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BRPI0713496A2 - process for the production of photoactive layers as well as components comprising these layers - Google Patents

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BRPI0713496A2
BRPI0713496A2 BRPI0713496-7A BRPI0713496A BRPI0713496A2 BR PI0713496 A2 BRPI0713496 A2 BR PI0713496A2 BR PI0713496 A BRPI0713496 A BR PI0713496A BR PI0713496 A2 BRPI0713496 A2 BR PI0713496A2
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BR
Brazil
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photoactive
semiconductor particles
inorganic semiconductor
particles
Prior art date
Application number
BRPI0713496-7A
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Portuguese (pt)
Inventor
Rath Thomas
Trimmel Gregor
Kniendl Martin
Piber Monika
Stelzer Franz
Meissner Dieter
K. Plessing Albert
Original Assignee
Isovolta Ag
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Publication date
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Abstract

PROCESSO PARA A PRODUçãO DE CAMADAS FOTOATIVAS, ASSIM COMO DE COMPONENTES QUE COMPREENDAM ESSAS CAMADAS. A presente invenção refere-se a um método para a produção de camadas fotoativas, e a componentes tais como células solares ou fotodetectores compreendendo a referida camada. A camada fotoativa é produzida de acordo com a invenção pela síntese de partículas semicondutoras morgânicas com irradiação por microondas, camadas fotoativas sendo formadas a partir das referidas partículas em combinação com compostos semicondutores orgânicos.PROCESS FOR THE PRODUCTION OF PHOTOACTIVE LAYERS, AS WELL AS COMPONENTS THAT UNDERSTAND THESE LAYERS. The present invention relates to a method for the production of photoactive layers, and to components such as solar cells or photodetectors comprising said layer. The photoactive layer is produced according to the invention by the synthesis of morganic semiconductor particles with microwave irradiation, photoactive layers being formed from said particles in combination with organic semiconductor compounds.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSO PARA A PRODUÇÃO DE CAMADAS FOTOATIVAS, ASSIM COMO DE COMPONENTES QUE COMPREENDAM ESSAS CAMADAS".Report of the Invention Patent for "PROCESS FOR THE PRODUCTION OF PHOTO LAYERS, AS AS COMPONENTS UNDERSTANDING THESE LAYERS".

A presente invenção refere-se a um processo para a produção de camadas fotoativas que compreendem partículas semicondutoras inorgâ- nicas, assim como compostos semicondutores orgânicos, assim como com- ponentes que compreendem essa(s) camada(s).The present invention relates to a process for producing photoactive layers comprising inorganic semiconductor particles as well as organic semiconductor compounds as well as components comprising such layer (s).

Camadas fotoativas são componentes funcionalmente significa- tivos de elementos fotoativos, tais como células solares ou fotodetectores.Photoactive layers are functionally significant components of photoactive elements, such as solar cells or photodetectors.

As nanopartículas que estão integradas nessas camadas fotoativas, nesse caso, influenciam muito significativamente o grau de eficiência dos elemen- tos fotoativos.The nanoparticles that are integrated in these photoactive layers, in this case, very significantly influence the efficiency of the photoactive elements.

A invenção é primariamente importante no campo das células solares híbridas inorgânica-orgânica. O design de tais células solares híbri- das pode ser descrito como se segue, baseando-se nas figuras de 1 a 4:The invention is primarily important in the field of inorganic-organic hybrid solar cells. The design of such hybrid solar cells can be described as follows based on figures 1 to 4:

A célula fotovoltaica consiste de um carreador transparente 1, o qual preferivelmente consiste de vidro ou de um polímero, tal como tereftala- to de polietileno (PET). Uma camada de eletrodo transparente 2 que consis- te de um oxido condutor, por exemplo, óxido de índio e estanho (ITO), de um polímero condutor transparente ou de outro material transparente com alta condutividade é aplicada no carreador. Essa camada de eletrodo, em geral, tem uma estrutura de superfície comparativamente áspera, de modo que ela é opcionalmente coberta com uma camada de suavização 3 que consiste de um polímero que é tornado eletricamente condutor por uma dopagem, ge- ralmente PEDOT:PSS (polietilenodioxitiofeno:sulfonato de poliestireno). Uma camada fotoativa 4 que consiste de partículas semicondutoras e de uma ma- triz semicondutora orgânica com uma espessura de camada, dependendo do processo de aplicação, por exemplo, de 100 nm até vários micrômetros, pode ser aplicada diretamente na camada de suavização 3.The photovoltaic cell consists of a transparent carrier 1 which preferably consists of glass or a polymer such as polyethylene terephthalate (PET). A transparent electrode layer 2 consisting of a conductive oxide, for example indium tin oxide (ITO), a transparent conductive polymer or other transparent material with high conductivity is applied to the carrier. Such an electrode layer generally has a comparatively rough surface structure, so it is optionally covered with a smoothing layer 3 consisting of a polymer which is electrically conductive by doping, generally PEDOT: PSS ( polyethylenedioxythiophene: polystyrene sulfonate). A photoactive layer 4 consisting of semiconductor particles and an organic semiconductor matrix with a layer thickness, depending on the application process, for example from 100 nm to several micrometers, can be applied directly to the smoothing layer 3.

