Propuesta de Curso-Taller. Titulado: Celdas solares orgánicas: Materiales, fabricación y caracterización. Cursos teóricos impartidos por

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1 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: Facebook: Gpom CIO

2 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:PC 61 BM (7 horas). Cupo máximo para el curso teórico 30 personas, los cursos prácticos están limitados a 20 personas.

3 Jueves Viernes 9:00 Plática Curso Práctico 3 Dr. José Luis Maldonado Fabricación de OPVs 10:00 Curso teórico (M. en C. Álvaro Borja, M. en C. Armando 11:00 Materiales Orgánicos para OPVs Álvarez) Dr. Arián Espinosa 12:00 Curso Práctico 1 Síntesis de polímeros (Dr. Cesar Garcías) Curso Práctico 4 Evaluación del dispositivo (Dr. Enrique Pérez) Comida (13:00-15:00) 15:00 Curso Práctico 5 Curso teórico Arquitecturas y Fabricación de Análisis de la topografía de la capa activa (Dr. Reyes Flores y Dr. Antonio Meneses) 16:00 Celdas Solares Orgánicas Dr. Enrique Pérez Curso Práctico 6 Obtención del espectro de impedancia (M. en F. Mirna Denisse Barreiro) 17:00 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 Procesos electrónicos (excitación, vibración y emisión) 2.3. Procesos de absorción (cromóforos) Procesos de emisión (fluoróforos) Procesos de transporte de carga (semiconductores orgánicos). 3. Dispositivos fotovoltaicos orgánicos 3.1. Celdas solares orgánicas 3.2. Materiales donadores y aceptores

4 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 MEH- PPV en solución.

5 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 Plaza: León, Gto. Cuenta: Clave:

6 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) Bulk heterojunction solar cell: morphology and performance relationship. Y. Huang, E. J. Kramer, A.J. Heeger, G. Bazan Chem. Rev. 114 (2014) Polymer donor-aceptor (all-polymer) solar cells, A. Facchetti, Materials Today 16 (2013) small molecules semiconductors for high-efficiency organic photovoltaics Chem. Soc. Rev. 41 (2012) Organic materials for photovoltaic applications: review and mechanism, N. Kaur, M. Singh, D. Pathak, T. Wagner, J.M. Nunzi, Synthetic metals 190 (2014) 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) B) Performance of OPVs cells with the eutectic alloy Wood s metal used as cathode and P3HT:PC 61 BM 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) 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) 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. Ramos- Ortíz, M. Rodríguez, M. Güizado-Rodríguez, J. Escalante, B. A. Frontana-Uribe, E. Pérez- Gutiérrez, R. Santillan. Synthetic Met. 196 (2014) B) Polymer solar cells based on P3HT:PC 71 BM 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) 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) Polymer/cathode interface barrier limiting the open circuit voltage in polymer:fullerene organic bulk heterojunction solar cells: a quantitative analysis. J.C. Nolasco, G. Ramos- Ortiz, J.L. Maldonado, O. Barbosa-Garcia, B. Ecker, E. Von Hauff. Appl. Phys. Lett. 104 (2014)

7 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 Realizó una estancia predoctoral en el centro mixto CSIS-Universidad de Sevilla España del 2010 al 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 Ocupo la gerencia de Investigación y Desarrollo en Industrial Orgánica S.A. de C.V. durante el 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

8 (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.