadas. Para ser considerada viável comercialmente, as unidades de atendimento devem ser capazes de alcançar pelo menos 10 a 15% de eficiência – isso já é muito menor do que as unidades fotovoltaicas inorgânicas. No entanto, devido ao baixo custo das células solares de polímero, uma eficiência de 10 a 15% é comercialmente viável.

O PCE (η) é proporcional ao produto da corrente de curto-circuito (JSC), da tensão de circuito aberto (VOC) e do fator de enchimento (FF).

Onde Pin é a energia solar incidente. Os recentes avanços no desempenho das células solares de polímero resultaram da compressão do bandgap para aumentar a corrente de curto-circuito enquanto abaixava o Orbitais Moleculares de Ocupação Mais Elevada (HOMO) para aumentar a tensão de circuito aberto. No entanto, as unidades ainda sofrem de baixos fatores de preenchimento (geralmente abaixo de 70%). No entanto, a partir de 2013, os pesquisadores conseguiram fabricar unidades com fatores de preenchimento superiores a 75%. Os cientistas foram capazes de realizar através de uma BHJ invertida e usando combinações de doador / aceitador não convencionais.

Comercialização
As células solares de polímero ainda não competiram comercialmente com as células solares de silício e outras células de filme fino. A eficiência atual das células solares de polímero fica próxima de 10%, bem abaixo das células de silício. As células solares de polímero também sofrem de degradação ambiental, sem revestimentos protetores eficazes.

Melhorias adicionais no desempenho são necessárias para promover a difusão da portadora de carga; o transporte deve ser melhorado através do controle da ordem e da morfologia; e a engenharia de interface deve ser aplicada ao problema de transferência de carga entre as interfaces.

Pesquisas estão sendo conduzidas usando a arquitetura tandem para aumentar a eficiência das células solares de polímero. Semelhante à arquitetura tandem inorgânica, espera-se que a arquitetura tandem orgânica aumente a eficiência. Em comparação com um dispositivo de junção única usando materiais de baixo band-gap, a estrutura tandem pode reduzir a perda de calor durante a conversão de fótons para elétrons.

As células solares de polímero não são amplamente produzidas comercialmente. A partir de 2008, a Konarka Technologies iniciou a produção de células solares de polímero-fullereno. Os módulos iniciais foram 3-5% eficientes e duram apenas alguns anos. Desde então, a Konarka entrou com pedido de falência, uma vez que as células solares de polímero não conseguiram penetrar no mercado fotovoltaico.

Modelagem de células solares orgânicas
Como discutido acima, os semicondutores orgânicos são materiais altamente desordenados sem ordem de longo alcance. Isso significa que as margens da banda de condução e da faixa de valência não estão bem definidas. Além disso, este distúrbio físico e energético gera estados de armadilha nos quais os elétrons e buracos fotogerados podem ficar presos e, em seguida, eventualmente se recombinarem.

A chave para descrever com precisão as células solares orgânicas em um modelo de dispositivo é incluir o aprisionamento e a recombinação de portadores via estados de interceptação. Uma abordagem comumente usada é usar um modelo de meio eficaz, onde por equações de difusão de desvio padrão são usadas para descrever o transporte através do dispositivo. Em seguida, é introduzida uma cauda exponencial de estados de interceptação que se decompõe no intervalo de bandas a partir das bordas de mobilidade. Para descrever a captura / escape desses estados de armadilha, o Shockley – Read – Hall (SRH) pode ser usado. O mecanismo Shockley-Read-Hall demonstrou ser capaz de reproduzir o comportamento do polímero: fulereno no domínio do tempo e no estado estacionário.

Desafios atuais e progresso recente
As dificuldades associadas às células fotovoltaicas orgânicas incluem sua baixa eficiência quântica externa (até 70%) em comparação com os dispositivos fotovoltaicos inorgânicos, apesar de terem uma boa eficiência quântica interna; isto é devido à absorção insuficiente com camadas ativas da ordem de 100 nanômetros. Instabilidades contra oxidação e redução, recristalização e variações de temperatura também podem levar à degradação do dispositivo e ao desempenho reduzido ao longo do tempo. Isso ocorre em extensões diferentes para dispositivos com composições diferentes e é uma área na qual a pesquisa ativa está ocorrendo.