Em relação à camada fotoativa em tais células solares, conforme descrito na literatura - ver, por exemplo, C. J. Brabec, N. S. Sariciftci, J. C. Hummelen, Adv. Funct. Mater. 11 (2001) 15-26) - dois conceitos estão dis- poníveis, a saber, o conceito de heterojunção de massa, ver figura 1: repre- sentação diagramática, assim como figura 3: diagrama sem PEDOT:PSS (polietilenodioxitiofeno.sulfonato de poliestireno) e o conceito de heterojun- ção de bicamada, ver figura 2: diagrama, assim como figura 4: Diagrama sem PEDOT:PSS. No caso do conceito de heterojunção de massa, a cama- da fotoativa consiste de uma mistura de um polímero eletroativo e de partí- culas semicondutoras de moléculas eletroativas de baixo peso molecular e partículas semicondutoras 4. No conceito de heterojunção de bicamada, a camada fotoativa consiste de uma camada orgânica eletroativa 6 e de uma camada semicondutora inorgânica subjacente 7. Em princípio, os dois siste- mas também podem ser combinados um com o outro.Regarding the photoactive layer in such solar cells, as described in the literature - see, for example, C.J. Brabec, N.S. Sariciftci, J.C. Hummelen, Adv. Funct. Mater. 11 (2001) 15-26) - two concepts are available, namely the concept of mass heterojunction, see figure 1: diagrammatic representation, as well as figure 3: diagram without PEDOT: PSS (polyethylenedioxythiophene.sulfonate). polystyrene) and the concept of bilayer heterojunction, see figure 2: diagram as well as figure 4: Diagram without PEDOT: PSS. In the case of the concept of mass heterojunction, the photoactive layer consists of a mixture of an electroactive polymer and semiconductor particles of low molecular weight electroactive molecules and semiconductor particles 4. In the concept of bilayer heterojunction, the photoactive layer It consists of an electroactive organic layer 6 and an underlying inorganic semiconductor layer 7. In principle, the two systems can also be combined with one another.

A produção das células solares híbridas é efetuada com a apli- cação de eletrodos metálicos. Materiais de eletrodo freqüentemente usados são prata, alumínio, ouro ou uma combinação de cálcio e alumínio, cálcio e ouro, magnésio e ouro.The production of hybrid solar cells is performed with the application of metallic electrodes. Frequently used electrode materials are silver, aluminum, gold or a combination of calcium and aluminum, calcium and gold, magnesium and gold.

A função das partículas semicondutoras em células solares hí- bridas é descrita na literatura, ver E. Arici, N. S. Sariciftci, D. Meissner, Adv. Funct. Mater. 13 (2003) 165-171) no exemplo das nanopartículas CulnS2- Aqui, as nanopartículas aumentam a eficiência das células solares poliméri- cas pela prevenção de uma recombinação dos carreadores de carga gera- dos pela execução do transporte dos carreadores de carga negativa para os eletrodos.The function of semiconductor particles in hybrid solar cells is described in the literature, see E. Arici, S. Sariciftci, D. Meissner, Adv. Funct. Mater. 13 (2003) 165-171) in the CulnS2 Nanoparticle Example- Here, nanoparticles increase the efficiency of polymeric solar cells by preventing recombination of the charge carriers generated by carrying the negative charge carrier transport to the electrodes.

O uso de partículas semicondutoras adicionais é conhecido a partir da literatura. Algumas são mencionadas abaixo a título de exemplo: W. U. Huynh, J. J. Dittmer, e A. P. Alivisatos descrevem em Science 2002, 295, 2425 o uso de nanopartículas de CdSe; N. C. Greenham, X. Peng, e A. P. Alivisatos descrevem em Physical Review B 1996, 54, 17628 o uso de nano- partículas de CdS; W. J. E. Beek, Μ. M. Wienk, e R. A. J. Janssen descre- vem em Advanced Materials 2004, 16, 1009 o uso de nanopartículas de ZnO; e Κ. M. Coakley, Υ. X. Liu, C. Goh e M. D. McGehee descrevem em Mrs Bulletin 2005, 30, 37 o uso de nanopartículas de TiO2.The use of additional semiconductor particles is known from the literature. Some are mentioned below by way of example: W. U. Huynh, J. J. Dittmer, and A. P. Alivisates describe in Science 2002, 295, 2425 the use of CdSe nanoparticles; N. C. Greenham, X. Peng, and A. P. Alivisates describe in Physical Review B 1996, 54, 17628 the use of CdS nanoparticles; W.J.E. Beek, Μ. M. Wienk, and R. A. J. Janssen describe in Advanced Materials 2004, 16, 1009 the use of ZnO nanoparticles; and Κ. M. Coakley, Υ. X. Liu, C. Goh and M. D. McGehee describe in Mrs Bulletin 2005, 30, 37 the use of TiO2 nanoparticles.

As nanopartículas semicondutoras inorgânicas que são necessá- rias para a produção podem ser produzidas com os mais variados métodos. Tais métodos são, por exemplo, síntese coloidal, síntese solvotérmica (sín- teses de alta pressão na autoclave), reações em fase gasosa (síntese por vapor químico), assim como métodos de produção eletroquímicos.Inorganic semiconductor nanoparticles that are required for production can be produced by a variety of methods. Such methods are, for example, colloidal synthesis, solvothermal synthesis (high pressure autoclave synthesis), gas phase reactions (chemical vapor synthesis), as well as electrochemical production methods.

Muitos processos conhecidos para a produção de nanopartículas semicondutoras são entretanto, relativamente caros, do ponto de vista do processamento. Por outro lado, para muitas sínteses coloidais e reações em fase gasosa, geralmente materiais precursores complexos são usados e, por outro lado, as sínteses solvotérmicas consomem muito tempo e, baseando- se na alta pressão que é necessária, requerem reatores que são especial- mente projetados para esse propósito. Aqui, a invenção é tencionada a cor- rigir isso.Many known processes for producing semiconductor nanoparticles are, however, relatively expensive from a processing standpoint. On the other hand, for many colloidal syntheses and gas phase reactions, complex precursor materials are generally used and, on the other hand, solvothermal syntheses are time consuming and, based on the high pressure required, require reactors that are especially designed for this purpose. Here the invention is intended to correct this.

De acordo com a invenção, um processo do tipo acima mencio- nado é proposto, o qual é caracterizado pelo fato de que partículas semicon- dutoras inorgânicas são sintetizadas sob radiação por microondas, a partir do que camadas fotoativas são formadas juntamente com compostos semi- condutores orgânicos.According to the invention, a process of the above type is proposed, which is characterized by the fact that inorganic semiconducting particles are synthesized under microwave radiation, from which photoactive layers are formed together with semi- organic conductors.

