Por ejemplo asumiendo VD=10V y μ= 10
cm
/ Vs, f0 es 1 KHz para
un L=100 μm, pero es de 100 KHz para un L= 10 μm. En
contraste con los transistores
inorgánicos que trabajan a frecuencias de GHz. De lo
anterior es obvio que la electrónica orgánica tiene que
competir con la inorgánica, por el momento, en precio mas
que en desempeño.
Pueden haber otras capacitancias diferentes a la capa de
acumulación en el transistor cuando
se activa (desactiva) y VG se aplica (extingue). Estas
capacitancia parasitas pueden surgir por ejemplo de un traslape
de los electrodos de drain y source con el electrodo de gate.
Las velocidades de suicheo de los circuitos
fabricados con transistores orgánicos pueden ser
estudiadas con la ayuda de "anillos" osciladores. Un "anillo"
oscilador consiste de un número impar de compuertas "NOT",
las cuales pueden ser hechas de dos FETs. La operación
"NOT" convierte entradas de voltaje bajas (altas) en salidas de
voltaje altas (bajas). La salida de cada compuerta NOT es
mantenida en la entrada de la próxima compuerta, con la
salida de la ultima de las compuertas impares NOT siendo
realimentada en la entrada de la primera compuerta NOT. De esta
manera se concluye que un "anillo" no tiene un estado
consistente (ver figura 53). Por otro lado, la salida oscilara
entre altos y bajos con una frecuencia f que esta relacionada con
f0, que es la frecuencia de suicheo de un transistor individual.
La frecuencia (f) será mas baja que f0, cuando mas de un
transistor tenga que oscilar, y se incrementara con el numero de
compuertas NOT o estados de oscilación.
Figura 53: Esquema de un "anillo"
oscilador.
En la figura 53, si asumimos que la salida de la compuerta NOT
de la parte inferior es baja, entonces la salida de la compuerta
de la parte superior derecha será alta, y la salida de la
compuerta de la izquierda será baja, llevando a una salida
alta de la compuerta inferior, lo cual es inconsistente con lo
asumido inicialmente. El "anillo" oscilador no tiene un estado
consistente propio y oscilara entre alto y bajo con una
frecuencia f. Cuando la salida oscilante es vista en un osciloscopio,
f puede ser extraída. A menudo la inversa de la frecuencia
f, dividida por (2 por el número de compuertas NOT =
número de transistores) se conoce como el retraso de la
propagación por estado. En la ausencia de capacitancias
parasitas, esto es igual a τ= 1/f0. Los "anillos" oscilantes
permiten una medida dinámica de la movilidad de los portadores.
En cualquier caso, f es una medida practica y relevante de la
velocidad de
un circuito. "Anillos" oscilantes de OFETs rápidos, con
f>100 KHz han sido conseguidos por grupos de
investigación de Siemens. Los "anillos"
oscilantes no son puramente una herramienta de diagnostico, pero
tienen aplicaciones importantes. En 3M han fabricado etiquetas de
identificación por radiofrecuencia que usan anillos
oscilantes basados en pentaceno, con frecuencias de alrededor de
los 200Hz. Estas etiquetas tienen una antena (circuito LC)
que absorbe una señal de radio de una
frecuencia de 13.6 MHz, y reemiten una señal de la misma
frecuencia, pero con una modulación
de amplitud[83].
5.2.4 Características de los materiales
usados en OFETs: "Los buenos OFET deben mostrar altas
corrientes de drenaje, a bajos voltajes de drain y de gate, sin
optimizar el factor geométrico; deben mostrar altos
índices de on/off, lo que significa que las corrientes de
drain a VG=0 deben ser extremadamente bajas y deben mostrar
rápidos τ. Esto implica que los OFETs necesitan que el
semiconductor orgánico, los aislantes y los electrodos
cumplan con fuertes requerimientos. En el campo de los semiconductores
orgánicos, la principal propiedad que
debe ser cumplida es una buena movilidad de los portadores de
carga"[84]. A continuación se nombraran las
mas importantes características que deben tener los
materiales usados en la fabricación de OFET:
– Los metales del
source deben hacer contactos ohmicos con el semiconductor (libres
de barreras energéticas).
– El aislante del gate debe ser delgado y no debe presentar
agujerillos (técnica utilizada para mejorar el proceso por
solución de materiales orgánicos), u otro tipo de
fugas, y debe tener una alta constante dieléctrica.
– Los semiconductores orgánicos deben ser libres de
dopantes o tenerlos en muy bajas concentraciones, de lo contrario
el transistor no funcionara adecuadamente.
– El semiconductor orgánico debe estar libre de trampas
de portadores de carga. Las cargas atrapadas dejan de ser
móviles, lo cual significa que parte de la capa de
acumulación DG no puede contribuir a la corriente de
drenaje[85].
Figura 54. Imagen de un
circuito plástico
de una matriz activa,
de Lucent technology
Fuente: Organic Light emitting devices (OLED). [en
línea]. s.l.: LAMP. s.f. <http://cedb.postech.ac.kr/lamp/eng/research_oled.php.>
[consulta: Nov 2004].
5.3 Capacitores
de Polypirrol
En general, las cargas en los capacitores convencionales son
almacenadas en la superficie de los electrodos. Si en estos se
incrementa el área de la superficie, proporcionalmente se
incrementa la capacitancia. Sin embargo, los capacitores basados
en polímeros conductores, tienen la ventaja de almacenar
carga a través del material y no simplemente en la
superficie. Una segunda ventaja de los capacitores basados en
polímeros conductores (CPC"s) es que la separación
efectiva de las placas esta en el orden de los 2 nm,
permitiendo un tremendo almacenamiento de
energía. No obstante, en la actualidad, estos dispositivos
tienen anchos de banda que están varios ordenes de
magnitud por debajo de los capacitores convencionales y los
potenciales aplicados alcanzan tan solo 4 V.
