Παρασκευή και μελέτη ιδιοτήτων, απόδοσης και σταθερότητας εκτυπωμένων εύκαμπτων φωτοβολταϊκών διατάξεων τριαδικού φωτοενεργού στρώματος
Creators: name: Ανδριώτη, Εμμανουέλα Νικολάου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2024
Subjects: Πλήρως εκτυπωμένα οργανικά φωτοβολταϊκά
Φουλερενικός αποδέκτης
Μη φουλερενικός αποδέκτης
Fully printed organic photovoltaics
Fullerene acceptor
Non fullerene acceptor

description: Τα σημαντικότερα σύγχρονα προβλήματα αποτελούν η ενεργειακή κρίση και η περιβαλλοντική μόλυνση που οφείλονται στην υπέρμετρη εκμετάλλευση και κατανάλωση ορυκτών πόρων. Η μεταστροφή προς εναλλακτικές μορφές ενέργειας, όπως τα φωτοβολταϊκά, αποτελεί μία φιλική προς το περιβάλλον λύση που μπορεί να συνεισφέρει στην επίλυση των προβλημάτων αυτών. Οι οργανικές φωτοβολταϊκές διατάξεις (OPV) συνιστούν μία από τις πιο πολλά υποσχόμενες τεχνολογίες και έχουν προσελκύσει έντονα το ενδιαφέρον χάρη στην εύκολη κατασκευή, μάλιστα σε μεγάλη κλίμακα, το χαμηλό βάρος και την ευκαμψία τους. Πλεονεκτούν έναντι των υπόλοιπων φωτοβολταϊκών τεχνολογιών στην υψηλή ταχύτητα κατασκευής τους και στις θερμοκρασίες που απαιτούνται για αυτή, που δεν είναι υψηλές, ελαττώνοντας σημαντικά το κόστος. Τα OPV διαθέτουν το χαμηλότερο αποτύπωμα άνθρακα και το χαμηλότερο δυνατό χρόνο αναπλήρωσης της ενέργειας, συγκριτικά με τα συμβατικά φωτοβολταϊκά (π.χ. πυριτίου). Μία κατηγορία που φαίνεται ικανή να βελτιώσει τις ιδιότητες των OPV, συνεισφέροντας στην αντιμετώπιση των παραπάνω προβλημάτων, είναι οι διατάξεις OPV τριαδικού φωτοενεργού στρώματος, οι οποίες περιέχουν επιπρόσθετα ένα τρίτο υλικό στο φωτοενεργό μίγμα. Στη συγκεκριμένη Διπλωματική Εργασία, αναπτύχθηκαν πλήρως εκτυπωμένες διατάξεις OPV, που είναι εύκαμπτες και ημιδιάφανες, με τριαδικά φωτοενεργά στρώματα, στα οποία το τρίτο υλικό είναι δέκτης, και βασίζονται στο καινοτόμο σύστημα PBDB-T:BTP-12:PC60BM. Πραγματοποιήθηκε μελέτη της επίδρασης της αναλογίας μεταξύ του νέου μη-φουλερενικού δέκτη BTP-12 και του φουλερενικού δέκτη PC60BM, και σύγκριση με τις αντίστοιχες διατάξεις OPV δυαδικού φωτοενεργού στρώματος, αλλά και της επίδρασης του πάχους του φωτοενεργού στρώματος. Συγκεκριμένα, έγινε μέτρηση του πάχους των φωτοενεργών στρωμάτων μέσω της Συνεστιακής Μικροσκοπίας (Confocal Microscopy), μελέτη της επιφανειακής νανοτοπογραφίας του φωτοενεργού στρώματος μέσω της τεχνικής της Μικροσκοπίας Ατομικών Δυνάμεων (AFM), της οπτικής απορρόφησης του ενεργού στρώματος μέσω της τεχνικής της Φασματοσκοπίας Υπέρυθρου-Ορατού (UV-Vis), αλλά και των φωτοβολταϊκών παραμέτρων των διατάξεων OPV μέσω ηλεκτρικών μετρήσεων, που οδήγησαν στον υπολογισμό των ευκινησιών των φορέων φορτίου μέσω της μεθόδου Space Charge Limited Current (SCLC), και στην εξαγωγή συμπερασμάτων για τις οπτοηλεκτρονικές τους ιδιότητες. Αφότου βρέθηκε η βέλτιστη τιμή πάχους για τις διατάξεις OPV, που ήταν ίδια για όλες τις αναλογίες, μελετήθηκε η φωτοσταθερότητά τους στο ίδιο βέλτιστο πάχος. Στο Κεφάλαιο 1 παρουσιάζεται το θεωρητικό υπόβαθρο για την κατανόηση της δομής, της λειτουργίας, της μορφολογίας και των μηχανισμών υποβάθμισης και απώλειας ενέργειας των διατάξεων OPV. Στο Κεφάλαιο 2 αναλύεται ο ρόλος των επιμέρους στρωμάτων των διατάξεων, καθώς και οι ιδιότητες των υλικών που χρησιμοποιούνται σε αυτά, οι οποίες είναι σχετικές με την εφαρμογή τους σε OPV. Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται οι τεχνικές ανάπτυξης και χαρακτηρισμού των διατάξεων OPV, ενώ στο Κεφάλαιο 4 περιγράφεται η πειραματική διαδικασία και οι συνθήκες υπό τις οποίες κατασκευάσθηκαν. Στο Κεφάλαιο 5 αναλύονται τα αποτελέσματα των τεχνικών χαρακτηρισμού αναφορικά με την επιφανειακή νανοτοπογραφία και την οπτική απορρόφηση, ενώ στο Κεφάλαιο 6 παρουσιάζονται οι ευκινησίες των φορέων φορτίου, οι φωτοβολταϊκές παράμετροι και τα οπτοηλεκτρονικά χαρακτηριστικά των μελετούμενων διατάξεων OPV. Τέλος, στο Κεφάλαιο 7 πραγματοποιείται μία σύνοψη των αποτελεσμάτων και των εξαγόμενων συμπερασμάτων της Διπλωματικής Εργασίας, και προτείνονται μελλοντικά βήματα για την περαιτέρω ανάπτυξη των μελετούμενων διατάξεων OPV όσον αφορά την απόδοση και τη φωτοσταθερότητα και τη μεταφορά τους σε παραγωγή ακόμα μεγαλύτερης κλίμακας.
