Propuesta de Curso-Taller Titulado: “Celdas solares orgánicas

Propuesta de Curso-Taller
Titulado: “Celdas solares orgánicas: Materiales, fabricación y
caracterización”
Cursos teóricos impartidos por
Dr. Enrique Pérez, Dr. Arián Espinosa
Fechas: jueves y viernes 21 y 22 de mayo del 2015
Resumen
El desarrollo de dispositivos fotovoltaicos orgánicos (OPV) es un tema de investigación
que en los últimos años ha llamado la atención de un gran número de científicos y
tecnólogos a nivel internacional. El diseño de materiales, los procesos de fabricación, las
arquitecturas empleadas y el funcionamiento de los dispositivos OPV son temas que siguen
en discusión. [1] El estudio de los procesos fotofísicos que originan la disociación del
excitón, las morfologías que favorecen el transporte y colección de carga, los electrodos
adecuados para estos dispositivos, así como su eficiencia de conversión energética y
estabilidad químico-estructural, completan las líneas de investigación relacionadas al
tema.[2] En particular, compuestos orgánicos tales como polímeros y moléculas de bajo
peso molecular han mostrado ser candidatos para la fabricación de dispositivos
fotovoltaicos (OPV) que resultan ser más ligeros, transportables y menos frágiles que los
basados en silicio, además cabe resaltar la posibilidad de que dichos dispositivos sean
flexibles y transparentes.[3] Durante los últimos 20 años, el estudio de estos dispositivo ha
llevado al incremento en los valores de eficiencia de conversión los cuales iniciaron con
menos de 1% y ahora se reportan de alrededor de 12%. [4] El diseño de nuevos materiales
donadores o aceptores de electrones con mejores propiedades, aditivos, tratamientos
térmicos, morfología de la capa activa, uso de capas colectoras de electrones o huecos,
electrodos de mayor facilidad de procesamiento, son algunos de los parámetros que se han
estado investigando. En particular, dentro de este tema, el Grupo de Propiedades Ópticas de
la Materia (GPOM) del CIO y colaboradores de distintas instituciones, ha trabajado en el
desarrollo de dispositivos fotovoltaicos orgánicos, contribuyendo con el uso de electrodos
que sean de fácil procesamiento [5] o semitransparentes, [6] el uso de moléculas dopantes
[7] o capas colectoras para mejorar la eficiencia de conversión energética, [8] y el estudio
del funcionamiento del dispositivo. [9]
GPOM: http://www.cio.mx/invest_13/gpom/lineas_inv.html
Facebook: Gpom CIO
Objetivo:
Dentro del desarrollo de las investigaciones realizadas en el campo de energía del CIO, el
evento busca dar una visión general de los dispositivos fotovoltaicos orgánicos (celdas
OPVs), el diseño y síntesis de los materiales empleados en los dispositivos, las
arquitecturas y métodos de fabricación de las OPVs, así como los métodos de
caracterización que se emplean comúnmente para evaluar su funcionamiento.
Dirigido a:
El evento está dirigido a estudiantes e investigadores de áreas tales como la electrónica,
física, química, óptica, ciencias de materiales, energías alternativas que estén interesados en
tener una visión general del desarrollo de dispositivos fotovoltaicos orgánicos.
Planteamiento del taller:
El evento durará 2 días en los cuales se impartirán dos cursos teóricos donde se abarcarán
