Nanoscale interpretation of performances in organic solar cells and field effect transistors

Resumen

Dos de los principales retos a superar en el campo de la electrónica orgánica son el control la morfología de la capa semiconductora y las propiedades de las interfases. En particular, las interfases formadas por la capa orgánica semiconductora y los electrodos metálicos influyen fuertemente en el comportamiento de los dispositivos. Hasta el momento se ha dedicado un gran esfuerzo a la mejora de estas interfases siguiendo para ello diferentes estrategias como son el uso de monocapas autoensambladas (SAMs), capas de óxidos metálicos o mediante el dopaje de los contactos. Con respecto a la morfología, se ha probado que ésta juega un papel fundamental en la disociación de los excitones, en la extracción de la carga y en la recombinación en células solares orgánicas (OSCs), así como en las propiedades de trasporte en transistores orgánicos de efecto campo (OFETs). En este trabajo se utiliza principalmente el microscopio de fuerza atómica (AFM) y, en menor medida, otras técnicas de caracterización de superficies, y en la investigación de interfases que forman parte de estos dispositivos. En particular, se ha empleado el microscopio de fricción atómica (FFM), el microscopio de conducción de fuerza atómica (AFM) y el microscopio de Kelvin de fuerza atómica (KPFM) en dispositivos OSC y OFETs, con el objetivo de correlacionar la caracterización a escala nanométrica con el rendimiento macroscópico de los dispositivos. Este documento está organizado de la siguiente forma. Las motivaciones del trabajo se presentan en el Capítulo 1. En el Capítulo 2 se incluye una introducción teórica a los semiconductores orgánicos y a los conceptos de autoensamblado y nanoestructuración. Las técnicas y metodologías empleadas en la tesis se describen en el Capítulo 3. Los resultados se presentan en los capítulos 4, 5, 6 y 7. En el Capítulo 4 se detalla el fundamento físico del Transverse Shear Microscopy (TSM). La combinación de datos experimentales con resultados de simulaciones numéricas nos ha permitido probar que la señal de TSM tiene naturaleza disipativa. El Capítulo 5 se centra en el efecto de las capas transportadoras de huecos (HTLs) y su impacto en el rendimiento de células solares fabricados con materiales orgánicos y con perovskitas. Respecto a las células solares, hemos demostrado que el uso de SAMs de ácidos fosfónicos cambia favorablemente la función de trabajo del cátodo de ITO, pero también induce una acumulación de carga en la interfase con efectos negativos en el rendimiento del dispositivo. En las células solares de perovskitas, a pesar de utilizar un material recientemente sintetizado como HTL con una posición del HOMO más favorable, el alineamiento energético en la interfase con el TiO2 resulta menos favorable, dando lugar a peores propiedades de las células solares. El Capítulo 6 está dedicado al efecto del solvent vapor annealing (SVA) en la cristalinidad y la separación vertical de fase en células solares de oligotiofenos comprobando que, al aplicar el método SVA, los dominios del oligómero muestran mejor cristalinidad, mientras que los dominios del fullereno aumentan en tamaño, mejorando las propiedades fotovoltaicas de los dispositivos. En el Capítulo 7 hemos realizado una caracterización a escala nanométrica de OFETs fabricados con C8-BTBT:PS mediante FFM de OFETs fabricados con C8-BTBT:PS, que ha permitido resolver la separación vertical de fase del PS y el C8-BTBT. Mediante KPFM, se obtuvieron mapas del potencial de superficie de los OFETs, a partir de los que se han obtenido valores de la resistencia de contacto y de la movilidad de carga para diferentes electrodos y concluyendo que la resistencia de contacto es un factor crítico que limita el rendimiento de estos dispositivos. Las principales conclusiones de la tesis se incluyen en el Capítulo 8