Enseñanza

 

Systematic electrical characterization study of a hybrid organic–inorganic semiconductor heterojunction at different illumination conditions

 

Oscar H. Salinas^a,b, M.C. Arenas^c, M.E. Nicho^d, and Hailin Hu^b

 

^a Universidad Tecnológica Emiliano Zapata del Estado de Morelos, Av. Universidad Tecnológica No. 1, Col. Palo Escrito, C.P. 62760, Emiliano Zapata, Morelos, e–mail: oscarsalinas@utez.edu.mx.

^b Centro de Investigación en Energía, Universidad Nacional Autónoma de México, Apartado Postal 34, Temixco 62580, Morelos, México.

^c Centro de Física Aplicada y Tecnología Avanzada, Universidad Nacional Autónoma de México, Apartado Postal 1–1010, Santiago de Querétaro, Querétaro, 76000, Mexico, e–mail: mcaa@fata.unam.mx.

^d Centro de Investigación en Ingeniería y Ciencias Aplicadas, Universidad Autónoma del Estado de Morelos, Av. Universidad 1001, Col. Chamilpa, 62209, Cuernavaca, Morelos, México.

 

Recibido el 15 de diciembre de 2010
Aceptado el 3 de marzo de 2011

 

Abstract

Electrical characterization study of hybrid heterojunctions (HHJs) based on CdS and poly(3octylthiophene) (P3OT) is performed in order to know the process repeatability and materials homogeneity that may influence on power conversion efficiency (PCE) of CdS/P3OT photovoltaic (PV) solar cells. Basic statistical and numerical techniques for solving linear equations were used for systematic analysis of PV performance of those HJs. Adjustment curves were calculated from experimental data with the adjustment factor equal to almost 99.9 %, which means that the model has a high confidence level. They also were combined with theoretical models to establish a mathematical model that can describe the electrical performance of the mentioned junctions. PV response was analyzed under different illumination conditions, 23, 40, 124 and 285 mW/cm² of I_rr level. The relationships between short circuit current (J_SC) and open circuit voltage (V_OC) with irradiance level (I_rr) were determined with high confidence level too. The dependence of J_SC on I_rr is linear, whereas V_OC depends logarithmically on I_rr and on J_SC. For spectral response a 100 Watts halogen lamp and light filters from 400 nm to 689 nm of wavelength were used. The maximum incident photon converted to electron efficiency (IPCE) was experimentally determined at 2.75 eV of photon energy. This value corresponds to the optical forbidden gap of the inorganic semiconductor material. The obtained results are in agreement with the theoretical concepts of PV devices.

Keywords: Photovoltaic effect; short circuit current; open circuit voltage; irradiance.

 

Resumen

En este trabajo se realiza un estudio sistemático de la caracterización eléctrica de heterouniones híbridas con la finalidad de conocer la repetitividad del proceso y la homogeneidad de materiales que se utilizan para preparar dispositivos electrónicos semiconductores para aplicación fotovoltaica. La caracterizacion eléctrica de dispositivos fotovoltaicos se realiza para saber su eficiencia de conversión de energía. Para el análisis sistemático de los resultados eléctricos, se utilizaron técnicas básicas estadísticas y de métodos numéricos para resolver ecuaciones lineales que involucran parámetros eléctricos del dispositivo. Las curvas de ajuste obtenidas a partir de los datos experimentales presentaron un factor de ajuste del 99.9 %, lo que significa un alto nivel de confianza en el modelo. Estas curvas de ajuste fueron combinadas con modelos teóricos para obtener un modelo matemático que describe el comportamiento eléctrico de este tipo de uniones específicas. La relación entre la corriente de corto circuito (J_SC) y el voltaje de corto circuito (V_OC) con el nivel de irradiancia (I_rr) se determinaron con un alto nivel de confianza. Las curvas demuestran que J_SC depende linealmente con I_rr, mientras que el V_OC depende logarítmicamente. Por otro lado, V_OC depende logarítmicamente de J_SC. La respuesta fovoltaica fue analizada a 23, 40, 124 y 285 mW/cm² de nivel de irradiancia. Se utilizaron filtros de 400 a 689 nm de longitud de onda y una lámpara de halógeno de 100 Watts para obtener la respuesta espectral. La máxima eficiencia de conversión de fotones incidentes (IPCE) se determine) experimentalmente en 2.75 eV de energía de los fotones, valor que corresponde con el ancho de banda prohibida del material semiconductor inorgánico. Los resultados obtenidos concuerdan con los conceptos teóricos básicos de dispositivos fotovoltaicos.

Descriptores: Efecto fotovoltaico; corriente a corto circuito; voltaje a circuito abierto; irradiancia.

 

PACS: 73.50.h; 73.40.c; 73.61.r; 85.60.Bt; 85.60.Dw

 

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Acknowledgments

The authors thank Cecilia López–Mata for CdS/P3OT solar cell sample preparation. The financial support from DGAPA–UNAM and CONACyT is gratefully acknowledged.

 

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