Τεχνολογία Εναπόθεσης Οργανικών Υλικών Αέριας Φάσης - OVPD : Ανάπτυξη και Μελέτη Οργανικών και Ανόργανων Λεπτών Υμενίων για Οργανικές Φωτοβολταϊκές Διατάξεις
Creators: name: Παπαμιχαήλ, Αλέξης Δημητρίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2017
Subjects: Οργανικά Φωτοβολταϊκά
Τεχνολογία Εναπόθεσης Οργανικών Υλικών Αέριας Φάσης
Οργανικά Λεπτά Υμένια
Organic Photovoltaics
Organic Vapor Phase Deposition - OVPD
Organic Thin Films

description: Η τεχνολογία των οργανικών φωτοβολταϊκών έχει καθιερωθεί ως ένας ταχέως αναπτυσσόμενος και εξελισσόμενος τομέας της εφαρμοσμένης έρευνας. Οι οργανικές ηλεκτρονικές διατάξεις στοχεύουν να κερδίσουν μια αξιόλογη θέση στην αγορά αντικαθιστώντας σε μεγάλο βαθμό τις ηλεκτρονικές διατάξεις που βασίζονται σε ανόργανους ημιαγωγούς όπως το πυρίτιο. Το μεγάλο κόστος παραγωγής και επεξεργασίας του πυριτίου, καθιστά την ανεύρεση φθηνότερων υλικών και μεθόδων για μερική ή και ολική αντικατάσταση της τεχνολογίας πυριτίου, πολύ ελκυστική. Μεγάλος αριθμός τεχνολογιών και τεχνικών εναπόθεσης οργανικών λεπτών υμενίων έχουν εφευρεθεί και εξελιχθεί. Μία από τις ραγδαία αναπτυσσόμενες τεχνολογίες είναι η Organic Vapor Phase Deposition – OVPD που χρησιμοποιείται κυρίως στην κατασκευή OLEDs. Στην τεχνολογία αυτή χρησιμοποιείται αδρανές αέριο για τη μεταφορά των ατμών του οργανικού υλικού για την εναπόθεση λεπτών υμενίων μικρών μορίων. Η τεχνολογία αυτή εγγυάται την ομοιογενή και ομοιόμορφη εναπόθεση των οργανικών λεπτών υμενίων σε μεγάλες περιοχές χωρίς μεγάλη απώλεια υλικού, όπως συμβαίνει στην τεχνική VTE και είναι πλήρως κλιμακούμενη όπως έχει ήδη αποδειχθεί με την κατασκευή υψηλής ποιότητας OLEDs και OPVs εργαστηριακής κλίμακας. Η διαδικασία μετάβασης από μεγέθη διατάξεων εργαστηριακής κλίμακας σε μεγαλύτερο μέγεθος διατηρώντας τις ιδιότητες της διάταξης, είναι πολύ απαιτητική και δύσκολα επιτεύξιμη. Στην παρούσα εργασία, περιγράφεται διαδικασία εγκατάστασης ενός συστήματος OVPD στο ΑΠΘ και η ολοκλήρωση του σε μια μοναδική ανά την υδρόγειο πιλοτική γραμμή που διαθέτει in-situ φασματοσκοπική ελλειψομετρία και φασματοσκοπία Raman για τον έλεγχο των οπτικών και μορφολογικών ιδιοτήτων των λεπτών οργανικών και ανόργανων υμενίων που αναπτύσσονται στη γραμμή. Η πιλοτική αυτή γραμμή χρησιμοποιήθηκε στην κατασκευή OPVs μικρών μορίων σε μεγάλα υποστρώματα (200 x 200 mm). Στο OVPD έγιναν εναποθέσεις οργανικών μικρών μορίων. Τα υμένια που αναπτύχθηκαν είχαν σκοπό την διερεύνηση των μηχανισμών ανάπτυξης των υλικών αυτών καθώς και τις οπτικές και δομικές ιδιότητες των λεπτών υμενίων. Οι τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν για την ανάλυση τους είναι η Φασματοσκοπική ελλειψομετρία, η φασματοσκοπία Raman, η διαπερατότητα UV-Vis , η μικροσκοπία ατομικών δυνάμεων - AFM και η περίθλαση ακτίνων–x - XRD. Τα αποτελέσματα των από αυτές τις τεχνικές ανάλυσης συνδυάστηκαν για τη μελέτη των μηχανισμών ανάπτυξης και των παραμέτρων εναπόθεσης για κάθε υλικό. Υμένια φθαλοκυανίνης χαλκού – CuPc, αναπτύχθηκαν πάνω σε υποστρώματα με διαφορετική θερμοκρασία με σκοπό τη μελέτη των μηχανισμών ανάπτυξης της CuPc καθώς και του μεγέθους των κρυσταλλιτών στις διάφορες θερμοκρασίες. Τα υμένια που αναπτύχθηκαν χαρακτηρίστηκαν μέσω οπτικών και αναλυτικών τεχνικών. Λεπτά υμένια οργανικών μικρών μορίων ημιαγωγών, αναπτύχθηκαν με την τεχνική OVPD, για την κατασκευή οργανικών φωτοβολταϊκών διατάξεων με μεγάλη ενεργό περιοχή. Τα γνωστά και ευρέως χρησιμοποιούμενα μόρια CuPc και ZnPc χρησιμοποιήθηκαν σαν φωφτοενεργά υλικά (δότες ηλεκτρονίων), ενώ το φουλλερένιο C60 χρησιμοποιήθηκε σαν δέκτης ηλεκτρονίων. Κατασκευάστηκαν φωτοβολταϊκές διατάξεις με τρεις διαφορετικές αρχιτεκτονικές: Bilayer, Bulk HeteroJunction και Planar Mixed-Molecular HeteroJunction. Αρκετές παράμετροι ερευνήθηκαν ως προς την επίδρασή τους στην ηλεκτρικά χαρακτηριστικά και συνεπώς στην απόδοση των διατάξεων. Οι παράμετροι που μελετήθηκαν είναι η θερμοκρασία του showerhead, η θερμοκρασία υποστρώματος, η θερμική ανόπτηση των διατάξεων μετά την ολοκλήρωση τους, τα υλικά από διαφορετικούς κατασκευαστές και τέλος έγινε σύγκριση OPVs από OVPD με τα αντίστοιχα τους από VTE