Se as camadas fotoativas são usadas em células solares de a- cordo com o princípio da heterojunção de massa, a possibilidade existe pra produzir todo o material necessário para o material da camada fotoativa (na- nocomposto) sob irradiação por microondas pelas partículas semicondutoras sendo produzidas sob irradiação por microondas diretamente numa solução de um polímero eletroativo ou de moléculas de baixo peso molecular eletroa- tivas. Essa solução de partículas de polímero-semicondutor pode, então, ser usada diretamente sem um passo de processo adicional da camada ativa de uma célula solar híbrida. Além disso, existe vantagem em que as proporções de concentração entre um polímero e uma porção de nanopartícula no mate- rial nanocomposto sejam variadas conforme desejado.If photoactive layers are used in solar cells according to the principle of mass heterojunction, the possibility exists to produce all the necessary material for the photoactive layer (non-composite) material under microwave irradiation by the semiconductor particles being produced. under microwave irradiation directly in a solution of an electroactive polymer or low molecular weight electroactive molecules. This polymer-semiconductor particle solution can then be used directly without an additional process step of the active layer of a hybrid solar cell. Further, it is advantageous that the concentration ratios between a polymer and a nanoparticle portion in the nanocomposite material are varied as desired.

São reveladas configurações vantajosas de acordo com as su- breividincações.Advantageous configurations are revealed according to the overlap.

A invenção também se refere a componentes, tais como células solares ou fotodetectores que compreendam as camadas fotoativas que são produzidas de acordo com a invenção. AS vantagens do processo de acordo com a invenção se baseiam numa simplificação significativa na produção de partículas semicondutoras, particularmente de partículas semicondutoras que têm um diâmetro de somente alguns nanômetros. Em relação a isto, este é um processo muito simples e econômico, uma vez que pelo uso da radiação por microondas, o tempo reacional pode ser muito reduzido e com- postos de partida econômicos também podem ser usados. Em muitos casos, a síntese de nanopartículas pode ser efetuada partindo a partir dos elemen- tos respectivos e de sais de metais simples. Ao contrário disso, complexos metálicos com Iigantes orgânicos que são caros e difíceis de manusear têm que ser usados para muitas sínteses de nanopartículas coloidais. A síntese de nanopartículas contendo Cd, tais como CdS, CdSe e CdTe1 são um e- xemplo de sínteses de nanopartículas partindo dos compostos precursores organometálicos, ver: C. B. Murray, D. J. Norris, M. G. Bawendi1 J. Am. Chem. Soe. 115 (1993) 8706.The invention also relates to components such as solar cells or photodetectors comprising the photoactive layers which are produced according to the invention. The advantages of the process according to the invention are based on significant simplification in the production of semiconductor particles, particularly semiconductor particles having a diameter of only a few nanometers. In this regard, this is a very simple and economical process, since by the use of microwave radiation, the reaction time can be greatly reduced and economical starting compounds can also be used. In many cases, the synthesis of nanoparticles can be performed starting from the respective elements and from simple metal salts. In contrast, metal complexes with organic binders that are expensive and difficult to handle have to be used for many colloidal nanoparticle syntheses. The synthesis of Cd-containing nanoparticles such as CdS, CdSe and CdTe1 are an example of nanoparticle syntheses starting from organometallic precursor compounds, see: C. B. Murray, D. J. Norris, M. G. Bawendi1 J. Am. Chem. Sound. 115 (1993) 8706.

As nanopartículas semicondutoras que são produzidas através da síntese suportada por microondas e que estão presentes nas camadas fotoativas de acordo com a invenção foram expostas a uma radiação de mi- croondas pelo menos uma vez antes ou durante a produção da camada. Nesse caso, a radiação de microondas é caracterizada por um comprimento de onda de 1 m a 1 mm e uma faixa de freqüência entre 0,3 GHz e 300 GHz.Semiconductor nanoparticles which are produced by microwave supported synthesis and which are present in the photoactive layers according to the invention have been exposed to microwave radiation at least once before or during the production of the layer. In this case, microwave radiation is characterized by a wavelength of 1 m to 1 mm and a frequency range between 0.3 GHz and 300 GHz.

As nanopartículas semicondutoras produzidas por síntese supor- tada em microondas podem estar presentes na camada fotoativa como par- tículas individuais, como aglomerados de partículas individuais ou como re- des percoladas de partículas individuais ou aglomerados de partículas.Semiconductor nanoparticles produced by microwave supported synthesis may be present in the photoactive layer as individual particles, as individual particle agglomerates or as percolated individual particle networks or particle agglomerates.

As partículas do semicondutor podem ser produzidas através dos métodos de síntese suportada em microondas com enchimentos orgâni- cos, porém também sem enchimentos. Tensoativos que agem como estabili- zantes para as nanopartículas são referidos como enchimentos. A grande vantagem das sínteses sem enchimentos é que as superfícies das partículas não são envolvidas, na maioria dos casos, com camadas orgânicas isolan- tes, pelas quais resultados satisfatórios podem ser alcançados ao usar a camada fotoativa numa célula solar.Semiconductor particles can be produced by organic supported microwave synthesis methods, but also without fillers. Surfactants that act as stabilizers for nanoparticles are referred to as fillers. The great advantage of unfilled syntheses is that particle surfaces are in most cases not wrapped with insulating organic layers, whereby satisfactory results can be achieved by using the photoactive layer in a solar cell.

Partículas calcogenídicas são importantes e partículas semicon- dutores vantajosas para a produção de células solares híbridas. O processo para a produção de células solares híbridas que é descrito aqui, deste modo, se refere primariamente ao uso de partículas semicondutoras calcogenídicas do tipo: ABX2, AB5X9, AB5X8, CX, D2X3 e semelhantes, por meio do que: A = Cu, Ag, Zn, Cd; B = In, Ga, Al; C = Cu, Ag, Zn, Cd, Pb, Hg, Eu, Tm, Yb; D = Al, In, Ga, TI, Y, La, B; e X = S, Se, Te.Calcogenidic particles are important and advantageous semiconductor particles for the production of hybrid solar cells. The process for producing hybrid solar cells that is described herein thus primarily relates to the use of calcogenic semiconductor particles of the type: ABX2, AB5X9, AB5X8, CX, D2X3 and the like, whereby: A = Cu, Ag, Zn, Cd; B = In, Ga, Al; C = Cu, Ag, Zn, Cd, Pb, Hg, I, Tm, Yb; D = Al, In, Ga, TI, Y, La, B; and X = S, If, Te.

