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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
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
• “Programa de Fomento de Sistemas Fotovoltaicos en México (ProSolar) “, 2012 Cooperación técnica entre México y Alemania: SENER-GIZ (Cooperación alemana al desarrollo)
16 16
Países líderes en sistemas PV
• “Programa de Fomento de Sistemas Fotovoltaicos en México (ProSolar) “, 2012 Cooperación técnica entre México y Alemania: SENER-GIZ (Cooperación alemana al desarrollo)
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)
35
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