Ανάπτυξη με εκτύπωση και κατεργασία με λέιζερ οργανικών και ανόργανων νανοϋλικών για τη δημιουργία ηλεκτρονικών διατάξεων
Authors: Καπνόπουλος Χρήστος 
Published: November 2024

Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτελείται από τρεις βασικές θεματικές ενότητες. Η πρώτη ενότητα εστιάζεται στη μελέτη λεπτών υμενίων και βελτιστοποίηση εκτυπωμένων στρωμάτων για την κατασκευή οργανικών φωτοβολταïκών κελιών με σκοπό την βελτίωση των δομικών, οπτικών και ηλεκτρικών χαρακτηριστικών τους. Οι βασικές παράμετροι που μελετήθηκαν είναι το πάχος των εκτυπωμένων υμενίων, η θερμοκρασία εκτύπωσης και ξήρανσης, η συγκέντρωση και η αναλογία των διαλυμάτων καθώς και η επίδραση των διαλυτών. Αρχικά μελετήθηκαν τα εκτυπωμένα διαφανή ηλεκτρόδια (ΔΗ) ανόδου και προσδιορίστηκαν οι βέλτιστες συνθήκες εκτύπωσης για το ΔΗ ανόδου από Ag NWs βάση της αγωγιμότητας, εκτυπωσιμότητας, επιφανειακής τραχύτητας αλλά και οπτικών ιδιοτήτων σε σχέση με το πάχος εκτύπωσης, την ταχύτητα εκτύπωσης, τη θερμοκρασία εκτύπωσης και τις συνθήκες ξήρανσης. Στη συνέχεια μελετήθηκε το εκτυπωμένο στρώμα μεταφοράς ηλεκτρονίων (ETL) ως προς το βέλτιστο υλικό και το βέλτιστο πάχος για την κατασκευή εκτυπωμένων οργανικών φωτοβολταϊκών κελιών. Μελετήθηκαν οι βέλτιστες συνθήκες εκτύπωσης για το στρώμα μεταφοράς ηλεκτρονίων νανοσωματιδίων από οξείδιο του κασσιτέρου (SnO) βάση της εκτυπωσιμότητας, επιφανειακής τραχύτητας αλλά και οπτικών ιδιοτήτων σε σχέση με το πάχος εκτύπωσης, την ταχύτητα εκτύπωσης, τη θερμοκρασία εκτύπωσης και τις συνθήκες ξήρανσης. Το επόμενο βήμα ήταν η μελέτη του εκτυπωμένου φωτοενεργού στρώματος (PAL) στο οποίο μελετήθηκαν υλικά τα οποία χρησιμοποιούνται ως δότες και δέκτες ηλεκτρονίων. Δότες ηλεκτρονίων όπως το PC60BM απορροφά έντονα στην περιοχή 200 με 400nm που βρίσκεται στο υπεριώδες και δέκτες ηλεκτρονίων όπως το πολυμερές PPDT2FBT απορροφά κυρίως στα 500 με 700nm με μια μικρή συνεισφορά κοντά στα 300nm που υπερτίθεται με το PC60BM καθώς και το μικρό μόριο BTP-12 απορροφά περίπου στο διάστημα από 600 με 900nm. Ακόμη για πρώτη φορά κατασκευάστηκαν εκτυπωμένα single carrier devices (Electron Only Devices - EODs και Hole Only Devices - HODs) για τον υπολογισμό της ευκινησίας φορέων (ηλεκτρονίων και οπών) των υλικών του φωτοενεργού στρώματος. Τέλος βρέθηκαν οι βέλτιστες συνθήκες για τη θερμοκρασία εκτύπωσης, για τη συγκέντρωση του μείγματος και την προσθήκη προσθέτων με σκοπό την μεγιστοποίηση της απόδοσης των εκτυπωμένων ημιδιάφανων οργανικών φωτοβολταϊκών κελίων βασισμένα στο δυαδικό φωτοενεργό στρώμα PPDT2FBT:PC60BM, στο δυαδικό φωτοενεργό σύστημα PPDT2FBT:BTP-12 και στο τριαδικό φωτοενεργό σύστημα PPDT2FBT:PC60BM:BTP-12. Έπειτα μελετήθηκε το εκτυπωμένο στρώμα μεταφοράς οπών (HTL) ως προς το υλικό αλλά και τη βέλτιστη ροή εκτύπωσης και τέλος μελετήθηκαν τα εκτυπωμένα ΔΗ καθόδου όπου δοκιμάστηκαν διάφορα υλικά και βελτιστοποιήθηκαν οι παράμετροι εκτύπωσης. Στην δεύτερη ενότητα αναπτύχθηκε μια νέα καινοτόμα διαδικασία High Speed Single Pulse Laser Ablation Synthesis in Solution (HSSP-LASiS) για την κατασκευή νανοσωματιδίων χωρίς την χρήση επιφανειοδραστικού η οποία ελαχιστοποιεί την διασπορά στην κατανομή και το σχήμα τον παραγόμενων νανοσωματιδίων, αυξάνοντας ταυτόχρονα την ταχύτητα παραγωγής τους ώστε να μπορούν να παραχθούν σε μεγάλες ποσότητες κατάλληλες για εμπορική αξιοποίησή τους. Για την κατασκευή των νανοσωματιδίων σχεδιάστηκε ειδικό μοτίβο το οποίο μεγιστοποιεί την κάλυψη του