5.3.1 Teoría
de Operación: Ian Hunter, Meter Madden y John
Madden en "Polypyrrole Capacitors" escriben hacerca de la
operación de estos capacitores lo siguiente:
Un capacitor basado en polímero conductor típico
tiene una estructura de
emparedado, la cual en primer lugar es idéntica a aquella
de los capacitores convencionales, diferenciandose solamente en
los materiales utilizados. Las capas externas son
electrónicamente conductivas (polypirrol), mientras que el
medio entre los platos poliméricos no. A diferencia de la
mayoría de los capacitores, el dieléctrico
intermedio es en si un electrolito. Cuando un voltaje es aplicado
entre las dos placas, iones en el dieléctrico son
trasportados por fuerzas electroforeticas (fuerzas que mueve
cargas eléctricas (iones), originadas por la acción
de un campo
eléctrico), con aniones y cationes viajando
paralelamente al campo eléctrico aplicado y en direcciones
opuestas. Estas cargas comienzan a concentrarse en la interfase
polímero/electrolito. Cuando los iones se aproximan a la
interfase, la superficie del polímero se carga
electrónicamente, de este modo, previniendo que el campo
eléctrico penetre la superficie del polímero. Los
iones y las cargas forman lo que se conoce en electroquímica como capacitancia de doble
capa. El espacio promedio, entre los iones y la superficie de
carga del polímero en la doble capa, es
típicamente menor a 30 nm, en electrolitos de
concentración moderada, conduciendo esto a grandes campos.
Las capacitancias típicas de estas capas estan entre 0.1 y
0.4 F·m (Bard y Faulkner
1980).
A diferencia de la mayoría de los electrodos, el
polímero es poroso, permitiendo que los iones entren y
salgan. La conductividad eléctrica de los polímeros
previene que se generen campos eléctricos dentro del
polímero, y de esta manera, a diferencia que en el
electrolito, no hay fuerza
electroforetica. Sin embargo la acumulación de iones
en la interfase genera un gradiante de concentración, el
cual conduce a la difusión de iones dentro del
polímero. Cuando estos iones se difunden en a el interior
del polímero, sus cargas son neutralizadas por cargas en
la cadena principal del polímero, de esta manera se
mantiene la electroneutralidad del mismo. La difusión de
iones y cargas dentro del polímero disminuye la carga de
la doble capa. Eventualmente, dado que el voltaje aplicado
permanece constante, la concentración iónica en los
electrodos del polímero conductor se iguala a aquellos de
la doble capa, y la difusión cesa. En este punto, el
capacitor esta cargado. Una vez cargado, el potencial cae a
través de la doble capa en la interfase
electrolito/polímero. Note que para cargar esta interfase,
las cargas tienen que ser transferidas a todo el polímero.
De esta manera, a diferencia de los capacitores convencionales,
la carga es almacenada en un volumen y como
veremos, la capacitancia puede ser expresada en términos
de un volumen en ves de en términos de una área de
superficie.
La aplicación de un paso de potencial al CPC claramente
lleva a que el dispositivo se cargue, pero es evidente que no
estamos tratando con una capacitancia pura. Realmente el CPC,
inicialmente actúa como una resistencia, con
el campo aplicado actuando para superar la viscosidad del
electrolito. La doble capa entonces comienza a cargarse y
simultáneamente a descargarse debido a la corriente
de difusión. Solo una vez que la difusión es
completada la corriente para. Solo cuando el potencial aplicado
varia a un ritmo suficientemente bajo, hace que el CPC
actué como una capacitancia pura, como lo aclararan mas
tarde las ecuaciones. La
aplicación de una sinusoide, cuyo periodo es mas bajo que
la constante de tiempo para la
cual la difusión se produce, provoca un comportamiento
ideal. El desafió es ahora representar este
fenómeno matemáticamente, y de este modo determinar
el máximo desempeño. Como se discutió, el
electrolito actúa como una resistencia R y la interfase
entre el polímero y el electrolito es una capacitancia, C.
La corriente que pasa la celda debe atravesar el electrolito y
carga la capacitancia de doble capa, la cual puede ser descargada
por difusión.
La difusión es dirigida por el gradiante de
concentración, de la misma manera que la corriente
iónica y la carga de doble capa son dirigidas por
gradientes de potencial. Estas fuerzas están ahora
relacionadas y una expresión para la admitancia Y es
obtenida en términos de:
1. Resistencia del electrolito, R,
2. Capacitancia de doble capa, C,
3. Grosor del polímero, a,
4. Área superficial del polímero, A,
5. Coeficiente de difusión iónica en el
polímero, D,
6. Separación de la capa doble, ,
7. Frecuencia.
Otras variables y
constantes incluyen:
1. Corriente de carga de la doble capa, Ic,
2. Corriente de difusión, ID,
3. Concentración iónica dentro del
polímero como una función de
la posición y el tiempo, c(x,t),
4.Constante de Faraday, F = 9.64846·10
Coulumbios por
mol.
La corriente de celda total, I(t), es la suma de la corriente
de difusión y de la corriente de carga de la doble
capa:
Ecuación 14.
y la caida total del potencial a través del CPC es:
Ecuación 15.
La corriente de difusión, ID, en la interfase
polímero/electrolito esta dada por la primera ley de Fick:
Ecuación 16.
Donde x es la
posición entre los platos del polímero, con
x=0 en la interfase polímero/electrolito y el
vector apuntando hacia fuera del electrolito. La corriente de
carga de la doble capa es:
Ecuación 17.
En esta ultima ecuación la capa doble se describe con
un grosor, d, y un área, A, en la cual la
concentración iónica esta variando con el
tiempo.
