Hybrid photovoltaic-thermoelectric devices based on organic semiconductors

Abstract

En aquesta tesis, s’ha explorat el acoblament de generadors termoelèctrics (TEGs, per les seves sigles en anglès) a celes solars orgàniques (OSCs, per les seves sigles en anglès) en dispositius híbrids de estat sòlid per generació d’electricitat. En la primera part d’aquesta tesis s’ha demostrat la capacitat dels materials termoelèctrics (TE) orgànics per captar radiació solar i transformar-la en electricitat en un procés de dos passos. En un primer pas, la radiació solar es converteix en calor, motiu pel qual es van caracteritzar els materials TE com absorbent solars. Utilitzem la espectroscòpia Infraroja per la Transformada de Fourier (FTIR, per les seves sigles en anglès) per investigar les seves propietats òptiques i la termografia infraroja (IR) per investigar les seves propietats fototèrmiques. En un segon pas, el calor es converteix en electricitat mitjançant el efecte Seebeck. Típicament els materials TE s’investiguen en el context de la recuperació de calor residual, el qual ens va motivar a investigar els efectes secundaris associats a la llum en els paràmetres TE, es a dir, la conductivitat elèctrica i el coeficient Seebeck. A continuació, vam explorar els paràmetres geomètrics del dispositiu híbrid, tal com la longitud de la pota, i vam proposar diverses geometries planes pels generadors termoelèctrics solars orgànics (SOTEGs, per les seves sigles en anglès). El focus d’aquesta part eren els SOTEGs amb geometries planes, però vam comparar breument les geometries planes amb les verticals. Per últim, vam fabricar un dispositiu com a prova de concepte incorporant un mirall concentrador. En la segona part de la tesis, el focus es centra en investigar tres geometries de dispositiu diferents per acoblar un generador termoelèctric (TEG) a una OSC, recorrent a les dades experimentals obtingudes a partir dels espectres FTIR i de les imatges de termografia IR. Quan s’utilitza una cel·la solar semi-transparent en un dispositiu híbrid, el TEG pot fer us del calor generat i la llum transmesa per la cel·la solar. S’observa que la eficiència de conversió de potencia (PCE, per les seves sigles en anglès) de un mòdul comercial de OSC millora amb la temperatura. Motivats per la millora en la PCE observada en la segona part, vam investigar l’efecte de la temperatura en els paràmetres OSCs mitjançant les característiques J-V en funciço de la temperatura i de la intensitat de la llum. S’escull el sistema PBDB-T:ITIC per estudiar degut a la seva excel·lent estabilitat tèrmica. Un mètode d’alt rendiment, la tècnica del recobriment per fulla (Blade coating en anglès) s’utilitza per fabricar capes actives amb grosors variables. Per aquet sistema i uns altres tres, observem una millora amb la temperatura en la densitat de corrent de curtcircuit (JSC), el factor d’emplenat (FF, per les seves sigles en anglès) i la PCE. Combinant simulacions deriva-difusió (realitzades per un col·laborador) amb mesures de corrent limitada per carrega espacial (SCLS, en anglès) en funció de la temperatura, mesures d’eficiència externa quàntica en funció de la temperatura i tècniques de dispersió, concretament dispersió de rajos X de angle petit (GISAXS, per les seves sigles en anglès) i la dispersió de rajos X de angle ampli (GIWAXS, per les seves sigles en anglès), demostrem que la millora reversible en el rendiment del dispositiu es deu al transport de carregues per salt, que s’activa tèrmicament.