los temas más importantes y de actualidad, relacionados al diseño y síntesis de los
materiales usados en la fabricación de la capa activa de las OPVs (3 horas) (química,
ciencias de materiales). En el siguiente curso se mostrarán las arquitecturas, métodos de
fabricación y caracterización de estos dispositivos (3 horas) (óptica, física,), finalmente, se
realizará una sesión de cursos prácticos relacionados con la síntesis de los materiales, la
fabricación y evaluación de las características eléctrico-ópticas de una celda solar basada en
MEH-PPV:PC61BM (7 horas). Cupo máximo para el curso teórico 30 personas, los cursos
prácticos están limitados a 20 personas.
Jueves
9:00
10:00
11:00
12:00
15:00
16:00
17:00
Viernes
Plática
Curso Práctico 3
Dr. José Luis Maldonado
Fabricación de OPVs
Curso teórico
(M. en C. Álvaro Borja, M. en C. Armando
Materiales Orgánicos para OPVs
Álvarez)
Dr. Arián Espinosa
Curso Práctico 1
Curso Práctico 4
Síntesis de polímeros
Evaluación del dispositivo
(Dr. Cesar Garcías)
(Dr. Enrique Pérez)
Comida (13:00-15:00)
Curso Práctico 5
Análisis de la topografía de la capa activa
Curso teórico
(Dr. Reyes Flores y Dr. Antonio Meneses)
Arquitecturas y Fabricación de
Celdas Solares Orgánicas
Curso Práctico 6
Dr. Enrique Pérez
Obtención del espectro de impedancia
(M. en F. Mirna Denisse Barreiro)
Curso Práctico 2
Voltametría cíclica
(Dr. Arián Espinosa)
Temario
Materiales orgánicos para OPVs
1. La química de los materiales orgánicos
1.1. Moléculas orgánicas
1.2. Propiedades químicas de las moléculas orgánicas (representación de la estructura,
propiedades, solubilidad, reactividad y manejo)
1.3. Tipos de moléculas (compuestos aromáticos, sistemas π-conjugados moléculas de bajo
peso molecular y polímeros)
1.4. Teoría de orbitales moleculares
2. Propiedades fotofísicas de las moléculas orgánicas (polímeros y de bajo peso molecular)
2.1. La luz y las moléculas orgánicas.
2.2. Procesos electrónicos (excitación, vibración y emisión)
2.3. Procesos de absorción (cromóforos).
2.4. Procesos de emisión (fluoróforos).
2.5. Procesos de transporte de carga (semiconductores orgánicos).
3. Dispositivos fotovoltaicos orgánicos
3.1. Celdas solares orgánicas
3.2. Materiales donadores y aceptores
3.3. Tipos de polímeros empleados en OPVs
3.4. Funcionamiento (Niveles HOMO-LUMO)
3.6 Estimación de los niveles HOMO y LUMO, métodos experimentales
3.7. Diseño de moléculas para la fabricación de celdas solares
3.8. Ejemplos de moléculas de bajo peso molecular y polímeros relevantes.
Arquitecturas y Fabricación de Celdas Solares Orgánicas
1. Principio fotovoltaico en celdas solares
1.1 Generación de excitones
1.2 Disociación y transporte de carga
2. Arquitecturas de celdas orgánicas OPVs
2.1 Configuración directa
2.2 Configuración invertida
2.3 Arquitectura tándem
3. Dispositivos electrónicos orgánicos
3.1 Métodos de fabricación para compuestos de bajo peso molecular
3.3 Métodos de fabricación para compuestos poliméricos
4. Caracterización eléctrica y óptica de celdas
4.1 Parámetros eléctricos
4.2 Determinación de eficiencia de conversión
5. Perspectivas en OPVs
5.1 Incremento de la eficiencia de conversión
5.2 Paneles flexibles
Talleres prácticos

