Development of photocurrent and open circuit voltage decay models for the characterization and reliability study of bulk herejunction solar cells

Le celle solari organiche appartengono al fotovoltaico di terza generazione e i loro punti di forza risiedono nelle loro peculiarità, che le rendono molto adatte a molte applicazioni, come l'integrazione architettonica o l'elettronica indossabile. Nonostante i numerosi vantaggi, soffrono ancora di molti punti deboli. Il più significativo è la scarsa affidabilità, da cui deriva la necessità di studiare nuove procedure di indagine che conducano alla risoluzione dei problemi di affidabilità. Questa attività di ricerca mira a sviluppare una metodologia per la caratterizzazione e lo studio dell'affidabilità delle celle solari polimeriche. In particolare, sono qui sviluppati due modelli, insieme alla descrizione di una nuova tipologia di misura: la open circuit voltage decay (OCVD). Il primo modello si basa sull'analisi della fotocorrente prodotta da una cella solare organica e prende in considerazione il piegamento della banda elettronica vicino agli elettrodi causata da un accumulo di carica nell’active layer. Questi accumuli di carica hanno un forte impatto sulla fotocorrente prodotta dal dispositivo. Inoltre, il modello spiega diverse discrepanze che sorgono tra i risultati sperimentali e la predizione fatta da altri modelli precedentemente presentati in letteratura. Il secondo modello si basa sull'analisi delle OCVD (ovvero una misura non distruttiva per la cella solare che monitora il transitorio di decadimento della tensione di circuito aperto a partire dal momento in cui la luce sulla cella solare viene spenta). È dimostrato che la forma del transitorio del decadimento della tensione è correlata ai meccanismi di separazione e ricombinazione dei portatori liberi. Molti parametri che descrivono le celle solari polimeriche sono estrapolate dal modello: i tassi di ricombinazione, il numero di portatori intrinseci nell’active layer e il gap energetico dei materiali che compongono lo strato attivo. Al fine di migliorare il fit e l’estrapolazione dei parametri, nel modello OCVD viene aggiunta la considerazione della distribuzione di carica spaziale non costante all'interno dell’active layer. L'analisi è supportata da alcune simulazioni drift diffusion. Ciò consente di quantificare la carica accumulata sulle interfacce elettrodo/organico, ottenendo ulteriori informazioni sulla struttura della banda elettronica della cella solare, e in particolare sull'allineamento tra le funzioni lavoro dell'elettrodo e le bande di trasporto organiche. La seconda parte del lavoro fa uso dei modelli sviluppati nella prima parte. In particolare, sono applicati a dati sperimentali ottenuti da dispositivi solari. I modelli vengono applicati a due casi principali. Nel primo caso, i due modelli sono utilizzati per caratterizzare quattro tipi di celle solari, evidenziando le differenze tra i dispositivi. Nello specifico, vengono estrapolate diverse informazioni sui meccanismi di ricombinazione all'interno dello strato attivo e sul diagramma a bande dell’active layer. Inoltre, viene identificata l'origine delle prestazioni inferiori associate ad alcuni dispositivi rispetto ad altri, mostrando il motivo per cui alcuni dispositivi non si guastano durante stress elettrici. Inoltre, le misurazioni in temperatura consentono di estrapolare il diagramma a bande dei materiali che compongono le celle solari. Nel secondo caso, i modelli vengono utilizzati per monitorare alcune celle durante i test di vita accelerati, mostrando i principali fattori causa di degradazione. Lo stress elettrico danneggia solo lo strato attivo riducendo la velocità di generazione dei polaroni e la probabilità di separazione dei polaron. Dall'analisi della forma della curva di fotocorrente è stato anche osservato che lo stress termico degrada anche l'interfaccia con l'anodo.