Outros fatores importantes incluem o comprimento de difusão do exciton, a separação de carga e a coleta de carga que são afetadas pela presença de impurezas.

Transporte de carga e mobilidade da transportadora
Especialmente para células solares de heterojunção a granel, a compreensão do transporte da transportadora de carga é vital para melhorar as eficiências da fotovoltaica orgânica. Actualmente, os dispositivos de heterojunção a granel têm mobilidade de transportadora de carga desequilibrada, sendo a mobilidade do orifício pelo menos uma ordem de grandeza inferior à da mobilidade de electrões; isso resulta em acúmulo de carga espacial e uma diminuição no fator de preenchimento e eficiência de conversação de energia de um dispositivo. Devido à baixa mobilidade, os fotovoltaicos eficientes a granel de heterojunção têm que ser projetados com camadas finas ativas para evitar a recombinação dos portadores de carga, o que prejudica a absorção e a escalabilidade no processamento. Simulações demonstraram que para se ter uma célula solar de heterojunção volumétrica com fator de preenchimento acima de 0,8 e eficiência quântica externa acima de 90%, é necessário ter mobilidade de portadora de carga balanceada para reduzir um efeito de carga espacial, assim como um aumento na portadora de carga mobilidade e / ou diminuição da constante de taxa de recombinação bimolecular.

Efeito da morfologia do filme
Como descrito acima, as heterojunções dispersas de materiais orgânicos doadores de doadores têm altas eficiências quânticas em comparação com a hetero-junção planar, porque em heterojunções dispersas é mais provável que um exciton encontre uma interface dentro do seu comprimento de difusão. A morfologia do filme também pode ter um efeito drástico na eficiência quântica do dispositivo. Superfícies rugosas e a presença de vazios podem aumentar a resistência da série e também a chance de curto-circuito. A morfologia do filme e, como resultado, a eficiência quântica pode ser melhorada pelo recozimento de um dispositivo depois de ser coberto por um cátodo de metal com espessura de aproximadamente 1000 Å. Filme de metal no topo do filme orgânico aplica tensões no filme orgânico, o que ajuda a prevenir o relaxamento morfológico no filme orgânico. Isto proporciona películas mais densamente compactadas e ao mesmo tempo permite a formação de interface de doador-aceitador interpenetrante separado por fase dentro do volume de película fina orgânica.

Heterojunção de crescimento controlado
A separação de carga ocorre na interface doador-aceitador. Ao viajar para o eletrodo, uma carga pode ficar presa e / ou se recombinar em um material orgânico interpenetrante desordenado, resultando em menor eficiência do dispositivo. O crescimento controlado da heterojunção proporciona um melhor controle sobre as posições dos materiais doadores-aceitadores, resultando em uma eficiência de energia muito maior (razão entre a potência de saída e a potência de entrada) do que as hetero-junções planares e altamente desorientadas (conforme mostrado em). Assim, a escolha de parâmetros de processamento adequados para controlar melhor a estrutura e a morfologia do filme é altamente desejável.

Progresso nas técnicas de crescimento
A maioria dos filmes orgânicos para aplicações fotovoltaicas são depositados por revestimento rotativo e deposição em fase de vapor. No entanto, cada método tem certas desvantagens, a técnica de revestimento por rotação pode revestir áreas superficiais maiores com alta velocidade, mas o uso de solvente para uma camada pode degradar a camada de polímero já existente. Outro problema está relacionado com a padronização do substrato para o dispositivo, uma vez que os resultados do revestimento rotativo revestem todo o substrato com um único material.

Evaporação térmica a vácuo
Outra técnica de deposição é a evaporação térmica a vácuo (VTE), que envolve o aquecimento de um material orgânico em vácuo. O substrato é colocado a vários centímetros de distância da fonte, de modo que o material evaporado possa ser depositado diretamente no substrato, como mostrado na figura. Este método é útil para depositar muitas camadas de diferentes materiais sem interação química entre diferentes camadas. No entanto, às vezes há problemas com uniformidade de espessura de filme e dopagem uniforme sobre substratos de grande área. Além disso, os materiais que se depositam na parede da câmara podem contaminar os depoimentos posteriores. Esta técnica de “linha de visão” também pode criar furos no filme devido ao sombreamento, o que causa um aumento na resistência em série do dispositivo e no curto-circuito.

