Μελέτη μοριακών οξειδίων και οξειδίων μετάλλων μετάβασης ως διεπιφανειακών υμενίων σε οργανικές ηλιακές κυψελίδες υψηλής απόδοσης
Authors: Πολυδώρου Ερμιόνη 
Published: September 2021

Τα τελευταία χρόνια έχει σημειωθεί μια έκρηξη ενδιαφέροντος για την ανάπτυξη οργανικών φωτοβολταϊκών διατάξεων (Organic Photovoltaics, OPVs), που βασίζονται σε οργανικούς ημιαγωγούς με εκτεταμένες συζυγίες απλών και διπλών δεσμών στο μόριό τους. Η δομή μίας τυπικής οργανικής ηλιακής κυψελίδας βασίζεται στη μεικτή ετεροεπαφή, όπου το φωτοενεργό στρώμα της διάταξης αποτελείται από ένα μείγμα ενός συζευγμένου πολυμερούς (δότης ηλεκτρονίων) και ένα παράγωγο φουλερενίου (αποδέκτης ηλεκτρονίων). Το φωτοενεργό υμένιο ενσωματώνεται μεταξύ δύο ηλεκτροδίων, τα οποία επικαλύπτονται με κατάλληλα διεπιφανειακά υμένια μεταφοράς φορέων αγωγιμότητας (υμένια εξαγωγής οπών και ηλεκτρονίων). Τα διεπιφανειακά υμένια (οργανικά ή ανόργανα) τροποποιούν την άνοδο και την κάθοδο των OPVs και συμβάλλουν στην ευθυγράμμιση του επιπέδου Fermi του υλικού του ηλεκτροδίου με το ακρότατο των ζωνών ΗΟΜΟ ή LUMO (EV και EC αντίστοιχα στην περίπτωση ανόργανων ημιαγωγών) του φωτοενεργού μείγματος. Μια μεγάλη κατηγορία ανόργανων υλικών που χρησιμοποιούνται ως διεπιφανειακά υμένια είναι τα οξείδια μετάλλων μετάβασης, όπως το οξείδιο του ψευδαργύρου (ZnO). Το ZnO χρησιμοποιείται ευρέως στην τροποποίηση της καθόδου οργανικών φωτοβολταϊκών διατάξεων ανεστραμμένης δομής λόγω του χαμηλού έργου εξόδου [WF,ZnO= (4.3–4.5) eV], της υψηλής οπτικής διαπερατότητας, της ενδογενούς n-τύπου αγωγιμότητας και της εύκολης και οικονομικής επεξεργασίας του μέσω διεργασιών διαλύματος. Πάρα ταύτα, το ZnO εμφανίζει πλήθος επιφανειακών παγίδων/ατελειών με ενεργειακές στάθμες βαθειά στο ενεργειακό χάσμα του, ειδικά στην περίπτωση παρασκευής του με την τεχνική sol-gel. Οι ατέλειες αυτές οδηγούν σε επανασύνδεση των φωτοεπαγόμενων φορέων και κατά συνέπεια σε μείωση της απόδοσης των φωτοβολταϊκών διατάξεων. Καίριες είναι οι ενδογενείς σημειακές ατέλειες του ZnO, όπως οι κενές πλεγματικές θέσεις ατόμων οξυγόνου (VO) ή ψευδαργύρου (VZn) καθώς και τα ενδοπλεγματικά άτομα ψευδαργύρου (Zni) ή οξυγόνου (Oi) μαζί με τα σύμπλοκά τους. Αντικείμενο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι η βελτιστοποίηση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών λειτουργίας των οργανικών φωτοβολταϊκών ανεστραμμένης δομής τροποποιώντας στην κάθοδο το διεπιφανειακό υμένιο εξαγωγής ηλεκτρονίων ZnO. Συγκεκριμένα, διερευνάται η απόδοση όσο και της σταθερότητάς τους στις περιβαλλοντικές συνθήκες (οξυγόνο, υγρασία) και στη συνεχή έκθεση στην ηλιακή ακτινοβολία (γήρανση φωτοενεργού υμενίου με έκθεση στην υπεριώδη ακτινοβολία). Προκειμένου να κατασταλούν οι προαναφερθείσες ατέλειες εφαρμόζονται πέντε διαφορετικές τεχνικές παθητικοποίησης της επιφάνειας του ZnO, οι οποίες είναι (1) Διεργασία πλάσματος υδρογόνου (Η), (2) Διεργασία πλάσματος εξαφθοριούχου θείου (SF6), (3) Ανόπτηση σε περιβάλλον υδρογόνου Η, (4) Εναπόθεση με τεχνική ALD υμενίου ZrO2 και Al2O3 και (5) Εναπόθεση με τεχνική ALD υμενίου HfO2. Με όλες τις τεχνικές, αυξήθηκε σημαντικά η τάση ανοιχτού κυκλώματος VOC, η πυκνότητα ρεύματος βραχυκύκλωσης JSC, ο συντελεστής πλήρωσης FF και συνεπώς η απόδοση μετατροπής φωτεινής ενέργειας σε ηλεκτρική PCE όλων των οργανικών φωτοβολταϊκών διατάξεων ανεξάρτητα από την επιλογή των φωτοενεργών υμενίων.