Como componentes adicionais na camada fotoativa, polímeros semicondutores orgânicos de acordo com a invenção são usados. Estes se referem aos polímeros que têm um sistema de elétrons π conjugados, tais como trans-poliacetileno, polipirrol, politiofeno, polianilina, poli-p- fenilenovinileno, poli-p-fenileno, polifluoreno, aminas poliaromáticas, po- li(tienilenovinileno) e seus derivados.As additional components in the photoactive layer, organic semiconductor polymers according to the invention are used. These refer to polymers having a conjugated π electron system such as trans-polyacetylene, polypyrrole, polythiophene, polyaniline, poly-p-phenyleninylene, poly-p-phenylene, polyfluorene, polyaromatic amines, poly (thienylene vinylene) and its derivatives.

A invenção é explicada em maiores detalhes abaixo se basean- do nas modalidades e baseando-se nas figuras 1 a 10.The invention is explained in more detail below based on the embodiments and based on figures 1 to 10.

Aqui, a figura 1 apresenta o diagrama do design de uma célula solar híbrida de acordo com o princípio de heterojunção de massa,Here, Figure 1 presents the design diagram of a hybrid solar cell according to the principle of mass heterojunction,

figura 2 mostra o diagrama do design de uma célula solar híbrida de acordo com o princípio de heterojunção de bicamada,Figure 2 shows the design diagram of a hybrid solar cell according to the bilayer heterojunction principle.

figura 3 mostra o diagrama do design de uma célula solar híbrida de acordo com a heterojunção em massa sem PEDOT:PSS,Figure 3 shows the design diagram of a hybrid solar cell according to mass heterojunction without PEDOT: PSS,

figura 4 mostra o diagrama do design de uma célula solar híbrida de acordo com o princípio da heterojunção de bicamada sem PEDOT:PSS,Figure 4 shows the design diagram of a hybrid solar cell according to the PEDOT: PSS bilayer heterojunction principle,

figura 5 mostra a característica corrente/voltagem de uma célula solar de heterojunção de massa com MEH-PPV (poli[2-metóxi-5-(2-etilóxi)-p- fenilvinileno]) e nanopartículas de CuInS2 de uma síntese suportada em mi- croondas em diclorometano,Figure 5 shows the current / voltage characteristic of a mass heterojunction solar cell with MEH-PPV (poly [2-methoxy-5- (2-ethyloxy) -p-phenylvinylene]) and CuInS2 nanoparticles from a mi supported synthesis - dichloromethane chromes,

figura 6 mostra a característica corrente/voltagem de uma célula solar de heterojunção de massa com P3HT (poli-3-hexiltifeno) e nanopartícu- las de ZnS de uma síntese suportada em microondas em tolueno/piridina,Figure 6 shows the current / voltage characteristic of a mass heterojunction solar cell with P3HT (poly-3-hexylphifene) and ZnS nanoparticles of a toluene / pyridine microwave supported synthesis.

figura 7 mostra a característica corrente/voltagem de uma célula solar de heterojunção de massa com MEH-PPV e nanopartículas de CulnS2 de uma síntese suportada em microondas em etilenodiamina,Figure 7 shows the current / voltage characteristic of a mass heterojunction solar cell with MEH-PPV and CulnS2 nanoparticles from a microwave supported synthesis of ethylenediamine.

figura 8 mostra a característica corrente/voltagem de uma célula solar de heterojunção de bicamada com P3HT e nanopartículas de CulnS2 de uma síntese suportada em microondas em trietilenoglicol/piridina,Figure 8 shows the current / voltage characteristic of a P3HT bilayer heterojunction solar cell and CulnS2 nanoparticles from a microwave supported synthesis of triethylene glycol / pyridine,

figura 9 mostra a característica corrente/voltagem de uma célula solar de heterojunção de massa com MEH-PPV e nanopartículas de CulnS2 de uma síntese suportada em microondas em trietilenoglicol/piridina, eFigure 9 shows the current / voltage characteristic of a mass heterojunction solar cell with MEH-PPV and CulnS2 nanoparticles from a triethylene glycol / pyridine microwave supported synthesis, and

figura 10 mostra a análise XRD (análise estrutural de raio-X) das nanopartículas de ZnS produzidas de acordo com o Exemplo 2.Figure 10 shows the XRD (X-ray structural analysis) analysis of ZnS nanoparticles produced according to Example 2.

Exemplo 1Example 1

Produção de células solares híbridas com nanopartículas de Cu- lnS2 produzidas sob irradiação de microondas em diclorometano:Production of hybrid solar cells with Cu-lnS2 nanoparticles produced under microwave irradiation in dichloromethane:

A síntese é efetuada com os reagentes Cul (1 equivalente), InCl3 (1 equivalente) e tioacetamida (2,2 equivalentes) em diclorometano como solvente. Os parâmetros reacionais são: 180°C, 38 bar, assim como radia- ção de microondas durante 15 minutos. O tempo reacional pode ser mantido bem curto pelo ajuste de pressão, temperatura e duração, assim como in- tensidade da radiação de microondas.Synthesis is carried out with Cul (1 equivalent), InCl 3 (1 equivalent) and thioacetamide (2.2 equivalent) reagents in dichloromethane as solvent. Reaction parameters are: 180 ° C, 38 bar, as well as microwave radiation for 15 minutes. Reaction time can be kept very short by adjusting pressure, temperature and duration as well as microwave radiation intensity.

As partículas e pó finas e pretas que são obtidas são removidas por centrifugação da solução reacional, lavadas e misturadas com uma solu- ção MEH-PPV. Essa suspensão pode agora ser usada como uma camada fotoativa numa célula solar híbrida.The fine black particles and dust that are obtained are removed by centrifugation of the reaction solution, washed and mixed with a MEH-PPV solution. This suspension can now be used as a photoactive layer in a hybrid solar cell.