στόχου με τη χρήση πολλών ομόκεντρων τετραγώνων σε απόσταση μεταξύ τους μεγαλύτερη από τη διάμετρο της δέσμης του Laser για να αποφευχθούν τα οποιοδήποτε είδους θερμικά φαινόμενα τα οποία θα μπορούσαν να αλλάξουν την θερμοκρασία του στόχου στο σημείο του ablation.H εφαρμογή της HSSP-LASiS επικεντρώθηκε στη σύνθεση κολλοειδών νανοσωματιδίων αργύρου μέσα με νερό. Η επιλογή αυτή έγινε γιατί τα κολλοειδή νανοσωματίδια αργύρου σε νερό έχουν πολλές εφαρμογές πέρα από τις ηλεκτρονικές διατάξεις. Οι αντιμικροβιακές, πλασμονικές και άλλες ιδιότητες που έχουν τα καθιστούν κατάλληλα για ένα μεγάλο πλήθος εφαρμογών από αντιμικροβιακές επικαλύψεις, αντιμουχλικά πρόσθετα σε χρώματα, έως ανίχνευση επιφανειακά ενισχυμένης σκέδασης Ραμάν (SERS), φωτονικές εφαρμογές, κατάλυση, βιολογική σήμανση και απεικόνιση. Στη συνέχεια τα κολλοειδή νανοσωματίδια αργύρου μέσα με νερό χρησιμοποιήθηκαν για την τροποποίηση εκτυπωμένων υμενίων PEDOT:PSS με σκοπό την βελτίωση των ηλεκτρικών του χαρακτηριστικών. Τέλος μελετήθηκε η επίδραση των τροποποιημένων υμενίων PEDOT:PSS με νανοσωματίδια αργύρου στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά εκτυπωμένων ημιδιάφανων οργανικών φωτοβολταϊκών κελιών. Στη τρίτη και τελευταία ενότητα μελετήθηκαν οι διαδικασίες εγχάραξης (P1, P2, P3 lasers scribing processes) για την εύρεση των βέλτιστων παραμέτρων με σκοπό τη αύξηση του γεωμετρικού παράγοντα απόδοσης (Geometric Fill Factor) και ελαχιστοποίηση των ρευμάτων διαρροής. Οι κύριες παράμετροι που μελετήθηκαν είναι η επίδραση του μήκους κύματος, της ενέργειας του παλμού και του ποσοστού αλληλοεπικάλυψης των παλμών στην ποιότητα εγχάραξης. Τα εγχαραγμένα δείγματα μελετήθηκαν με οπτική μικροσκοπία, μικροσκοπία σάρωσης ηλεκτρονίων (SEM) και Φασματοσκοπία ακτίνων-Χ διασποράς ενέργειας (EDX).Αρχικά έγινε ηλεκτρική μοντελοποίηση των εκτυπωμένων οργανικών φωτοβολτιϊκών διατάξεων. Η ειδική αντίσταση του transparent conductive oxide (TCO) αποτελεί βασικό χαρακτηριστικό για την απόδοση των οργανικών φωτοβολταϊκών κελίων και παίζει σημαντικό ρόλο στο σωστό σχεδιασμού των κελιών και των διατάξεων διότι καθώς αυξάνει το μέγεθος των οργανικών φωτοβολταϊκών διατάξεων τροποποιούνται οι τιμές των ηλεκτρικών παραμέτρων. Στη συνέχεια έγινε ανάπτυξη και βελτιστοποίηση ημιδάφανων εκτυπωμένων οργανικών φωτοβολταϊκών διατάξεων, σε πιλοτική γραμμή παραγωγής R2R, μεγάλης κλίμακας. Η εκτενής βελτιστοποίηση των διαδικασιών εγχάραξης Laser P1, P2 και P3, αποκάλυψε μια καινοτόμο διαδικασία εγχάραξης Laser που χρησιμοποιεί μια βιομηχανική πηγή Laser. Οι βέλτιστες παράμετροι εγχάραξης επιτεύχθηκαν με ένα μόνο μήκος κύματος (532nm) και όλα τα βήματα της διαδικασίας Laser εκτελούνται σε ένα μεμονωμένο πέρασμα. Το Laser μπορεί να εφαρμοστεί για εγχάραξη σε πραγματικό χρόνο κατά την R2R παραγωγή όλων των επικαλυμμένων με Slot-Die στρωμάτων. Τέλος οι βελτιστοποιημένες παράμετροι εγχάραξης οδήγησαν στην κατασκευή ημιδιάφανων εκτυπωμένων οργανικών φωτοβολταϊκών διατάξεων, που εμφανίζουν απόδοση με μικρές απώλειες ισχύος, σε σχέση με το μεμονωμένο ημιδιάφανο εκτυπωμένο οργανικό φωτοβολταϊκό κελί. Με τη χρήση αυτής της καινοτόμου διεργασίας εγχάραξης με Laser επιτεύχθηκε αύξηση του γεωμετρικού παράγοντα πλήρωσης (GFF) από 60% για εκτυπωμένες διατάξεις σε λωρίδες σε 91% για ημιδιάφανες εκτυπωμένες οργανικές φωτοβολταϊκές διατάξεις σχηματοποιημένες με τις διεργασίες εγχάραξης P1, P2 και P3 που αναπτύχθηκαν στα πλαίσια της Διδακτορικής Διατριβής.