Nanoscale interpretation of performances in organic solar cells and field effect transistors

Dos de los principales retos a superar en el campo de la electronica organica son el control la morfologia de la capa semiconductora y las propiedades de las interfases. En particular, las interfases formadas por la capa organica semiconductora y los electrodos metalicos influyen fuertemente en el comportamiento de los dispositivos. Hasta el momento se ha dedicado un gran esfuerzo a la mejora de estas interfases siguiendo para ello diferentes estrategias como son el uso de monocapas autoensambladas (SAMs), capas de oxidos metalicos o mediante el dopaje de los contactos. Con respecto a la morfologia, se ha probado que esta juega un papel fundamental en la disociacion de los excitones, en la extraccion de la carga y en la recombinacion en celulas solares organicas (OSCs), asi como en las propiedades de trasporte en transistores organicos de efecto campo (OFETs). En este trabajo se utiliza principalmente el microscopio de fuerza atomica (AFM) y, en menor medida, otras tecnicas de caracterizacion de superficies, y en la investigacion de interfases que forman parte de estos dispositivos. En particular, se ha empleado el microscopio de friccion atomica (FFM), el microscopio de conduccion de fuerza atomica (AFM) y el microscopio de Kelvin de fuerza atomica (KPFM) en dispositivos OSC y OFETs, con el objetivo de correlacionar la caracterizacion a escala nanometrica con el rendimiento macroscopico de los dispositivos. Este documento esta organizado de la siguiente forma. Las motivaciones del trabajo se presentan en el Capitulo 1. En el Capitulo 2 se incluye una introduccion teorica a los semiconductores organicos y a los conceptos de autoensamblado y nanoestructuracion. Las tecnicas y metodologias empleadas en la tesis se describen en el Capitulo 3. Los resultados se presentan en los capitulos 4, 5, 6 y 7. En el Capitulo 4 se detalla el fundamento fisico del Transverse Shear Microscopy (TSM). La combinacion de datos experimentales con resultados de simulaciones numericas nos ha permitido probar que la senal de TSM tiene naturaleza disipativa. El Capitulo 5 se centra en el efecto de las capas transportadoras de huecos (HTLs) y su impacto en el rendimiento de celulas solares fabricados con materiales organicos y con perovskitas. Respecto a las celulas solares, hemos demostrado que el uso de SAMs de acidos fosfonicos cambia favorablemente la funcion de trabajo del catodo de ITO, pero tambien induce una acumulacion de carga en la interfase con efectos negativos en el rendimiento del dispositivo. En las celulas solares de perovskitas, a pesar de utilizar un material recientemente sintetizado como HTL con una posicion del HOMO mas favorable, el alineamiento energetico en la interfase con el TiO2 resulta menos favorable, dando lugar a peores propiedades de las celulas solares. El Capitulo 6 esta dedicado al efecto del solvent vapor annealing (SVA) en la cristalinidad y la separacion vertical de fase en celulas solares de oligotiofenos comprobando que, al aplicar el metodo SVA, los dominios del oligomero muestran mejor cristalinidad, mientras que los dominios del fullereno aumentan en tamano, mejorando las propiedades fotovoltaicas de los dispositivos. En el Capitulo 7 hemos realizado una caracterizacion a escala nanometrica de OFETs fabricados con C8-BTBT:PS mediante FFM de OFETs fabricados con C8-BTBT:PS, que ha permitido resolver la separacion vertical de fase del PS y el C8-BTBT. Mediante KPFM, se obtuvieron mapas del potencial de superficie de los OFETs, a partir de los que se han obtenido valores de la resistencia de contacto y de la movilidad de carga para diferentes electrodos y concluyendo que la resistencia de contacto es un factor critico que limita el rendimiento de estos dispositivos. Las principales conclusiones de la tesis se incluyen en el Capitulo 8.