Por exemplo, células solares híbridas de acordo com o diagrama das Figuras 1 a 4 podem ser produzidas a partir das camadas fotoativas sin- tetizadas. Como resultado, as células solares híbridas de acordo com a in- venção podem ambas serem implementadas de acordo com o conceito de heterojunção de massa e também de acordo com o conceito de heterojun- ção de bicamada.For example, hybrid solar cells according to the diagram of Figures 1 to 4 may be produced from synthesized photoactive layers. As a result, hybrid solar cells according to the invention can both be implemented according to the concept of mass heterojunction and also according to the concept of bilayer heterojunction.

Para a produção de células solares, uma porção da camada ITO (oxido de índio e estanho) é removida por decapagem com Zn/HCl e flocos de ITO, isto é, carreadores de vidro revestidos com ITO: 15 mm χ 15 mm χ 1,1 mm são vertidos num béquer com isopropanol (p. a.) e purificados por 15 minutos num banho de ultra-som a 60°C.For solar cell production, a portion of the ITO (indium tin oxide) layer is removed by blasting with Zn / HCl and ITO flakes, ie glass carriers coated with ITO: 15 mm χ 15 mm χ 1, 1 mm are poured into an isopropanol (pa) beaker and purified for 15 minutes in an ultrasonic bath at 60 ° C.

A seguir, uma camada de PEDOT:PSS e a camada fotoativa que é produzida de acordo com a invenção são aplicadas.Next, a PEDOT: PSS layer and the photoactive layer that is produced according to the invention are applied.

Até este ponto, a camada fotoativa pode ser aplicada a partir de uma solução ou suspensão por revestimento com rotação (spin-coating). Na suspensão que é usada, uma concentração de polímero (MEH-PPV) de 3 mg/mL e uma proporção entre um polímero e nanopartículas de CuInS2 de 1 a 7 (partes em peso) estão presentes.Up to this point, the photoactive layer can be applied from a spin-coating solution or suspension. In the suspension that is used, a polymer concentration (MEH-PPV) of 3 mg / mL and a ratio of polymer to CuInS2 nanoparticles from 1 to 7 (parts by weight) are present.

A seguir, a camada fotoativa é seca a 150 qC numa atmosfera de gás inerte. Finalmente, os eletrodos metálicos, por exemplo, alumínio, são aplicados.The photoactive layer is then dried at 150 ° C in an inert gas atmosphere. Finally, metal electrodes, for example aluminum, are applied.

Na figura 5, a característica de corrente/voltagem da célula solar produzida de acordo com o Exemplo 1 é demonstrada. Isso indica um claro fotoefeito, por meio do que a corrente fotoelétrica medida é de 5,7 μΑ/cm2, e a voltagem fotoelétrica medida é de 200 mV.In Figure 5, the current / voltage characteristic of the solar cell produced according to Example 1 is demonstrated. This indicates a clear photo effect, whereby the measured photoelectric current is 5.7 μΑ / cm2, and the measured photoelectric voltage is 200 mV.

Exemplo 2Example 2

Produção de células solares híbridas, cuja camada fotoativa consiste de um material nanocomposto feito de P3HT (poli-3-hexiltiofeno) e nanopartículas de ZnS, as quais foram produzidas diretamente sob radiação por microondas:Production of hybrid solar cells, whose photoactive layer consists of a nanocomposite material made of P3HT (poly-3-hexylthiophene) and ZnS nanoparticles, which were produced directly under microwave radiation:

De acordo com esse exemplo, nanopartículas de ZnS são pro- duzidas sob irradiação por microondas diretamente numa solução que con- siste de um polímero semicondutor orgânico. Para esse propósito, acetato de zinco anidro (1 equivalente) e tioacetamida (1,2 equivalente) foram dis- solvidos numa mistura de tolueno e piridina, e P3HT é suspenso nessa solu- ção como um polímero semicondutor. A reação é efetuada num forno de mi- croondas de síntese. Deste modo, o polímero é completamente dissolvido sem nanopartículas de ZnS sendo formadas antes do final da reação; a mis- tura reacional é primeiramente mantida sob radiação de microondas por 20 minutos a 80°C, a seguir por 10 minutos a 120°C e levada sob radiação por microondas por 30 minutos a 180°C . Através desse método de síntese su- portado em microondas, a suspensão para a aplicação da camada de nano- composto é produzida num passo como uma camada fotoativa na célula so- lar. A análise XRD das partículas semicondutoras produzidas na solução polimérica (ver figura 10) claramente mostra - baseando-se nos dois picos largos de 27° a 34° e 48° a 55° - que isso é ZnS nanocristalino. Tamanhos de cristalito iniciadores de aproximadamente 3 a 4 nm foram encontrados por análise de Debye-Scherrer.According to this example, ZnS nanoparticles are produced under microwave irradiation directly in a solution consisting of an organic semiconductor polymer. For this purpose, anhydrous zinc acetate (1 equivalent) and thioacetamide (1.2 equivalent) were dissolved in a mixture of toluene and pyridine, and P3HT is suspended in this solution as a semiconductor polymer. The reaction is carried out in a synthesis microwave oven. Thus, the polymer is completely dissolved without ZnS nanoparticles being formed before the end of the reaction; The reaction mixture is first maintained under microwave radiation for 20 minutes at 80 ° C, then for 10 minutes at 120 ° C and brought under microwave radiation for 30 minutes at 180 ° C. Through this microwave-supported synthesis method, the suspension for application of the nano-composite layer is produced in one step as a photoactive layer in the solar cell. The XRD analysis of the semiconductor particles produced in the polymer solution (see figure 10) clearly shows - based on the two wide peaks 27 ° to 34 ° and 48 ° to 55 ° - that this is nanocrystalline ZnS. Primer crystallite sizes of approximately 3 to 4 nm were found by Debye-Scherrer analysis.

Usando essa camada fotoativa produzida de acordo com a in- venção, a célula solar foi produzida de modo análogo ao Exemplo 1.Using this photoactive layer produced according to the invention, the solar cell was produced analogously to Example 1.

