Ingeniería molecular de materiales transportadores de huecos o electrones para células solares de perovskita

Abstract

El desarrollo de alternativas limpias para remplazar las tecnologías actuales basadas en combustibles fósiles es de crucial importancia. Dentro de las tecnologías fotovoltaicas emergentes, las células solares basadas en perovskita (PSCs) han alcanzado eficiencias prometedoras. Objetivos Diseño, síntesis y caracterización de nuevos materiales transportadores de huecos (HTMs) con el fin de mejorar el rendimiento de PSCs. Estudio de la aplicación de una serie de derivados de C60 con diferente funcionalización química y energía del LUMO como materiales transportadores de electrones (ETMs) en PSCs invertidas. i) HTMs basados en tetraarileteno (TAE) y bifluorenilideno (BF) Nuevas moléculas basadas en TAE y BF como unidad central han sido diseñadas uniendo covalentemente diferentes fragmentos dadores de electrones. Son extremadamente baratos y de fácil preparación y han sido extensamente caracterizados, mostraron características prometedoras en PSCs. ii) HTMs basados en benzotritiofeno (BTT) y libres de azufre Se han sintetizado BTT1, BTT2 y BTT3, los cuales fueron obtenidos de manera satisfactoria a través de la unión del fragmento central BTT con diferentes unidades basadas en difenilamina. Alcanzaron valores de eficiencia (valores siempre en porcentaje) entre el 16 y el 18 en dispositivos basados en MAPbI3 y (FAPbI3)0.85(MAPbBr3)0.15. El efecto de la isomería, derivada de la posición de los átomos de azufre en el fragmento central, ha sido estudiado en las propiedades de BTT4 y BTT5. Valores extraordinarios de eficiencia del 19.0 y 18.2 han sido alcanzados como HTMs en células solares basadas en (FAPbI3)0.85(MAPbBr3)0.15. Se sintetizaron dos nuevas isoestructuras, con pirroles o anillos de furano fusionados a un anillo central de benzeno, BTP y BTF, respectivamente. Los extraordinarios valores de eficiencia alcanzados, son comparables a los obtenidos con spiroOMeTAD o BTT-3. iii) HTMs basados en tieno[3,2 b]tiofeno (TbT) Se empleó tienotiofeno como fragmento central en tres nuevos HTMs, unido covalentemente a unidades de p metoxidifenilamina a través de diferentes grupos espaciadores. Se obtuvieron valores de eficiencia de hasta 18.4 con TbT3 sin apenas histéresis. iv) C60 funcionalizados con ácido benzoico Derivados de C60, adecuadamente funcionalizados con ácido carboxílico fueron sintetizados. Concretamente, tres derivados de C60 fueron incorporados como interface en PSCs en forma de monocapa autoensamblada. En todos los casos, se observó una disminución en la histéresis. v) Diseño y síntesis de ThCBM ThCBM y ThCBM6 mostraron un comportamiento en dispositivos invertidos basados en perovskita similares a estudiado PCBM. Se presenta la síntesis del bisaducto de C60 que combina los fragmentos característicos del DPM6 y PCBM. Conclusiones El diseño de nuevos HTMs de bajo coste y fácil preparación ha permitido el estudio de la influencia de diferentes unidades dadoras de electrones, isomerización e incorporación de heteroátomos en el fragmento central para diseñar a la carta HTMs con propiedades moleculares favorables para su utilización en dispositivos fotovoltaicos basados en perovskita. De forma adicional, se ha realizado una estimación de su coste de preparación a escala de laboratorio, en torno a 50-80 US$ por gramo, muy competitivo en comparación con otros HTMs ya comercialmente disponibles. Estos costes de preparación, junto con los altos valores de eficiencia alcanzados en dispositivos fotovoltaicos, validan el potencial de los nuevos HTMs presentados en esta tesis, compitiendo favorablemente con spiroOMeTAD, en el mercado de las células solares basadas en pervoskita. Actualmente existe una solicitud de patente internacional pendiente de resolución final. Además, la preparación de los derivados de C60 presentados en esta tesis, ha permitido una notable mejora en dispositivos fotovoltaicos de configuración invertida.