description: The energy crisis and the environmental pollution consist major modern problems, and they are caused by the excessive exploitation and consumption of mineral materials. The turn towards alternative forms of energy, like photovoltaics, is an environmentally friendly solution that could contribute to the solution of these problems. Organic photovoltaic configurations (OPVs) consist one of the most promising technologies because of their easy fabrication, even at large area, light weight and flexibility. OPVs have the advantage over all photovoltaic technologies that the possible manufacturing speed is very high, and there is no need for high temperatures, significantly lowering the cost. OPVs have the smallest carbon footprint and the shortest energy payback time possible, comparing to conventional photovoltaics (e.g. silicon). A category that seems capable of improving OPVs properties, contributing to the confrontation of the abovementioned problems, are the OPV configurations of ternary photoactive layers, which contain an additional third material in the photoactive blend. In this particular Master’s Thesis, fully printed OPV configurations were fabricated, that are flexible and semitransparent, with ternary photoactive layers, in which the third material is an acceptor, and are based on the novel system PBDB-T:BTP-12:PC60BM. The parameters investigated were the effect of the ratio between the new non-fullerene acceptor BTP-12 and the fullerene acceptor PC60BM, including the respective OPV configurations of binary photoactive layers, as well as the effect of the thickness of the photoactive layer. Specifically, the study focused on the thickness of the photoactive layers using Confocal Microscopy, the surface nanotopography of the photoactive layer through the technique of Atomic Force Microscopy (AFM), on the optical absorbance of the photoactive layer using UV-Vis Spectroscopy, but also on the photovoltaic parameters of the OPV configurations via electrical measurements, that lead to the calculation of charge carriers’ mobilities and to conclusions for their optoelectronic properties. After the optimum thickness was found for the OPV configurations, which was the same for all the ratios, their photostability was studied for the same optimum thickness. In Chapter 1 the theoretical background is presented for the understanding of the structure, operation, morphology and mechanisms of degradation and energy loss of the OPV configurations. In Chapter 2 the role of the individual layers of the configurations, and the materials’ properties that are used in them are analyzed, which are relevant to their application in OPVs. In Chapter 3 the techniques used for the fabrication and characterization of the OPV configurations are introduced, while in Chapter 4 the experimental process and conditions, under which they were fabricated, are described. In Chapter 5 the results of the characterization techniques are analyzed, regarding the surface nanotopography and the optical absorbance, while in Chapter 6 the charge carrier mobilities, the photovoltaic parameters and the optoelectronic characteristics of the studied OPV configurations are presented. Finally, in Chapter 7 there is a summary of the results and the conclusions of the Master’s Thesis, and future steps are proposed for further improvement of the studied OPV configurations, regarding their efficiency, photostability and transfer to even larger scale production.