Se requiere una ecuación mas, la cual debe relacionar
el gradiante de concentración en la interfase, con el
índice temporal del cambio en la
concentración. La relación entre los dos, es
obtenida mediante la convolución de la respuesta, a un
cambio en la concentración en el frontera. La
concentración como una función del tiempo, en
respuesta al cambio en la concentración en la frontera, en
una película de grosor finito, a, y en la cual no ocurre
transporte de
masa en la otra frontera (x=a/2), es:
Ecuación 18.
Para obtener este resultado aplicamos series de fourier y
separación de variables para resolver la ecuación
de difusión unidimensional, teniendo una condición
de frontera de Neuman y una de Dirichlet. Luego el principio de
superposición es aplicado en la forma de un integral de
convolución, tal que el comportamiento de la
concentración puede ser obtenido para una escogencia casi
arbitraria del límite de concentración con el
tiempo:
Ecuación 19.
Tomando la derivada con respecto a la posición x, en
x=0, se obtiene la relación requerida entre el gradiente,
y la concentración en la interfase, derivada parcialmente
con respecto al tiempo:
Ecuación 20.
Este sistema de
ecuaciones es entonces transformado al dominio de
Laplace y
solucionado, produciendo la admitancia Y, como una función
de la variable de laplace, s, el grosor del material, a, el
coeficiente de difusión, D, la resistencia del
electrolito, R, la capacitancia de doble capa, C y el grosor de
la doble capa, d:
Ecuación 21.
En esta forma, hay cuatro parámetros para ser
determinados, la capacitancia, C, el coeficiente de
difusión, D, el grosor de la doble capa, d, y la
resistencia, R. La capacitancia de doble capa puede ser
aproximadamente relacionada a d,
asumiendo un capacitor de placas paralelas, cuya
área, A, es del tamaño de la región
interfacial, donde la constante dieléctrica es aquella del
solvente y el espaciamiento entre platos es d:
Ecuación 22.
Los parámetros desconocidos son ahora reducidos a tres.
La resistencia es rapidamente determinada del espectro de
impedancia, aproximadamente a 40KHz, a cuya frecuencia la
impedancia capacitiva es despreciable, y la resistencia del
electrolito domina. La capacitancia de la doble capa esta en el
rango de 0.1 to 0.4 F·m
(Bard and Faulkner 1980). Esto deja a el coeficiente de
difusión, como el unico parámetro desconocido. El
limite superior en el coeficiente de difusión es
10
m·s
, un valor
típico para iones en líquidos. El coeficiente de
difusión del polímero es un orden de magnitud
menor. Los datos fueron
obtenidos de películas de polypirrole de un grosor, a=
5.3×10
m, área A=
3.3·10 m, en una celda de 175
ohm. La película fue sintetizada, usando hexafluorofosfato
como dopante, y electrodeposición de carbono
cristalino a -30ºC a 0.126 A·m. La película
fue sujeta a un paso de potencial y a la respuesta se le aplico
la transformada de Fourier y fue escalada para obtener la
admitancia. El modelo fue
entonces ajustado a los datos mediante el ajuste del coeficiente
de difusión, para minimizar la suma de los errores
cuadrados. El valor de la capacitancia del modelo, C fue ajustada
para mejorar la introducción del modelo, pero
permaneció dentro de los limites esperados.
Los valores de las
variables del modelo fueron los siguientes:
Comenzando con bajas frecuencias, la admitancia modelada
creció con una pendiente de +1, sugiriendo un
comportamiento capacitivo. Para pequeños valores de s, la
admitancia se torno:
Ecuación 23.
De esta forma, para señales
con periodos que son largos comparados con los tiempos de
difusión y de carga de la doble capa, el comportamiento es
capacitivo. De los resultados experimentales, el tiempo de carga
es cinco órdenes de magnitud mayor al tiempo de
difusión y ademas queda claro que cuando se reduce el
grosor del electrodo de polypirrol, se produce un incremento en
un factor de 100 en el ancho de banda por cada
década de decrecimiento. Experimentalmete, reduciendo las
dimensiones a 5 micrómetros, se incremento el ancho de
banda a 0.3 Hz y si se reduce a 0.5 micrómetros, el ancho
de banda puede alcanzar 3KHz o mas. Todo esto asumiendo por
supuesto que la frecuencia de carga RC es reducida. R puede
ser reducido minimizando el grosor, t, de la capa de electrolito,
e incrementando el área de superficie A, de la interface
polímero/electrolito. Incrementando el área, sin
embargo, se incrementa la capacitancia. La mejor manera de
reducir el tiempo de carga de RC es entonces incrementar la
conductividad del electrolito o reducir t. Con grosores del
polímero del orden de nanometros , los cuales son
factibles, se obtienen constantes de tiempo de difusión
aproximadamente de 10 MHz. Expresando R y C en términos de
la separación entre electrodos, t, la conductividad del
electrolito iónico, ,
la constante dieléctrica, k, la permitividad del espacio
libre, o, y el grosor de la
doble capa, d, la constante de tiempo de carga RC
(RC), es:
Ecuación 24.
Asumiendo una conductividad de la solución
típica de 100 Sm, una
constante dieléctrica de 70, y usando el grosor de doble
capa, =
2.37·10
m, y teniendo en cuenta
el parrafo anterior, se obtiene que la constante de tiempo es
puramente una función de la separación entre
electrodos, t, la cual tiene un valor de:
Ecuación 25.
Así, aun un electrolito de un grosor de 100
micrómetros, permitirá un ancho de banda de MHz. A
tiempos mayores que el tiempo de carga RC y que la constante de
tiempo de difusión, la capacitancia efectiva esta dada
por:
Ecuación 26. Capacitancia
efectiva.