Deposição de fase de vapor orgânico
A deposição da fase de vapor orgânico (OVPD) permite um melhor controle da estrutura e morfologia do filme do que a evaporação térmica a vácuo. O processo envolve a evaporação do material orgânico sobre um substrato na presença de um gás inerte de transporte. A morfologia do filme resultante pode ser ajustada alterando a taxa de fluxo de gás e a temperatura da fonte.Películas uniformes podem ser cultivadas reduzindo a pressão do gás carreador, o que aumentará a velocidade e o caminho livre médio do gás e, como resultado, a espessura da camada limite diminui.As células produzidas pela OVPD não apresentam problemas relacionados com as contaminações dos flocos que saem das paredes da câmara, uma vez que as paredes estão quentes e não permitem que as moléculas se colem e produzam uma película sobre elas.

Outra vantagem sobre o VTE é a uniformidade na taxa de evaporação. Isso ocorre porque o gás carreador fica saturado com os vapores do material orgânico que sai da fonte e então se move em direção ao substrato resfriado, Fig. 6 (b). Dependendo dos parâmetros de crescimento (temperatura da fonte, pressão de base e fluxo do gás transportador), a película depositada pode ser de natureza cristalina ou amorfa. Dispositivos fabricados usando o OVPD mostram uma densidade de corrente de curto-circuito maior que a dos dispositivos feitos usando VTE. Uma camada extra de hetero-junção doadora-aceitadora no topo da célula pode bloquear os excitons, enquanto permite a condução do elétron; resultando em melhor eficiência celular.

Tinta Solar Orgânica
A tinta solar orgânica é capaz de proporcionar maior desempenho em condições de iluminação fluorescente em comparação com células solares de silício amorfo, e disse ter um aumento de 30% a 40% na densidade de potência interna em comparação com a tecnologia solar orgânica padrão.

Armadilha de luz
Vários tipos de componentes são aplicados para aumentar os efeitos de captação de luz (Light in-coupling) em células solares orgânicas finas. Além da flexibilidade das células solares orgânicas, usando eletrodos flexíveis e substratos em vez de ITO e vidro, respectivamente, células solares orgânicas totalmente flexíveis podem ser produzidas. Com o uso de substratos e substratos flexíveis, métodos mais fáceis de fornecer efeitos de captura de luz a OPVs são introduzidos, tais como eletrodos de polímero com partículas de espalhamento embutidas, eletrodos de polímero nano, substratos de PET padronizados e até mesmo filmes de exposição óptica comercializados para telas de cristal líquido (LCD) como substratos. Muitas pesquisas serão realizadas para melhorar o desempenho dos OPVs com o mérito de facilitar o processamento de estruturas de captura de luz.

Use em fotovoltaica em tandem
Pesquisas e estudos recentes foram feitos na utilização de uma célula solar orgânica como a célula superior em uma pilha de células solares híbrida em tandem. Como as células solares orgânicas têm um gap de banda mais alto do que as fotovoltaicas inorgânicas tradicionais, como silício ou CIGS, elas podem absorver fótons de energia mais alta sem perder muito da energia devido à termização e, portanto, operar com uma voltagem mais alta. Os fótons de energia mais baixa e fótons de energia mais alta que não são absorvidos passam pela célula solar orgânica superior e são então absorvidos pela célula inorgânica inferior. As células solares orgânicas também são processáveis ​​em solução a baixas temperaturas com um baixo custo de 10 dólares por metro quadrado, resultando em uma célula superior imprimível que melhora a eficiência geral das tecnologias de células solares inorgânicas existentes. Muita pesquisa foi feita para permitir a formação de uma pilha de células solares híbrida, incluindo pesquisas na deposição de eletrodos semitransparentes que mantêm baixa resistência de contato e alta transparência.