As características de corrente/voltagem dessa célula solar no escuro e condições de iluminação estão demonstradas na figura 6. A célula solar mostra uma excelente característica de diodo, uma baixa corrente es- cura, uma corrente fotoelétrica de 54 μΑ/cm2 e uma voltagem fotoelétrica de 660 mV.The current / voltage characteristics of this solar cell in the dark and lighting conditions are shown in Figure 6. The solar cell shows an excellent diode characteristic, a low dark current, a 54 μΑ / cm2 photoelectric current and a photoelectric voltage. of 660 mV.

Exemplo 3Example 3

Produção de células solares híbridas com nanopartículas de Cu- lnS2 a partir de uma síntese em microondas em etilenodiamina como solven- te e como um estabilizador para as nanopartículas semicondutoras que são produzidas:Production of Cu-lnS2 nanoparticle hybrid solar cells from a microwave synthesis on ethylenediamine as a solvent and as a stabilizer for the semiconductor nanoparticles that are produced:

As partículas de CulnS2 foram produzidas diretamente a partir dos elementos Cu (1 equivalente), In (1 equivalente) e S (2 equivalentes). Como solvente e simultaneamente como um enchimento, etilenodiamina anidra foi usada. A reação foi efetuada num forro de Teflon a 160°C por 60 minutos sob radiação de microondas.CulnS2 particles were produced directly from Cu (1 equivalent), In (1 equivalent) and S (2 equivalent) elements. As a solvent and simultaneously as a filler, anhydrous ethylenediamine was used. The reaction was carried out in a Teflon liner at 160 ° C for 60 minutes under microwave radiation.

Partículas pretas em pó finas foram obtidas, as quais foram re- movidas por centrifugação da solução reacional, lavadas e misturadas com uma solução MEH-PPV. Essa suspensão com uma concentração de políme- ro de 3 mg/mL, uma proporção de polímero em relação a nanopartícula de 1 a 5 (partes em peso) pode agora ser usada como uma camada fotoativa pa- ra células solares híbridas.Fine black powder particles were obtained which were removed by centrifugation of the reaction solution, washed and mixed with a MEH-PPV solution. Such a suspension with a polymer concentration of 3 mg / mL, a polymer to nanoparticle ratio of 1 to 5 (parts by weight) can now be used as a photoactive layer for hybrid solar cells.

O design primário dessa célula solar híbrida é feito de modo análogo ao Exemplo 1. Na figura 7, a característica de corrente/voltagem da célula solar é demonstrada. A última mostra um claro fotoefeito, por meio do que a cor- rente fotoelétrica medida é de 3,6 μΑ/cm2, e a voltagem fotoelétrica medida é de 290 mV.The primary design of this hybrid solar cell is analogous to Example 1. In Figure 7, the current / voltage characteristic of the solar cell is demonstrated. The latter shows a clear photo effect, whereby the measured photoelectric current is 3.6 μΑ / cm2, and the measured photoelectric voltage is 290 mV.

Exemplo 4Example 4

Produção de células solares híbridas com nanopartículas de Cu-InS2:Production of Cu-InS2 nanoparticle hybrid solar cells:

Para a produção de nanopartículas de CuInS2, CuCI (98 mg, 1 mmol) é pesado num forro de Teflon (frasco reacional de microondas) e 30 mL de trietilenoglicol, assim como 20 mL de piridina, são adicionados. A se- guir, a mistura é aquecida por 15 minutos no microondas de síntese de 180 °C. Nesse caso, CuCI é completamente dissolvido, e uma solução verde é produzida.For the production of CuInS2 nanoparticles, CuCl (98 mg, 1 mmol) is weighed in a Teflon liner (microwave reaction flask) and 30 mL of triethylene glycol as well as 20 mL of pyridine are added. The mixture is then heated for 15 minutes in the 180 ° C synthesis microwave. In this case, CuCI is completely dissolved, and a green solution is produced.

Depois do esfriamento, pó de índio metálico (114 mg, 1 mmol) e enxofre sublimado (64 mg, 2 mmol) são pesados num forro de Teflon.After cooling, indium metal powder (114 mg, 1 mmol) and sublimated sulfur (64 mg, 2 mmol) are weighed in a Teflon liner.

A reação é efetuada por 40 minutos ou 60 minutos a 180°C sob irradiação por microondas. Durante a reação, uma leve pressão excedente é produzida nos recipientes.The reaction is carried out for 40 minutes or 60 minutes at 180 ° C under microwave irradiation. During the reaction a slight excess pressure is produced in the containers.

Partículas de pó fino pretas, as quais temporariamente formam uma suspensão estável numa mistura reacional de cor vermelha, são produzidas.Black fine dust particles, which temporarily form a stable suspension in a red reaction mixture, are produced.

Essas partículas são removidas por centrifugação, lavadas três vezes com etanol e secas de um dia para o outro a 60 gC num forno de se- cagem. AS partículas são, a seguir, ressuspensas em tolueno e tratadas com ultra-som por 20 minutos para uma melhor distribuição.These particles are removed by centrifugation, washed three times with ethanol and dried overnight at 60 ° C in a drying oven. The particles are then resuspended in toluene and sonicated for 20 minutes for better distribution.

A síntese pode ser modificada pela adição de vários solventes, por exemplo, piridina ou tetraetilenoglicol, ao solvente padrão trietilenoglicol.The synthesis may be modified by the addition of various solvents, for example pyridine or tetraethylene glycol, to the standard triethylene glycol solvent.

Além disso, a síntese das nanopartículas semicondutoras pode ser alterada pela adição de enchimentos, tais como, por exemplo, TPP (trife- nilfosfita), TOP (trioctilfosfina) ou hexadecilamina.In addition, the synthesis of semiconducting nanoparticles can be altered by the addition of fillers such as, for example, TPP (triphenylphosphite), TOP (trioctyphosphine) or hexadecylamine.

Para a produção de células solares, poli-3-hexiltiofeno (P3HT), poli[2-metóxi-5-(2-ethilexilóxi)-p-fenilvinileno] (MEH-PPV) e poli[2-metóxi-5- (3,7-dimetiloctilóxi)-p-fenilvinileno] (MDMO-PPV) são usados em combinação com as nanopartículas semicondutoras como polímeros semicondutores.For the production of solar cells, poly-3-hexylthiophene (P3HT), poly [2-methoxy-5- (2-ethylexyloxy) -p-phenylvinylene] (MEH-PPV) and poly [2-methoxy-5- (3 , 7-Dimethyloctyloxy) -p-phenylvinylene] (MDMO-PPV) are used in combination with semiconductor nanoparticles as semiconductor polymers.