Esta es más grande que la capacitancia de la doble
capa. Modelando la capacitancia de la doble capa, C, como un
capacitor de placas paralelas con espaciamiento, d y área
A, y asumiendo que el grosor, a, del electrodo del
polímero, es mucho mayor que el grosor de la doble capa,
, la capacitancia se torna
una función del volumen del electrodo, V:
Ecuación 27. Capacitancia
efectiva en función del volumen.
Una vez mas usando =
2.37·10m, y k=70, la
capacitancia por unidad de volumen es de 510
Fm
. La
capacitancia por unidad de volumen de los capacitores de tantalio
es de 4·10
Fm, cinco ordenes de
magnitud menores.
A grandes potenciales, reacciones faradicas son inducidas,
cuando el electrolito o el solvente son oxidados o reducidos. De
esta forma, no obstante que la capacitancia volumétrica
sea extremadamente grande, la densidad de
energía del capacitor de polypirrole es casi igual a
aquella de los capacitores de tantalio 0.2 MJkg, o
alrededor del doble de la densidad de energía de las
batería de acido-plomo. Usando el electrolito y el
solvente apropiado, es posible de cargar a 3.5V, con una densidad
de energía de cerca de 2 MJkg, o
logrando aquella de las baterías de alta densidad de
energía[86].
5.3.2 Conclusiones: "Los capacitores de
polipirrol tienen una capacitancia por unidad de volumen
extremadamente alta, cinco ordenes de magnitud por encima de los
dispositivos convencionales. Esto los hace muy adecuados para
circuitos de bajo voltaje, donde ellos consumen un 1/100.000 del
volumen. Su ancho de banda depende altamente de sus dimensiones,
con anchos de banda que son inversamente proporcionales al grosor
del electrodo, y potencialmente alcanzan los MHz. La principal
desventaja de los capacitores de polipirrol es su bajo voltaje de
operación, el cual no puede exceder los 4V. Sin embargo,
aun a esos bajos potenciales, la densidad de energía
alcanza aquellas de las baterías de alta densidad de
energía. Adicionalmente el rango de voltaje es apropiado
para usarse en todos los circuitos poliméricos, en
unión con transistores, diodos, resistencias e
inductores. Finalmente, estos capacitores pueden ser
co-fabricados con sensores,
actuadores y otros dispositivos electrónicos a bajo precio
y con propiedades de flexibilidad propias de los
polímeros"[87].
5.4 Celdas fotovoltaicas orgánicas
Las celdas fotovoltaicas orgánicas, son dispositivos
que convierten la luz en electricidad, de
manera contraria a los OLED, y en los cuales el semiconductor, al
igual que en todos los dispositivos electrónicos
orgánicos, es un material orgánico conjugado. El
mecanismo mediante el cual estos dispositivos convierten la luz
en corriente
eléctrica, se denomina efecto fotovoltaico.
"Kallman reporto la primera celda fotovoltaica orgánica
basada en un cristal individual de antraceno en 1959. Sin embargo
estas celdas basadas en materiales orgánicos fueron
consideradas inadecuadas como fuentes de
energía, esto en parte, debido a que las excitaciones
ópticas producían pares electrón/hueco
fuertemente acoplados. Por lo tanto, los portadores de carga
fotogenerados de esta manera, no eran directamente asequibles a
circuitos externos, lo cual resultaba en una eficiencia
cuántica externa insuficiente. Esta pobre respuesta
fotovoltaica fue atribuida a la naturaleza
cuasi-aislante de los semiconductores orgánicos
intrínsecos"[88].
La eficiencia de las celdas fotovoltaicas esta dada por la
siguiente ecuación:
Ecuación 28. Eficiencia de una
celda solar.
Donde Voc es el voltaje de circuito abierto, Isc, es la
corriente de corto circuito, dada en A/m, FF, es el factor de
llenado, y la IIight es la radicación del sol en
W/m. El factor de llenado
FF, esta dado por:
Ecuación 29. Factor de
llenado.
Donde Impp y Vmpp, son la corriente y el voltaje en el punto
de maxima potencia.
"En estos primeros dispositivos, las capas constituyentes eran
de cientos de micrones de grosor, lo cual conllevaba a la
creación de grandes resistencias en serie y
consecuentemente a un factor de llenado limitado. Esto fue
así hasta 1986, cuando fueron reportados factores de
llenado del 65%, usando celdas fotovoltaicas de doble capa, de
película delgada, de cobre
phtalocyanine y un derivado de perileno
tetracarboxilico"[89].
Figura 56 . Esquema de una celda
fotovoltaica orgánica bicapa de unión plana.
Figura 57. Diagrama de energías
de una celda fotovoltaica bicapa orgánica.
Hoy en día celdas solares de derivados de PPV como
donantes y derivados de fullerenos como aceptores alcanzan
eficiencias del 3%. Sin embargo las eficiencias de las celdas de
silicio alcanzan el 15%, lo que significa que se necesitan
mayores desarrollos en las celdas orgánicas para mejorar
su eficiencia.
En una celda fotovoltaica orgánica bicapa,
donante/aceptor, como la de la figura 55, según
Jaglarz[90], la absorción de la luz conduce
a la creación de excitones singletes en la fase del
donante. Con el fin de lograr una gran taza de producción de excitones, el espectro de
absorción del donante debe ser similar al espectro solar.
Esto requiere una banda de gap del donante entre 1.1 y 1.7 eV.
Además, el coeficiente de extinción debe ser
grande. Sin embargo como los electrones excitados están
fuertemente acoplados a sus correspondientes huecos, las cargas
fotogeneradas no pueden contribuir directamente a las
fotocorrientes, ademas los excitones se mueven algunos
nanómetros y decaen radiativa como no radiativamente, con
lo cual las cargas no consiguen alcanzar el circuito externo.
