Ανάπτυξη και μελέτη λεπτών υμενίων και κατασκευή οργανικών φωτοβολταϊκών διατάξεων
Authors: Καραγιαννίδης Παναγιώτης 
Published: August 2021

Στην παρούσα διατριβή παρασκευάσθηκαν και μελετήθηκαν λεπτά υμένια από οργανικά υλικά με τα οποία στη συνέχεια κατασκευάσθηκαν και μελετήθηκαν οργανικά φωτοβολταϊκά (Organic Photovoltaics, OPVs). Η μελέτη επικεντρώθηκε στο φωτοενεργό στρώμα των OPVs, το οποίο είναι ένα μίγμα δύο οργανικών ημιαγωγών. Το σύστημα αυτό απορροφά την ηλιακή ακτινοβολία και τη μετατρέπει σε ηλεκτρική ενέργεια. Ιδιαίτερη βαρύτητα δόθηκε στη μελέτη της μορφολογίας του φωτοενεργού στρώματος, η οποία καθορίζει τη δημιουργία, μεταφορά και συλλογή των φορτίων από τα ηλεκτρόδια παράμετροι που καθορίζουν και την απόδοση των OPVs. Ως φωτοενεργό στρώμα χρησιμοποιήθηκε κυρίως το μίγμα πολυθειοφαινίου – φουλερενίων (P3HT:PCBM). Αρχικά μελετήθηκε ο ρόλος του διαλύτη, στη μορφολογία λεπτών υμενίων τους. Στην περίπτωση διαλυτών υψηλού σημείου ζέσεως, βρέθηκε ότι κατά την αργή απομάκρυνση του διαλύτη τα μόρια του μίγματος διατάσσονται σε μία πιο θερμοδυναμικά ευνοϊκή ημικρυσταλλική κατάσταση. Η διαδικασία αυτή ενισχύεται με επακόλουθη θερμική ανόπτηση κατά την οποία λαμβάνει χώρα κατακόρυφος διαχωρισμός φάσεων με το ποσοστό του συστατικού με τη μικρότερη ελεύθερη ενέργεια (P3HT) να αυξάνεται στην επιφάνεια του υμενίου. Ο διαχωρισμός αυτός έχει ως αποτέλεσμα μία ακατάλληλη μορφολογία για μεταφορά και συλλογή των παραγόμενων φορτίων από τα ηλεκτρόδια. Στη συνέχεια μελετήθηκε ο μικροφασικός διαχωρισμός που μπορεί να πραγματοποιηθεί στα υμένια P3HT:PCBM με κρυστάλλωση του PCBM, όταν δημιουργηθούν κέντρα πυρηνοποίησης. Εξετάσθηκε επίσης η ανάπτυξη υμενίων P3HT:PCBM από διαλύτη χαμηλού σημείου ζέσεως. Στην περίπτωση αυτή κατά τη διεργασία ανάπτυξης (spin coating) το πολυμερικό μίγμα "παγώνει" σε μία κατάσταση καλής ανάμειξης η οποία επιτρέπει τον καλύτερο έλεγχο της μορφολογίας κατά την επακόλουθη θερμική ανόπτηση. Μετά από βελτιστοποίηση των συνθηκών ανόπτησης (χρόνος και θερμοκρασία) οι διατάξεις παρουσίασαν άριστα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά με υψηλά ρεύματα βραχυκύκλωσης (10-11 mA/cm2), υψηλούς συντελεστές πλήρωσης (~58 %) και αποδόσεις μέχρι 3,75 %. Στη συνέχεια εξετάσθηκε η επίδραση των φυσικών ιδιοτήτων του ρυθμιστικού στρώματος μεταφοράς οπών PEDOT:PSS στη μορφολογία του ενεργού στρώματος και την απόκριση των διατάξεων. Διαπιστώθηκε ότι ο κατακόρυφος διαχωρισμός των φάσεων του ενεργού στρώματος είναι πιο έντονος όταν το ενεργό μίγμα αναπτύσσεται επάνω σε πιο υδρόφιλα υποστρώματα. Εξετάστηκαν επίσης συστήματα νέων δοτών και δεκτών ηλεκτρονίων. Το σύστημα P3HT:ICBA έδωσε υψηλότερες αποδόσεις (μέχρι ~4,3 %) εξαιτίας της υψηλότερης στάθμης των αδεσμικών τροχιακών LUMO του ICBA. Επίσης εξετάστηκαν οι δότες ηλεκτρονίων PCDTBT και Si-PCPDTBT οι οποίοι σε συνδυασμό με το δέκτη PC70BM παρουσίασαν αποδόσεις μέχρι ~3,1 %. Τέλος εξετάστηκε η πιθανότητα αντικατάστασης του ανόργανου ηλεκτροδίου της ανόδου ITO από το αγώγιμο πολυμερές PEDOT:PSS. Οι διατάξεις που κατασκευάσθηκαν με τα ηλεκτρόδια PEDOT:PSS παρουσίασαν πολύ καλά ηλεκτρικά χαρακτηριστικά με κύρια μειονεκτήματα την αυξημένη αντίσταση σειράς και το χαμηλότερο ρεύμα βραχυκύκλωσης. Συμπερασματικά στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε η επίδραση πειραματικών παραμέτρων, όπως ο διαλύτης και η θερμική ανόπτηση στη μορφολογία και δομή διαφόρων συστημάτων πολυμερών-φουλερενίων. Παράλληλα κατασκευάσθηκαν και μελετήθηκαν λειτουργικές διατάξεις OPVs. Η συσχέτιση της μορφολογίας των λεπτών υμενίων με την ηλεκτρική απόκριση των διατάξεων οδήγησε στην κατασκευή OPVs με υψηλή απόδοση.