A célula solar de heterojunção em bicamada é produzida com os seguintes parâmetros:The bilayer heterojunction solar cell is produced with the following parameters:

Solução polimérica para a camada ativa: P3HT: 3 mg/mL em tolueno.Polymer solution for active layer: P3HT: 3 mg / mL in toluene.

Suspensão de nanopartícula para a camada ativa: 15 mg/mL em etanol.Nanoparticle suspension for active layer: 15 mg / mL in ethanol.

A célula solar de heterojunção de massa é produzida com os seguintes parâmetros:The mass heterojunction solar cell is produced with the following parameters:

Solução para a camada ativa:Solution for active layer:

MEH-PPV: Nanopartículas = cerca de 40:60 m% (concentração polimérica: cerca de 3 mg/mL em tolueno).MEH-PPV: Nanoparticles = about 40:60 m% (polymer concentration: about 3 mg / mL in toluene).

Como exemplos, características de corrente/voltagem de uma célula solar de heterojunção em bicamada são demonstradas na figura 8, e características de corrente/voltagem de uma célula solar de heterojunção em massa são demonstradas na figura 9. Os parâmetros que descrevem as cé- lulas solares também podem ser encontrados nas figuras. A célula solar de heterojunção em bicamada produz uma corrente fotoelétrica de 4,5 μΑ/cm2 e uma voltagem fotoelétrica de 270 mV. A célula solar híbrida de acordo com o princípio de heterojunção de massa apresenta uma corrente escura muito pequena, uma boa característica de diiodo e produz uma corrente fotoelétri- ca de 21 μΑ/cm2 e uma voltagem fotoelétrica de 755 mV.As examples, current / voltage characteristics of a bilayer heterojunction solar cell are shown in Figure 8, and current / voltage characteristics of a mass heterojunction solar cell are shown in Figure 9. The parameters describing the cells Solar can also be found in the figures. The bilayer heterojunction solar cell produces a photoelectric current of 4.5 μΑ / cm2 and a photoelectric voltage of 270 mV. The hybrid solar cell according to the mass heterojunction principle has a very small dark current, a good diode characteristic and produces a photoelectric current of 21 μΑ / cm2 and a photoelectric voltage of 755 mV.

Ainda além dos exemplos citados, ainda outros testes foram fei- tos que levaram às seguintes descobertas:In addition to the examples cited, further tests were made that led to the following findings:

Compostos orgânicos semicondutores, por exemplo, ftalociani- nas ou perilenos ou oligômeros dos polímeros semicondutores, ao invés dos polímeros semicondutores, foram usados nas células solares híbridas. As células solares que foram produzidas proporcionaram correntes fotoelétricas semelhantes e voltagens fotoelétricas para as células solares descritas nos Exemplos 1 a 4.Semiconductor organic compounds, for example phthalocyanines or perylenes or oligomers of semiconductor polymers, rather than semiconductor polymers, were used in hybrid solar cells. The solar cells that were produced provided similar photoelectric currents and photoelectric voltages for the solar cells described in Examples 1 to 4.

Além disso, foi descoberto em outros experimentos que além dos elementos Cu, In e/ou Zn, os elementos Ag, Cd, Ga, Al, Pb, Hg, Se e/ou Te também podem ser usados.Furthermore, it has been found in other experiments that in addition to Cu, In and / or Zn elements, Ag, Cd, Ga, Al, Pb, Hg, Se and / or Te elements can also be used.

Em resumo, pode ser estabelecido que o processo de acordo com a invenção é descomplicado e eficiente em termos de energia no que se refere ao processamento, uma vez que pelo uso de radiação de microon- das, o tempo reacional pode ser grandemente encurtado. Além disso, com esse processo, a suspensão de partículas de polímero/semicondutoras que é necessária para aplicação de uma camada de nanocomposto fotoativa po- de ser produzida num passo pela produção das partículas semicondutoras na solução polimérica sob irradiação de microondas. Isso tem a vantagem adicional de que as partículas do semicondutor são distribuídas especial- mente de modo homogêneo no polímero eletroativo.In summary, it can be established that the process according to the invention is uncomplicated and energy efficient with respect to processing, since by the use of microwave radiation, the reaction time can be greatly shortened. In addition, with this process, the polymer / semiconductor particle suspension that is required for application of a photoactive nanocomposite layer can be produced in one step by producing the semiconductor particles in the polymer solution under microwave irradiation. This has the additional advantage that semiconductor particles are especially evenly distributed in the electroactive polymer.

Com esse processo, as camadas fotoativas, cujas aplicações no caso dos elementos fotoativos, tais como células solares, resultam em graus satisfatórios de eficiência, podem ser produzidas.With this process, photoactive layers, whose applications in the case of photoactive elements, such as solar cells, result in satisfactory degrees of efficiency, can be produced.

Claims (18)