description: Organic photovoltaics technology has been established as a main field of applied research that is rapidly growing and evolving. Organic electronic device fabrication is pointing to the low production cost devices with optimized properties ensuring efficiency and lifetime. For this reason, numerous technologies were invented for the deposition of organic thin films that are used in OPVs. One of the emerging technologies is the Organic Vapor Phase Deposition – OVPD. This technology utilizes inert gas transport of organic vapors for the deposition of small molecular organic thin films for organic electronics applications and devices. The OVPD technology guarantees the homogeneous and uniform deposition of organic small molecule thin films over large areas without much material loss, as it stands for VTE. This technology is 2-D scalable and it has been already proven for high quality OLEDs and lab – scale OPVs. The device size upscaling is a different story due to many limitations existing. OVPD technique has already been used for the fabrication of lab scale – small active area OPVs. In this work it is described how an OVPD system is installed at AUTh and integrated to be a unique OVPD Pilot Line featuring in-situ spectroscopic ellipsometer and Raman spectrometer optical tools. The pilot line is used for the fabrication of small molecule OPVs in large scale (200 x 200mm) as one of the scopes of this work is to prove the applicability of this technique in the area of OPVs fabrication. Since the OVPD technology is 2-D scalable, this achievement leads the way towards the improvement of the technology in order to be ready for larger commercial applications. Organic small molecular materials were deposited by OVPD. Investigation of the growth mechanisms, the optical and the structural properties was carried out. Spectroscopic ellipsometry, Raman spectroscopy, UV-Vis transmittance, AFM and XRD were combined for the investigation of the growth mechanisms and the deposition parameters. Copper phthalocyanine – CuPc thin films deposited at various substrate temperatures were characterized by optical and analytical techniques and revealed the growth mechanisms and the morphology – structure of the CuPc crystals. Small molecule organic semiconductors are deposited by OVPD towards the fabrication of large active area organic solar cells. The well-known and widely used CuPc and ZnPc molecules were are used as absorbers (electron donors) while the C60 fullerene is used as electron acceptor. Photovoltaic devices with three different structures are fabricated. Firstly, the bilayer or flat heterojunction that is the simplest structure, secondly the bulk heterojunction – BHJ devices and finally the Planar Mixed-Molecular HeteroJunction – PMM-HJ. Several parameters were investigated concerning their effect on the devices’ electrical characteristics and consequently on their efficiency. Showerhead temperature, substrate temperature, post-annealing, different material manufacturers and finally devices fabricated by OVPD compared to their VTE counterparts. More investigation is needed for the optimization of device efficiency and of the deposition process. Nevertheless, through this work it is proved that OVPD technology is applicable for the fabrication of large area organic solar cells