Esta es la razón por la cual en las celdas fotovoltaicas
de semiconductores orgánicos intrínsecos, la
fotorespuesta es muy pobre. Sin embargo cuando los excitones
alcanzan una interfase donante/aceptor, ocurre una transferencia
metaestable ultra rápida de electrones, desde el donante
al aceptor (en el rango de los picosegundos), localizando los
huecos en la fase donante y los electrones en la fase aceptora.
Aun asi, la mayoría de los excitones fotogenerados en la
estructura de bicapa plana donante/aceptor, no producen cargas
que contribuyan a la corriente externa, debido a que la distancia
tipica de difusión de los excitones, es mucho menor que la
profundida que puede alcanzar la luz solar al penetrar el
semiconductor, por lo tanto la mayoria de los excitones se
recombinan nuevamente. Para salvar ese obstáculo,
actualmente se utilizan bicapas con heterouniones, como la de la
figura 57, en las cuales el aceptor y el donante estan
distribuidos por todo el volumen de la bicapa. De este modo, se
incrementa la eficiencia de la conversión fotón a
electrón y por lo tanto también la sensibilidad
fotovoltaica en forma dramática.
Figura 58. Bicapa fotovoltaica con
heterounión.
Como la transferencia de electrones en la interfase de
la unión ocurre muy rápido, ningún otro
mecanismo de decaimiento le puede competir, con lo cual se
alcanzan teóricamente eficiencias cercanas a la unidad.
Sin embargo, las cargas separadas aun permanecen enlazadas debido
a la fuerza de Coulumb. Esto produce que en condiciones normales
de operación, la eficiencia de conversión
excitón-electrón libre no sea máxima.
Una vez las cargas fotogeneradas son puestas en libertad
(mediante un campo eléctrico), estas son transportadas con
la ayuda de un campo eléctrico interno, hacia el
ánodo y el cátodo, según sea el caso,
resultando finalmente en una fotocorriente externa. El campo
eléctrico interno, según
Jaglarz[91], determina el voltaje de circuito
abierto de la celda fotovoltaica y es causado por el uso de
electrodos metálicos, con diferentes funciones de
trabajo. Aun
en el proceso de transporte, la recombinación de cargas
fotogeneradas, podría adicionalmente limitar la
fotocorriente externa. Por lo tanto, la recombinación toma
importancia, siempre y cuando, el tiempo de transito de los
portadores de carga libre sea mayor a su tiempo de vida (tiempo
de recombinación), ya que la recombinación no
ocurre para portadores de carga libre que tengan tiempos de vida
mayores que los correspondientes tiempos de transito. En este
ultimo caso, los electrodos extraen todas las cargas libres
fotogeneradas.
En el caso, de que las propiedades de transporte de electrones
y huecos, estén fuertemente desvalanceadas, las cargas de
los portadores de carga mas lentos se acumulan en el dispositivo,
modificando de esta manera el campo eléctrico, a tal
grado, que las corrientes se igualan. Adicionalmente, la
acumulación de carga podría originar un aumento de
la carga espacial, con un subsiguiente apantallamiento del campo
eléctrico, lo cual ocasionaría que la fotorespuesta
de la celda fotovoltaica disminuyera. Por lo tanto la presencia
de este fenómeno se nota en un factor de llenado muy pobre
(
0.4).
"Los requerimientos esenciales para una celda fotovoltaica
eficiente son: el espectro de absorción del donante debe
ser semejante al espectro solar, como también se debe
tener un alto coeficiente de extinción, con el fin de
obtener una alta tasa de generación de excitones. La
longitud de difusión de los excitones debe ser grande, con
el fin de incrementar el volumen activo para la
disociación eficiente de excitones. El tiempo de
vida de los portadores de carga debe ser mas grande que el tiempo
de transito, y las características de transporte de
los portadores de carga deben estar balanceadas, en pro de
prevenir el efecto de la carga espacial"[92].
"Para terminar, las ventajas potenciales de las celdas
fotovoltaicas orgánicas son: bajo costo (producción a gran escala usando la
tecnología
existente de procesamiento de polímeros), gran área
(las películas delgadas de plástico pueden ser
producidas en grandes formatos), flexibilidad (permite que los
dispositivos se adapten a cualquier superficie), además
los materiales usados son moléculas de hidrocarburos
no toxicas y la producción de este tipo de celdas se hace
a temperatura
ambiente y sin
producir gases
peligrosos. Adicionalmente, como la banda de gap, puede ser
manipulada, es posible obtener celdas fotovoltaicas de una gran
variedad de colores, lo cual
es importante desde el punto de vista
arquitectónico"[93].
5.5 LÁSER ORGÁNICO
Muchos polímeros conjugados son capaces de emitir luz.
Esto puede ser generado por fotoluminiscencia o
electroluminiscencia, mediante la aplicación de un
voltaje. La vigorosa actividad relacionada con el desarrollo de
polímeros emisores de luz en todo el mundo a conllevado a
avances extraordinarios en los materiales en la década
pasada, facilitando el desarrollo de otras aplicaciones como
transistores, celdas solares y láseres.
"Hay muchas razones por las cuales los materiales
orgánicos semiconductores son atractivos como materiales
para láseres. Entre ellas estan que: existe una gran
variedad de polímeros que pueden emitir luz en el espectro
visible, los polímeros tienen amplios espectros
(posibilitando la fabricación de láseres
sintonisables), los polímeros tienen fuertes coeficientes
de absorción, lo cual implica que tienen el potencial para
grandes amplificaciones de la luz, el espectro de
absorción y de fluorescencia están bien separados,
por lo tanto la absorción de la luz emitida es
débil y además los polímeros semiconductores
combinan las ventajas especificas para láseres, con las
ventajas generales de los polímeros, como son la
variación de las características de emisión
de luz mediante cambios en la estructura del polímero,
fabricación simple y barata y la
flexibilidad"[94].