Síntesis de polímeros usando microondas (Dr. Cesar Garcías) Información: Que el
participante conozca las reacciones químicas más empleadas para la síntesis de
polímeros para celdas solares usando calentamiento con microondas.

Voltametría cíclica (Dr. Arián Espinosa) Información: Que el participante realice el
experimento electroquímico para determinar los niveles HOMO y LUMO del MEHPPV en solución.

Fabricación de una celda solar basada en la mezcla MEH-PPV:PC61BM con una
arquitectura de BHJ. (M. en C. Álvaro Borja y M. en C. Armando Álvarez)
Información: que el participante realice la fabricación de un dispositivo fotovoltaico
basado en MEH-PPV.

Caracterización de la curva corriente-voltaje del dispositivo fabricado (Dr. Enrique
Perez) Información: Evaluar el dispositivo fabricado mediante la obtención de su
curva corriente-voltaje y realizar el análisis de los datos.

Análisis de la topografía y espesor de la capa activa (Dr. Reyes y Dr. Antonio
Meneses) Información: Que el visitante se involucre directamente en la
caracterización de la morfología de la capa activa de una OPV.

Obtención del espectro de impedancia (M. en F. Denisse Barreiro) Información:
medir el espectro de impedancia y explicar esta técnica como posible metodología
para analizar el funcionamiento del dispositivo.
Información importante: Para inscribirse enviar un correo a la dirección mrodri@cio.mx
(con nombre, nivel académico, institución de origen, etc.) fecha límite para inscripción 4 de
mayo (cupo máximo: 30 personas), el curso práctico está limitado a un total de 20 personas.
El costo de inscripción para estudiantes (con credencial vigente) es de 700 pesos y para
profesionistas 1400 pesos. Se entregará constancia de participación al evento. Para el pago
se puede realizar mediante depósito o transferencia bancaria.
Beneficiario: CENTRO DE INVESTIGACIONES EN ÓPTICA, A.C.
Banco: BANORTE
Suc. 0175
Plaza: León, Gto.
Cuenta: 0105234945
Clave: 072 225 001 0523 4945-3
Referencias
1. “Toward high performance organic photovoltaic cells: A review of recent development in
organic photovoltaic”. Y. Junsheng, Z. Yifan H. Jiang, Polymers 6 (2014) 2473-2509
2. “Bulk heterojunction solar cell: morphology and performance relationship”. Y. Huang, E.
J. Kramer, A.J. Heeger, G. Bazan Chem. Rev. 114 (2014) 7006-7043.
3. “Polymer donor-aceptor (all-polymer) solar cells”, A. Facchetti, Materials Today 16 (2013)
123-132. “small molecules semiconductors for high-efficiency organic photovoltaics” Chem.
Soc. Rev. 41 (2012) 4245-4272
4. “Organic materials for photovoltaic applications: review and mechanism”, N. Kaur, M.
Singh, D. Pathak, T. Wagner, J.M. Nunzi, Synthetic metals 190 (2014) 20-26.
5. A) “On the use of Woods metal for fabricating and testing polymeric organic solar cells:
an easy and fast method”. J.F. Salinas, J.L. Maldonado, G. Ramos-Ortíz, M. Rodríguez,
M.A. Meneses-Nava, O. Barbosa-García, R. Santillan, and N. Farfán.Sol. Energ. Mat. Solar
C., 95 (2011) 595–601. B) “Performance of OPVs cells with the eutectic alloy Wood´s
metal used as cathode and P3HT:PC61BM blend as active layer”. C. Salto, J.-F. Salinas,
J.L. Maldonado, G. Ramos-Ortiz, M. Rodríguez, M.-A. Meneses-Nava, O. Barbosa-García,
J.-A. Del Oso, M. Ortiz-Gutierrez. Synthetic Met. 161 (2011) 2412–2416.
6. “Optical design of transparent thin metal electrodes to enhance in-coupling and trapping
of light in flexible polymer solar cells”. J.-F. Salinas, H.-L. Yip, C.-C. Chueh, C.-Z. Li, J.L.
Maldonado, A. K.-Y. Jen. Adv. Mater., 24 (2012) 6362–6367.
7. A) “New polythiophene derivatives and enhanced photovoltaic effect by a boron
compound blended with them in OPVs cells”. J.-A. Del-Oso, J.L. Maldonado, G. RamosOrtíz, M. Rodríguez, M. Güizado-Rodríguez, J. Escalante, B. A. Frontana-Uribe, E. PérezGutiérrez, R. Santillan. Synthetic Met. 196 (2014) 83–91. B) “Polymer solar cells based on
P3HT:PC71BM doped at different concentrations of isocyanate-treated graphene”. D.
Romero–Borja, J.L. Maldonado, O. Barbosa–García, M. Rodríguez, E. Pérez–Gutiérrez, R.
Fuentes–Ramírez, G. de la Rosa. Synthetic Met. 200 (2015) 91–98.
8. “Titanium oxide:fullerene composite films as electron collector layer in organic solar
cells and the use of an easy-deposition cathode”E. Pérez-Gutiérrez, J.L. Maldonado, J.
