Pristine and novel fullerene derivatives as charge transporting materials or additives in perovskite solar cells

Resumen

Los fullerenos y las celdas solares de perovskita constituyen dos enormes avances en el extenso campo de la ciencia de los materiales. Con su descubrimiento a mediados de los años ochenta, los fullerenos abrieron un nuevo camino a través del emocionante mundo de la química del carbono. Este alótropo del carbono posee una estructura y propiedades únicas, que lo han convertido en un protagonista en muchas ramas de la bioquímica y de la ciencia de los materiales.Las celdas solares de perovskita se han desarrollado más recientemente, no obstante su desarrollo se ha producido de una forma muy rápida. En tan solo diez años, este nuevo tipo de dispositivos fotovoltaicos vio su eficiencia subir de 3.8% hasta 23.7%. Y eso no es todo: todos los factores indican que eficiencias aun más altas pueden ser alcanzadas.La fusión de estos dos VIPs (Very Important Players) de la ciencia de materiales está por lo tanto destinada a aportar grandes avances científicos. De hecho, la versatilidad de la química y de las aplicaciones de los fullerenos junto con el potencial de las celdas solares de perovskita ha proporcionado una gran variedad de celdas solares con propiedades mejoradas. Curiosamente, el papel desempeñado por los fullerenos no puede limitarse a una única función: en esta tesis, los fullerenos serán presentados como transportadores de electrones o de huecos / bloqueadores de electrones, o como aditivos dentro de la capa de perovskita. En el primero de los proyectos desarrollados, el material transportador de electrones inorgánico más conocido, TiO2, se reemplaza por C60 y C70. El TiO2 suele ser la primera opción cuando se prepara una celda solar de perovskita con arquitectura regular; sin embargo, presenta algunos problemas que podrían dificultar la posibilidad de que las celdas solares de perovskita sean competitivas en todo el mercado. De hecho, las temperaturas extremadamente altas requeridas hacen que la preparación de las celdas sea demasiado costosa para ser rentable. Los fullerenos, en este sentido, podrían favorecer la preparación a gran escala ya que no se requiere sintering; por lo tanto, no es necesario alcanzar altas temperaturas en la fase de preparación de la celda. En este trabajo, se propone una simple estrategia de preparación de capas de fullereno procesando disoluciones, así como un estudio exhaustivo sobre el espesor de la capa de fullereno y la morfología. Con el fin de mejorar la calidad de la capa, se propone una técnica interesante: el "fullerene-saturation approach". Esta estrategia consiste en preparar la solución de perovskita disolviendo los componentes en un disolvente previamente saturado con el fullereno requerido. Dentro de este estudio se han alcanzado varios objetivos. En primer lugar, se demostró la viabilidad de utilizar C70 procesado en solución como material de transporte de electrones en células solares de perovskita eficientes. Esto abre la puerta para el uso de nuevos materiales para el transporte de electrones en células solares de perovskita, en particular aquellos que pueden haber sido excluidos inicialmente debido a su movilidad de electrones relativamente baja y su absorción significativa en el rango visible del espectro electromagnético. Finalmente, el problema de la solubilidad se evita, ya que el ¿fullerene saturation approach¿ permite procesar la capa de perovskita en materiales que son solubles en DMF o DMSO.En la siguiente sección, se presenta una familia de monoaductos del fullereno C60 funcionalizados covalentemente con el polímero polietilenglicol (PEG). Estos nuevos materiales basados en C60 se han incorporado como aditivos en CH3NH3PbI3 (MAPbI3), la perovskita hibrida orgánico-inorgánica más común, utilizada en este tipo de celdas solares. Las celdas que contienen fullereno, gracias a la naturaleza peculiar de los nuevos aditivos, mostraron una mayor estabilidad contra la humedad. Esto parece deberse a la acción del PEG, que coordina las moléculas de agua y, por lo tanto, evita que reaccionen con los cristales de perovskita y los degraden. Además, la naturaleza de los aditivos ayudó a reducir la histéresis debido a la presencia de la esfera de fullereno. Este fenómeno provoca una discrepancia entre los rendimientos de las celdas cuando se miden de cero a un valor de voltaje definido o al revés y da como resultado una medición imprecisa de la eficiencia cuando se extrae de una curva de densidad de corriente-voltaje (J-V). Este fenómeno debe evitarse ante la futura comercialización. Varios estudios han llevado a la conclusión de que los fullerenos pueden limitar cada una de las posibles causas de histéresis, como la acumulación de carga interfacial, las trampas de carga y la migración de iones.En el último de los estudios, se presenta una aplicación innovadora de fullerenos en fotovoltaica. De hecho, en este capítulo se reporta la síntesis y caracterización ¿mediante técnicas espectroscópicas habituales- de la primera molécula con núcleo de fullereno y actividad para el transporte de huecos. Se demuestra la viabilidad de usar este innovador material como un material transportador de huecos/bloqueador de electrones en celdas solares de perovskita con resultados interesantes. Aunque el núcleo de fullereno presenta una actividad de transportador de electrones bien conocida, una sustitución apropiada puede adaptar el HOMO y el LUMO en la medida en que la capacidad general de transporte de carga de la molécula resultante se modifique por completo. Es importante señalar el hecho de que no se utilizó ningún aditivo en la preparación de los films de fullereno. Por lo general, se requiere el uso de aditivos para aumentar la conductividad de los materiales transportadores de huecos, como en el caso del más común, Spiro-OMeTAD. Sin embargo, la introducción de estos aditivos tiene algunos inconvenientes importantes, como por ejemplo la reducción de la estabilidad a largo plazo. En este sentido, la posibilidad de obtener dispositivos fotovoltaicos eficientes sin usar aditivos dopantes es especialmente destacable. Además, por primera vez se presenta una celda solar de perovskita "fullerene-sandwich", en la que ambos materiales de transporte de carga poseen núcleo fullerenico.En esta tesis hemos implementado la versatilidad química de los fullerenos, para obtener células solares de perovskita eficientes y estables. Por lo tanto, hemos sintetizado y usado fullerenos o derivados de fullereno como transportadores de electrones, transportadores de huecos o aditivos dentro de la capa de perovskita, lo que ilustra la amplia gama de aplicaciones de estas sorprendentes moléculas.