5.5.1 Estructura del láser:
Según Riechel Stefan[95], la
característica principal de un láser es que esta
constituido por un material que amplifica la luz (conocido como
el medio de ganancia) y un resonador que aplica la
realimentación. Cuando la luz pasa por el amplificador de
luz, este estimula la emisión de mas radiación,
de este modo ganando en intensidad. El resonador refleja la luz
adelante y atrás del medio de ganancia para aumentar la
intensidad del campo de luz. Un punto muy importante es que la
luz estimulada adicionalmente, tiene la misma longitud de onda,
dirección y fase como la luz que esta
pasando por el medio de ganancia, lo cual conduce a la coherencia
distintiva de la luz láser.
"Para que el láser funcione se le debe suministrar
energía, y hay dos formas de hacer esto. La primera
conocida como bombardeo óptico, que consiste en la
excitación del medio de ganancia con una fuente de luz muy
potente. Esto se logra mediante otro láser o una
lámpara de flash. La otra
posibilidad, es el bombardeo eléctrico, que involucra la
excitación del medio de ganancia
eléctricamente mediante el paso de corriente a
través de este. En todos los láseres hay un
mínimo de energía que se debe suministrar, conocido
como el umbral, el cual se debe suministrar si se quiere que el
láser funcione. El bombardeo eléctrico es muy
conveniente y es el usado en los láseres de semiconductor
inorgánicos, como los usados en reproductores de CD"[96]. Hasta ahora todos
los láseres de polímeros han sido opticamente
bombardeados por otros láseres. La configuración
más común de un láser, se caracteriza por
tener un medio de ganancia en medio de un resonador consistente
de dos (o más) espejos. La luz pasa repetidamente a
través del medio de ganancia rebotando en los espejos. Uno
de los espejos refleja la mayoría de la luz, pero deja
pasar una pequeña porción, que es el rayo
láser. "El primer láser de semiconductor
polimérico fue reportado por Mosess en 1992. Este usaba un
medio de ganancia hecho de una solución diluida de
poly(2-methoxy-5-(2"-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinilene),
MEH-PPV. El uso del polímero en solución fue un
buen punto de partida, debido a que su eficiencia fluorescente es
mayor que en estado sólido, y la estructura de un
simple resonador puede ser usado"[97].
Un láser de polímero en estado sólido,
seria atractivo debido a que este puede ser mas compacto y
robusto, y seria mas adecuado para bombardeo eléctrico.
Sin embargo, este tipo de láser en estado sólido
presenta mas desafíos por resolver.
Según Graham[98], en el mismo año
en que Moses reporto un láser de solución,
también se estaba investigando un láser de estado
sólido de película delgada de material
polimérico. Este no presento ganancia, solo
absorción foto-inducida, lo cual mostró que un
láser orgánico de estado sólido no se
podía fabricar con los materiales desarrollados en esos
años. Afortunadamente debido al desarrollo de materiales,
liderado por el desarrollo de los OLEDs, se han podido
desarrollar láseres orgánicos sólidos que
muestren ganancia y estimulación láser. Un ejemplo
de estos láseres es el trabajo de
Tessler, quien estudio películas delgadas de PPV en medio
de dos espejos. Cuando se estimulo con un láser muy
intenso, el fenómeno láser se observo y se produjo
una rayo de luz con longitud de onda de 545nm. Una
característica interesante de este resultado, fue que esto
se logro en un medio de ganancia de tan solo 100 nm de grosor. En
contraste, el medio de ganancia en la mayoría de los
láseres es de centímetros. El hecho de que puedan
ser utilizados, medios de
ganancia de muy bajo grosor, muestra que con
los semiconductores orgánicos se pueden lograr ganancias
extraordinariamente altas.
"Las características de flexibilidad de los
polímeros, permiten una gran variedad de formas simples en
la fabricación de los resonadores. Por ejemplo, mediante
la introducción de una fibra
óptica dentro de la solución de polímero
se pueden formar un anillo (ver figura 58), en el cual la luz
puede viajar alrededor y alrededor de esta estructura, siendo
amplificada y produciendo el fenómeno láser. Una
ventaja de esta estructura es que el medio de ganancia es largo y
las perdidas son muy bajas, haciendo fácil alcanzar el
umbral y lograr la luz láser. Sin embargo la luz emitida
en todas direcciones desde la estructura y la salida del rayo no
definida, es una desventaja"[99].
Figura 59. Resonador en forma de
anillo.
Fuente: GRAHAM, A, D.W, Samuel, Polymer Lasers:recent
advances [en línea]. s.l.: Universidad de
St. Andrews, 2004. <www.materialstoday.com/pdfs_7_9/
Samuel.pdf> [consulta: enero de 2005].
En vez de utilizar espejos, la realimentación puede
llevarse a cabo según Graham[100], haciendo
una estructura periódica adecuada en una película
de polímero. El ejemplo mas simple es una estructura en
forma de lamina corrugada (ver figura 59), pero en una escala mas
fina, con espaciamientos entre picos de 400 nm. Esta longitud es
similar a la longitud de onda de la luz, por lo tanto la
estructura actúa como una red de
difracción. La luz viajando en una dirección en la
película será difractada en una nueva
dirección. Si el periodo de la corrugación es
escogido cuidadosamente, entonces se puede arreglar este de tal
forma que la luz sea difractada 180º. El efecto es similar
al de ser reflejada por un espejo. Una película de
semiconductor polimérico corrugado, puede de esta forma
ser usada para fabricar un láser en donde el
polímero es el medio de ganancia y la corrugación
provee la realimentación. Láseres de este tipo son
conocidos como láseres de realimentación
distribuida (DFB). La geometría de los DFB, es muy atractiva para
láseres de semiconductor polimérico por muchas
razones. Las películas de polímero pueden ser
hechas mediante spin coating y la estructura del
láser permite que la luz se propague a distancias
significativas en el medio de ganancia. De este modo produciendo
umbrales de operación bajos. Como la realimentación
es proveída por la corrugación, en vez que por
espejos, no se requiere la alineación del láser, y
la corrugación puede ser usada además, para dar una
bien definida salida del rayo, mediante la difracción de
algún porcentaje de la luz fuera de la cara de la
película.
