Ενίσχυση της απόδοσης και της UV-σταθερότητας πλήρως εκτυπωμένων οργανικών φωτοβολταϊκών διατάξεων μέσω τροποποίησης του στρώματος μεταφοράς ηλεκτρονίων και της εφαρμογής κβαντικών τελειών χρυσού(AuQDs)
Creators: name: Δούδης, Ευάγγελος Σταύρου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2021
Subjects: Οργανικά Φωτοβολταϊκά
Σταθερότητα
Κβαντικές Τελείες
Organic Photovoltaics
Stability
Quantum Dots

description: Η συνεχής αύξηση των ενεργειακών αναγκών παγκοσμίως έχει προσανατολίσει το ενδιαφέρον στις εναλλακτικές πηγές ενέργειας και ιδιαίτερα στην ηλιακή. Προς την κατεύθυνση αυτή τα οργανικά φωτοβολταϊκά (OPVs) έχουν αποτελέσει τα τελευταία χρόνια πεδίο εκτεταμένης έρευνας καθώς είναι μια από τις πολλά υποσχόμενες τεχνολογίες της εποχής μας. Η δυνατότητα των OPVs να κατασκευάζονται μαζικά με απλές και χαμηλού κόστους διαδικασίες roll-to-roll και να αναπτύσσονται σε εύκαμπτες, ελαφριές και ημιδιαφανείς διατάξεις τα καθιστά ιδιαίτερα ελκυστικά για ποικίλες εφαρμογές. Ένα σημαντικό ζήτημα στην τεχνολογία των OPVs αποτελεί η σταθερότητα τους στην υπεριώδη ακτινοβολία αλλά και η αύξηση της απόδοσης τους. Σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν η μελέτη και ενίσχυση της UV-σταθερότητας και της απόδοσης φωτοβολταϊκών διατάξεων που έχουν κατασκευαστεί με Roll-to-Roll συμβατές τεχνικές. Για την αύξηση της UV-σταθερότητας εφαρμόστηκαν διαφορετικά είδη στρώματος μεταφοράς ηλεκτρονίων - ETL ενώ για την ενίσχυση της απόδοσης των φωτοβολταϊκών, συντέθηκαν κβαντικές τελείες χρυσού (AuQDs) οι οποίες εφαρμόστηκαν στα φωτοβολταϊκά με ενσωμάτωση τους στη δομή των OPVs. Για την ανάπτυξη των υμενίων εφαρμόστηκαν κατά κύριο λόγο υγρές τεχνικές κατασκευής, όπως slot-die coating, ενώ για το μεταλλικό ηλεκτρόδιο χρησιμοποιήθηκε και η τεχνική screen printing. Η δομή των ολοκληρωμένων διατάξεων ήταν PET/ITO/ETL/ Φωτοενεργό Στρώμα / PEDOT:PSS/Ag, όπου ως στρώμα ETL χρησιμοποιήθηκαν τα υλικά ZnO, Al-ZnO, SnO2 ή και μίγματα αυτών. Συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκε βελτιστοποίηση του πάχους και του υλικού του στρώματος ETL. Επιπλέον, για την ενίσχυση της απόδοσης των φωτοβολταϊκών, χρησιμοποιήθηκαν κβαντικές τελείες χρυσού (AuQDs) με ενσωμάτωση τους στο στρώμα ETL SnO2. Η εργασία χωρίζεται στο θεωρητικό και το πειραματικό μέρος. Το πρώτο μέρος περιλαμβάνει το θεωρητικό υπόβαθρο των οργανικών φωτοβολταϊκών διατάξεων και αποτελείται από τρία κεφάλαια. Συγκεκριμένα, στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στα οργανικά φωτοβολταϊκά και αναπτύσσεται η έννοια των εξιτονίων, η αρχή λειτουργίας, η δομή και τα χαρακτηριστικά των OPVs διατάξεων καθώς και οι μηχανισμοί υποβάθμισης τους. Στο δεύτερο κεφάλαιο δίνεται έμφαση στους οργανικούς ημιαγωγούς και τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν στην ανάπτυξη των διατάξεων. Στο τρίτο γίνεται αναφορά στις τεχνικές εναπόθεσης και χαρακτηρισμού που χρησιμοποιήθηκαν. Το τέταρτο κεφάλαιο περιλαμβάνει την αναλυτική διαδικασία κατασκευής των επιμέρους στρωμάτων των φωτοβολταϊκών περιγράφοντας τη δομή τους. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα του ηλεκτρικού χαρακτηρισμού αλλά και η μελέτη των ιδιοτήτων της δομής των φωτοβολταϊκών διατάξεων. Συγκεκριμένα, παρουσιάζεται η βελτιστοποίηση του πάχους του ETL συγκρίνονται οι περιπτώσεις δύο τύπων μεταλλικού ηλεκτροδίου αλλά και των διαφορετικών στρωμάτων ETL. Στη συνέχεια, αναλύονται τα μορφολογικά χαρακτηριστικά των στρωμάτων του φωτοβολταϊκού καθώς και οι οπτικές ιδιότητες των υλικών ETL και του φωτοενεργού. Στο έκτο κεφάλαιο περιγράφεται η επίδραση της υπεριώδους ακτινοβολίας στη λειτουργία των OPVs για τις διάφορες περιπτώσεις των διατάξεων της εργασίας. Το έβδομο κεφάλαιο περιλαμβάνει την προοπτική της εφαρμογής AuQDs σε OPVs με σκοπό την ενίσχυση της απόδοσης και της σταθερότητας τους. Τέλος, γίνεται μια ανασκόπηση της μελέτης της εργασίας, παρουσιάζοντας εν συντομία τα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα που προέκυψαν. Ολοκληρώνοντας ακολουθούν κάποια προτεινόμενα βήματα για μελλοντική έρευνα.
description: The constantly increasing energy needs all over the world have focused the interest towards alternative energy sources and in particular solar energy. In this direction Organic Photovoltaics (OPVs) have been the subject of extensive research in recent years as it is one of the most promising technologies of our era. Τhe OPVs’ potential for mass production via simple and low cost roll-to-roll procedures, and also their ability to be developed onto large, flexible, light and semi-transparent devices, render them remarkably attractive for various applications. A significant issue in OPVs’ technology is the stability to ultraviolet radiation but also the increasing OPVs’ performance. In this way, goal of this thesis was the study and enhancement of UV-stability and efficiency of photovoltaics devices fabricated with Roll-to-Roll compatible techniques. In order to increase the UV-stability different types of electron transport layer-ETL were applied while to enhance the efficiency of photovoltaics, gold quantum dots (AuQDs) were synthesized and then were applied to photovoltaics devices by incorporation into OPVs’ structure. For the development of films mainly wet techniques were applied, such as slot-die coating, while for the metal electrode screen printing was used, as well. The structure of the completed devices was PET/ITO/ETL/ Photo-active Layer / PEDOT:PSS/Ag, where, as ETL ZnO, Al-ZnO, SnO2 or blends of those materials were used. In specific, optimization of ETL material and thickness was performed. In addition, to enhance the efficiency of photovoltaic devices, gold quantum dots (AuQDs) were used by incorporating them into the ETL SnO2 layer.