Development of graphene-based materials and their application in organic solar cells
Authors: Κωνιός Δημήτριος 
Published: September 2021

Μετά την απομόνωσή του το 2004, το γραφένιο έχει συγκεντρώσει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας. Οι εξαιρετικές ηλεκτρονικές, οπτικές και μηχανικές του ιδιότητες, το καθιστούν ως το πιο ελπιδοφόρο υλικό, ιδανικό για ηλεκτρονικές εφαρμογές και ιδιαίτερα για τον τομέα των Οργανικών Φωτοβολταϊκών (OPVs). Στην παρούσα διατριβή, αναπτύχθηκαν καινοτόμα υλικά με βάση το γραφένιο και διερευνήθηκε η εφαρμογή τους στα δομικά στοιχεία των OPVs.Αρχικά, διερευνήθηκε η διασπορά παραγώγων γραφενίου και συγκεκριμένα του οξειδίου του γραφενίου (GO) και του ανηγμένου οξειδίου του γραφενίου (rGO) σε διάφορους διαλύτες, με σκοπό την ανάπτυξη ενός πρωτοκόλλου για τη διευκόλυνση της επεξεργασίας τους. Συγκεκριμένα, τα εν λόγω διαλύματα συγκρίθηκαν όσον αφορά τη συγκέντρωση και τη σταθερότητα τους σε σχέση με το χρόνο, ενώ επιπλέον εξετάστηκε η επίδραση της αναγωγής στη διασποράτου GO σε σχέση με την πολικότητα και την επιφανειακή τάση των διαλυτών.Λαμβάνοντας υπόψη τους παράγοντες διαλυτότητας Hansen and Hildebrandτων διαλυτών που χρησιμοποιήθηκαν, καθώς και τις συγκεντρώσεις του GOκαι του rGO σε αυτούς, προσδιορίστηκαν οι αντίστοιχοι παράγοντες διαλυτότητας για τις εξεταζόμενες γραφενικές δομές.Εκμεταλλευόμενοι τη δυνατότητα επεξεργασίας υπό μορφή διαλύματος των παραγώγων του γραφενίου όπως του οξειδίου του γραφενίου, γραφενικές δομές ενσωματώθηκαν στα διάφορα δομικά στοιχεία ενός φωτοβολταϊκού κελιού, ενισχύοντας σημαντικά την απόδοσή και τις προοπτικές για την γρήγορη εμπορική αξιοποίηση τους. Αρχικά ακολουθώντας μια οπτική τεχνική που βασίζεται στη χρήση βραχέων παλμών λέιζερ, επετεύχθη η βελτίωση και ταυτόχρονα ο έλεγχος των οπτοηλεκτρονικών ιδιοτήτων λεπτών αγώγιμων ημενίων ανηγμένου οξειδίου του γραφενίου πάνω σε εύκαμπτα υποστρώματα.Η ελεγχόμενη ακτινοβόληση επέτρεψε την μερική, επιφανειακή αποδόμηση τουrGO και το σχηματισμό μικροσκοπικών πηγαδιών σε απόλυτα ελεγχόμενες και διατεταγμένες θέσεις πάνω στην επιφάνεια των γραφενικών ημενίων. Συγκεκριμένα, ακτινοβολήθηκαν ημένια rGO με αρχικές τιμές διαπερατότητας~20% οδηγώντας σε αύξηση σε τιμές ~59%, ενώ παράλληλα η επιφανειακή αντίσταση κυμάνθηκε σε χαμηλότερες τιμές (~565 Ωsq−1) σε σχέση με την αντίστοιχη (~780 Ωsq−1) των μη ακτινοβολημένων ημενίων, στο ίδιο επίπεδο διαπερατότητας. Τα παραγόμενα ημένια παρουσίασαν εξαιρετική μηχανική σταθερότητα, ηλεκτρική αγωγιμότητα και οπτική διαπερατότητα επιτρέποντας τη χρήση τους ως διαφανή αγώγιμα ηλεκτρόδια σε εύκαμπτα OPVs,επιτυγχάνοντας απόδοση της τάξης του 3%, η υψηλότερη που έχει αναφερθεί ποτέ για εύκαμπτες διατάξεις βασισμένες σε παραχθέντα από διάλυμα γραφενικά ηλεκτρόδια.Στη συνέχεια, γνωρίζοντας ότι οι διεπιφάνειες μεταξύ του φωτοενεργού στρώματος και των ηλεκτροδίων επηρεάζουν σημαντικά την απόδοση τωνOPVs, μελετήθηκε η χρήση παραγώγων γραφενίου ως ενδιάμεσα στρώματα.Αρχικά, πραγματοποιήθηκε φωτοχημικός εμπλουτισμός του GO με χλώριο και χρήση του ως στρώμα μεταφοράς οπών σε οργανικές φωτοβολταϊκές διατάξεις,Συγκεκριμένα, υποστρώματα GO ακτινοβολήθηκαν με laser, με αποτέλεσμα να πραγματοποιηθεί ταυτόχρονη αναγωγή και πρόσδεση χλωρίου στο γραφενιακό πλέγμα. Ο σχηματισμός δίπολων Cδ+-Clδ- είχε ως αποτέλεσμα τη μετακίνηση της ενέργειας Fermi προς τη ζώνη σθένους του GO και τροποποίηση του έργου εξόδου (WF) από 4.9 eV σε μέγιστη τιμή 5.23 eV. Παράλληλα,πραγματοποιήθηκε τροποποίηση του GO με λίθιο, και μεταβολή του WF από 5.0 eV στο GO σε 4.3 (±0.1) eV στο GO-Li, ώστε να χρησιμοποιηθεί ως ενδιάμεσο στρώμα μεταφοράς ηλεκτρονίων. Η ενσωμάτωση των παραγόμενων γραφενικών δομών ως ενδιάμεσα στρώματα σε OPVs βελτίωσε σημαντικά την απόδοσή τους (+19.5% σε σχέση με διατάξεις όπου χρησιμοποιήθηκε το PEDOT:PSS ως στρώμα μεταφοράς οπών, +14.2% σε σύγκριση με διατάξεις όπου δεν χρησιμοποιήθηκε το GO-Li, +19% όταν ενσωματώθηκαν ταυτόχρονα τα GO-Cl και GO-Li). Τέλος, μελετήθηκαν γραφενικές δομές εμπλουτισμένες με ανόργανους νανοκρύσταλλους ως υποσχόμενα υλικά για φωτοβολταϊκές εφαρμογές.Πραγματοποιήθηκε σύνθεση ανηγμένου οξειδίου του γραφενίου-θειούχου αντιμονίου (rGO-Sb2S3) και χρήση του ως πρόσθετο στο φωτοενεργό στρώμαPCDTBT:PC71BM οργανικών κυψελίδων, επιτυγχάνοντας απόδοση 6.81%.