Figura 60. Estructura corrugada de un
DFB.
Fuente: GRAHAM, A, D.W, Samuel, Polymer Lasers:recent
advances [en línea]. s.l.: Universidad de St. Andrews,
2004. <www.materialstoday.com/pdfs_7_9/ Samuel.pdf>
[consulta: enero de 2005].
5.5.2 Conclusiones: El desarrollo de los laseres
poliméricos es mas reciente que la de los OLEDs, pero se
han logrado enormes progresos para entender y mejorar el diseño
óptico, reduciendo el umbral de funcionamiento, y
explotando las propiedades de los polimeros para
permitir una manufactura
mas sencilla. El mayor desafió en la actualidad, es que
todos los láseres poliméricos son de bombardeo
óptico. Sin embargo, los láseres
eléctricamente bombardeados son muy útiles y pueden
encontrar un sin numero de aplicaciones como fuente
variable de bajo costo en espectroscopia.
Los láseres poliméricos eléctricamente
bombardeados requerirán de considerables progresos
adicionales, pero en el mediano plazo, los láseres
eléctricamente bombardeados indirectamente son una
promisoria alternativa para láseres poliméricos de
bajo consumo,
alimentados con baterías.
Avances
recientes
1991. Primer display funcional de (3
x 5 pixeles) desarrollado por CDT.
1992. Alan J Heeger y sus
colaboradores hacen el primer display flexible.
1993. CDT, reemplazo los contactos de
Al por contactos de Ca, para solucionar el problemas de
la inyección de electrones en polímeros
conjugados.
1994. Investigadores de Covion
desarrollaron SMOLEDs estables a altas temperatras.
1995. Uso de polímeros para
dispositivos fotovoltaicos por parte del Laboratorio Cavencish de la
Universidad de Cambrige.
1997. Primer producto
electrónico orgánico comercial. Fue un display de
color verde
de un radio de carro, basado en monómeros y fabricado por
Pioneer y comercializado en Japón.
1999. Se reportan TFT
poliméricos de alto rendimiento.
2000. CDT y Seiko-Epson fabrican el
primer PLED display de matriz activa a todo color mediante la
técnica de inyección de tinta. Este mide 2.5
pulgadas y tiene 2mm de grosor.
2000. Físicos de Lucent Technologies
desarrollaron el primer LÁSER
de semiconductor orgánico
manejable. Construido con tetraceno cristalino,
una
molécula que está formada por cuatro moleculas de
benzeno. El dispositivo emite luz con una longitud de onda de
575.7 nm.
2001. CDT y Seiko-Epson fabrican el primer display de
2.8 pulgadas y 100 ppi de resolución.
2002. Primer PLED comercial,
producido por Philips con una resolución de 16 x 64. Fue
lanzado en una rasuradora y presentado por primera vez en la
película de James Bond "Die another day.
2003. CDT anuncia mejoras
significativas en el tiempo de vida de los PLED en más de
20,000 horas de operación para sus polímeros
azules, lo cual representa una mejora significativa pensando en
la explotación comercial de aplicaciones a todo color.
2003. Dupont y Evolution
Technologies lanzan al mercado un
reproductor de MP3 con un PLED
display de 2.1 pulgadas y 128 x 64 de resolución.
2003. CDT anuncia la primera
línea de manufactura para PLED displays, usando la
tecnología de la impresión de tinta de
presición. (ink jet)
2003. Sumitomo Chemical y CDT se unen
para crear materiales altamente eficientes, utilizando la
tecnología de los Dendrímeros, lo cual representa
especial importancia para el desarrollo de dispositivos que
requieran bajo consumo de potencia.
2004. Philips incorpora PLEDs en el
celular "Magic Mirror".
2004. Philips, en unión con E Ink
Corporation y Sony Electronics, anuncian la primera
aplicación comercial de un modulo de papel
electrónico: Sony e-Book reader LIBRIé, el cual
puede ser leído a la luz del sol, además en lugares
con poca luz. Adicionalmente permite la lectura de
más de 10000 páginas antes de ser necesario
reemplazar la pila.
2004. Philips demuestra el primer prototipo de
televisor basado en LED poliméricos, el cual muestra gran
calidad de
color, es ultra delgado y consume muy poca energía .
2004. Se logran materiales que pueden
doparse como tipo n o como tipo p.
2004. Sony Corporation, anuncia, la producción
masiva de pantallas OLED, para su producto CLIE PEG-VZ 90.
2005. Samsung electronics, anuncia el desarrollo del
primer televisor de 40 pulgadas, basado en OLED.
Conclusiones
· La
electrónica orgánica como se ha visto en esta
trabajo es una rama de la electrónica la cual basa su
funcionamiento y arquitectura en
los compuestos
orgánicos o basados en el átomo de
carbono. Esta por estar basada en el átomo de carbono
presenta un sin número de materias primas a diferencia de
la electrónica inorgánica, la cual solo tiene como
alternativa de materia prima
el silicio, el germanio, arseniuro de galio y unos pocos
elementos mas.
· Los
compuestos orgánicos semiconductores se presentan como
cristales ordenados y como polímeros (amorfos), en
ambos su principal característica es la de tener una
configuración de enlaces conjugada, la cual es la base
para el transporte electrónico.
· Los
cristales orgánicos al ser del tipo molecular,
intermolecularmente estan enlazados por fuerzas muy debiles como
las de Van der Waals y London, lo cual conduce a una ausencia de
bandas de conducción estables, por lo tanto, la
conducción en los cristales orgánicos
mayoritariamente es debida al transporte electrónico por
efecto tunel o Hopping (saltos cuanticos).