1. Processo para a produção de camadas fotoativas que com- preende partículas semicondutoras inorgânicas e compostos semiconduto- res orgânicos, caracterizado pelo fato de que partículas semicondutoras i- norgânicas são sintetizadas sob irradiação por microondas, a partir do que camadas fotoativas são formadas juntamente com compostos semiconduto- res orgânicos.Process for the production of photoactive layers comprising inorganic semiconductor particles and organic semiconductor compounds, characterized by the fact that inorganic semiconductor particles are synthesized under microwave irradiation, from which photoactive layers are formed together with organic semiconductor compounds. 2. Processo, de acordo com a Reivindicação 1, em que a sínte- se das partículas semicondutoras inorgânicas e a formação da camada foto- ativa é executada em dois passos.A process according to Claim 1, wherein the synthesis of inorganic semiconductor particles and the formation of the photoactive layer is performed in two steps. 3. Processo, de acordo com a Reivindicação 1, em que a sínte- se das partículas semicondutoras inorgânicas e a formação da camada foto- ativa é executada em um passo.A process according to Claim 1, wherein the synthesis of inorganic semiconductor particles and the formation of the photoactive layer is performed in one step. 4. Processo, de acordo com a Reivindicação 3, em que a produ- ção das partículas semicondutoras inorgânicas é efetuada diretamente numa solução ou suspensão do composto semicondutor orgânico sob irradiação por microondas e a suspensão obtida dessa forma é adicionalmente proces- sada diretamente numa camada fotoativa.Process according to Claim 3, wherein the production of the inorganic semiconductor particles is carried out directly in a solution or suspension of the organic semiconductor compound under microwave irradiation and the suspension thus obtained is further processed directly in a layer. photoactive. 5. Processo, de acordo com uma das Reivindicações de 1 a 4, em que as partículas semicondutoras inorgânicas têm um diâmetro de 1 nm a 1 μm, preferivelmente de 2 nm a 100 nm.A process according to one of Claims 1 to 4, wherein the inorganic semiconductor particles have a diameter of 1 nm to 1 μm, preferably from 2 nm to 100 nm. 6. Processo, de acordo com uma das Reivindicações de 1 a 5, em que as partículas semicondutoras inorgânicas são produzidas a partir de calcogenídeos metálicos.Process according to one of Claims 1 to 5, wherein the inorganic semiconductor particles are produced from metallic calcogenides. 7. Processo, de acordo com a Reivindicação 6, em que como calcogenídeos metálicos, aqueles do tipo ABX2, AB5Xg, AB5X8, CX1 D2X3 e semelhantes são selecionados, por meio do que: A = Cu, Ag, Zn, Cd; B = In, Ga, Al; C = Cu, Ag, Zn, Cd, Pb, Hg, Eu, Tm, Yb; D = Al, In, Ga, TI, Y, La, B; e X = S, Se, Te.A process according to claim 6 wherein as metal calcogenides those of the type ABX2, AB5Xg, AB5X8, CX1 D2X3 and the like are selected from: A = Cu, Ag, Zn, Cd; B = In, Ga, Al; C = Cu, Ag, Zn, Cd, Pb, Hg, I, Tm, Yb; D = Al, In, Ga, TI, Y, La, B; and X = S, If, Te. 8. Processo, de acordo com uma das Reivindicações de 1 a 5, em que as partículas semicondutoras inorgânicas são produzidas a partir dos respectivos elementos da tabela periódica.Process according to one of Claims 1 to 5, wherein the inorganic semiconductor particles are produced from the respective elements of the periodic table. 9. Processo, de acordo com uma das Reivindicações de 1 a 5, em que as partículas semicondutoras inorgânicas são produzidas a partir de sais metálicos e/ou de compostos metálicos e de um composto calcogenida.Process according to one of Claims 1 to 5, wherein the inorganic semiconductor particles are produced from metal salts and / or metal compounds and a calcogenide compound. 10. Processo, de acordo com uma das Reivindicações de 1 a 9, em que como compostos semicondutores orgânicos, são usados polímeros semicondutores e/ou oligômeros semicondutores.A process according to one of Claims 1 to 9, wherein as organic semiconductor compounds, semiconductor polymers and / or semiconductor oligomers are used. 11. Processo, de acordo com a Reivindicação 10, em que os polímeros semicondutores e/ou oligômeros semicondutores são seleciona- dos do grupo trans-poliacetileno, polipirrol, politiofeno, polianilina, poli-p- fenilenovinileno, poli-p-fenileno, polifluoreno, aminas poliaromáticas, po- li(tienilenovinileno) e/ou seus derivados.A process according to claim 10, wherein the semiconductor polymers and / or semiconductor oligomers are selected from the group trans-polyacetylene, polypyrrole, polythiophene, polyaniline, poly-p-phenylenovinylene, poly-p-phenylene, polyfluorene. polyaromatic amines, poly (thienylene vinylene) and / or derivatives thereof. 12. Processo, de acordo com uma das Reivindicações de 1 a 9, em que como compostos semicondutores orgânicos, ftalocianinas e/ou peri- lenos são usados.Process according to one of Claims 1 to 9, wherein as organic semiconductor compounds, phthalocyanines and / or perylenes are used. 13. Processo, de acordo com uma das Reivindicações de 1 a 12, em que a produção das partículas semicondutoras inorgânicas é efetua- da com a ajuda de tensoativos (enchimentos).Process according to one of Claims 1 to 12, wherein the production of inorganic semiconductor particles is carried out with the aid of surfactants (fillers). 14. Processo, de acordo com uma das Reivindicações de 1 a 13, em que as partículas semicondutoras inorgânicas estão presentes na forma de aglomerados.Process according to one of Claims 1 to 13, wherein the inorganic semiconductor particles are present in the form of agglomerates. 15. Processo, de acordo com uma das Reivindicações de 1 a 13, em que as partículas semicondutoras inorgânicas estão presentes na forma de redes particuladas percoladas.Process according to one of Claims 1 to 13, wherein the inorganic semiconductor particles are present in the form of percolated particulate networks. 16. Processo, de acordo com uma das Reivindicações de 1 a 15, em que a radiação de microondas que é usada está numa faixa de com- primento de onda de 1 m a 1 mm e uma faixa de freqüência entre 0,3 GHz e 300 GHz.Process according to one of Claims 1 to 15, wherein the microwave radiation that is used is in a wavelength range of 1 m to 1 mm and a frequency range between 0.3 GHz and 300 µm. GHz. 17. Componente que compreende uma camada fotoativa, a qual é produzida de acordo com uma das Reivindicações de 1 a 16. Componente, de acordo com a Reivindicação 17, em que o elemento fotoati- vo é uma célula solar híbrida.A component comprising a photoactive layer which is produced according to one of Claims 1 to 16. A component according to Claim 17 wherein the photoactive element is a hybrid solar cell. 18. Componente, de acordo com a Reivindicação 17, em que o elemento fotoativo é um fotodetector.Component according to Claim 17, wherein the photoactive element is a photodetector.
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