Nolasco, G. Ramos-Ortíz, M. Rodríguez, U. Mendoza-De la Torre, M.A. Meneses-Nava, O.
Barbosa-García, H. García-Ortega, N. Farfán, G. Granados, R. Santillan, E. Juaristi. Opt.
Mater. 36 (2014) 1336–1341.
9. “Polymer/cathode interface barrier limiting the open circuit voltage in polymer:fullerene
organic bulk heterojunction solar cells: a quantitative analysis”. J.C. Nolasco, G. RamosOrtiz, J.L. Maldonado, O. Barbosa-Garcia, B. Ecker, E. Von Hauff. Appl. Phys. Lett. 104
(2014) 043308.
Información expositores
Dr. Enrique Pérez
En el 2004 se graduó como licenciado en electrónica en la Benemérita Universidad
Autónoma de Puebla, para el 2007 obtuvo el grado de maestro en ciencias en la
especialidad de Ciencia de Materiales y su doctorado en Ciencias Químicas lo consiguió en
el 2011 en la misma institución. Realizó una estancia de Investigación en la escuela de
química de la universidad de Nottingham Inglaterra en el 2013, así como estancias cortas
en las Universidades de Washington y Georgia Tech. Cuenta con diversas publicaciones en
el área de celdas solares orgánicas. Actualmente, trabaja en el GPOM desarrollando el
diseño e implementación de nuevas arquitecturas y materiales para OPVs.
Dr. Arián Espinosa
En el 2006 obtuvo el grado de licenciado en química en la Universidad Autónoma del
Estado de Hidalgo, el grado de doctor en química lo consiguió en la Universidad
Autónoma del estado de Hidalgo en el 2012. Realizó una estancia predoctoral en el centro
mixto CSIS-Universidad de Sevilla España del 2010 al 2012. Actualmente se encuentra
realizando una estancia posdoctoral en el Centro de Investigaciones en Óptica, dentro del
Grupo de Propiedades Ópticas de la Materia, desarrollando el diseño y síntesis de
polímeros y moléculas de bajo peso molecular como materiales donadores para OPVs.
Dr. Cesar Garcías Morales
Obtuvo el Título de Químico Industrial por la facultad de Ciencias Química de la
universidad Veracruzana 2006, posteriormente realizó los estudios de Doctorado en
Ciencias Químicas en el CINVESTAV-IPN consiguiendo el grado en el 2013. Ocupo la
gerencia de Investigación y Desarrollo en Industrial Orgánica S.A. de C.V. durante el 2014.
Durante 2015 se encuentra realizando una estancia posdoctoral en el CIO, desarrollando el
diseño y síntesis de polímeros para celdas solares.
Dr. J. Reyes Flores Noria
Es egresado del Centro de Investigación en Química Aplicada, donde realizó sus estudios
de Doctorado en tecnología de polímeros, mismo que obtuvo a finales del 2012,
anteriormente consiguió el título de maestría en Ciencias de Ingeniería Mecánica
(materiales) en el Instituto Tecnológico de Celaya. Actualmente se encuentra realizando
una estancia de investigación sobre el desarrollo de transistores orgánicos de efecto de
campo en el CIO-GPOM.
M. en C. Mirna Denisse Barreiro Arguelles
Obtuvo en el 2009 la Licenciatura en Física, Facultad de Física e inteligencia artificial de la
Universidad Veracruzana. En el 2012 se graduó del programa de Maestría en Física en la
División de ciencias e ingenierías de la Universidad de Guanajuato. Actualmente se
encuentra realizando sus estudios de doctorado en Ciencias (óptica), en el Centro de
investigaciones en óptica y cuyo tema de tesis es "Estudio de los factores que afectan la
vida media de celdas solares orgánicas"
M. en C. Armando Álvarez Fernández
Se graduó en 1987 como Ingeniero en Comunicaciones y Electrónica por la FIMEE de la
Universidad de Guanajuato campus Salamanca y posteriormente consiguió el grado de M.
en Ing. Eléctrica, con especialidad en Sist. Dig. y Control, misma facultad (1990).
Actualmente es estudiante de sistema de doctorado en óptica dentro del CIO y su tema de
tesis se titula “celdas solares orgánicas de heterounión de volumen basadas en politiofenos
y otros compuestos, en configuración directa e inversa”
M. en C. Álvaro Daniel Romero Borja
Actualmente es candidato a Doctor en Ciencias en Ingeniería Química en la Universidad de
Guanajuato. Recibió sus grados de Ingeniero Químico (2009) y Maestro en Ingeniería
Química (2010) por parte de la Universidad de Guanajuato. Su trabajo de investigación
actual se basa en la síntesis y caracterización de grafeno funcionalizado para su aplicación
en celdas solares orgánicas.