· En los polímeros orgánicos,
los monómeros estan enlazados mediante enlaces covalentes
conjugados, lo cual les permite la formación de bandas de
conducción semejantes a las de los semiconductores
inorgánicos, sin embargo, los polímeros
orgánicos presentan irregularidades, como torceduras de
las cadenas moleculares, etc, que interrumpen la
conducción por bandas de energía. Por lo tanto en
los polímeros orgánicos la conducción se da
por bandas de energía dentro de las cadenas individuales o
dentro de los segmentos de cadenas poliméricas que no
presentan irregularidades, pero entre las cadenas o entre las
interrupciones, la conducción, se da como en el caso de
los cristales orgánicos, es decir por saltos cuanticos o
hopping.
· De lo
anterior pordemos concluir que el proceso de transporte de
energía en los materiales orgánicos es en su
inmensa mayoria por efecto tunel o hopping.
· En
los semiconductores orgánicos la transferencia de
energía se da mediante especies electronicas como
polarones, solitones, bipolarones y excitones, los cuales se
denominan cuasi particulas, las cuales en el campo
inorgánico no tienen mucha trascendencia.
· Los
cristales semiconductores presentan movilidades mayores a los
polímeros, pero son poco solubles en solventes
orgánicos, lo cual imposibilita su utilización para
dispositivos de gran área que nesecitan que los
semiconductores sean depositados en películas delgadas
uniformes. Por lo tanto estos cristales son utilizados y
depositados mediante las mismas técnicas
utilizadas por la electrónica tradicional
(inorgánica).
· Los
polímeros semiconductores son mediante algunas
técnicas, solubles en solvente orgánicos y
conservan sus característica semiconductoras, lo cual
permite que estos materiales sean depositados mediante
técnicas de inyección de tinta en grandes
áreas, en la fabricación de dispositivos que
aprovechan las características mecánicas de
flexibilidad propias de los polímeros.
· Los
semiconductores orgánicos poliméricos por su
características de ser solubles en solventes
orgánicos y depositados en grandes áreas permite la
fabricación de dispositivos de gran área como
pantallas, papel electrónico, etc.
· Los
semiconductores orgánicos por necesitar de procesamientos
menos cuidadosos y caros que su contraparte
inorgánica y por poder ser
depositados por técnicas menos complejas permiten la
fabricación de dispositivos electrónicos a mas bajo
costo y plantas de
ensamblaje menos complejas y costosas.
· En la
actualidad los compuestos orgánicos alcanzan movilidades
electrónicas que están en todo el rango de
conducción desde los aisladores, pasando por los
semiconductores hasta aquella propia de los conductores como el
cobre.
· La
velocidad de suicheo de los dispositivos orgánicos
actuales esta muy por debajo de las de los dispositivos
inorgánicos, pero se espera que en pocos años estas
velocidades se puedan alcanzar.
· En la
actualidad y en el mediano plazo la electrónica
orgánica no reemplazará a la electrónica
tradicional, debido a menores velocidades de suicheo, tiempos de
vida de los materiales, etc, pero es utilizada en nuevas areas
tecnologicas, donde la electrónica tradicional no es
viable, como dispositivos de gran área, dispositivos
flexibles, dispositivos electroluminiscentes de bajo consumo de
energía, músculos artificiales, nervios
artificiales, entre otras, con lo cual se apodera de una franja
considerable del mercado electrónico. Aunque a largo plazo
no se espera que la electrónica orgánica reemplace
la inorgánica, se espera que con la mejora en la s
velocidades de suicheo, la mejora de los tiempos de vida de los
materiales orgánicos, entre otras, esta nueva rama de la
electrónica se apodere de gran parte del mercado
electrónico.
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A Dios por estar siempre conmigo y a mi
grupo
familiar, especialmente a mis padres Jorge Ricardo y María
del Socorro por la oportunidad, por su comprensión y sus
invaluables consejos.
LUIS GUILLERMO D.M
AGRADECIMIENTOS
El autor expresa sus agradecimientos
a:
A mi director de tesis Mauricio
Vanegas, Ingeniero Electrónico, por su tiempo,
colaboración y aportes.
A mi amigo Iván Ignacio Sierra,
Ingeniero Electrónico, por su tiempo y colaboración
técnica.
A la Universidad Pontificia Bolivariana y en
especial a la Facultad de Ingeniería Eléctrica y
Electrónica por la enseñanza a lo largo de mi
carrera.
Autor:
Luis Guillermo Durango Mercado
2005
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Ingeniero Electrónico
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[18] Ibid, p. 31
[19] Ibid, p. 35
[20] ULINSKI, Daniel James. Organic diode
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[22] Ibid, p.30
[23] VISSEMBERG, Michael Cornelis Josephus
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[26] TURTON, Richard. El Punto Cuantico, la
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[27] VISSENBERG, Op Cit, p.7
[28] Ibid, p.8
[29] Ibid, p.8
[30] WONG, Man Hoy. Charge transport and
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[31] Ibid, p.15
[32] Ibid, p.15
[33] Ibid, p.16
[34] LARSSON, Oscar. Empirical
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Octubre: 2004].
[35] Ibid, p.19
[36] Ibid, p.21
[37] Ibid, p. 17
[38] Ibid, p.17
[39] NILSSON, David. An Organic
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[40] Ibid, p.17
[41] Ibid, p. 18
[42] LARSSON, Op. Cit, p. 23
[43] ULINSKI, Daniel James. Organic diode
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[44] AGUILERA, Juan. Luminiscencia en
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[45] Contents, [en línea]
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[46] AGUILERA. Op. Cit, p.3
[47] Ibid, p.3
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