Πλήρως εκτυπωμένες φωτοβολταϊκές διατάξεις τριαδικών πολυμερικών μιγμάτων με φουλερενικούς και μη-φουλερενικούς δέκτες ηλεκτρονίων
Creators: name: Ατσάς, Γεώργιος Αποστόλου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2023
Subjects: Πλήρως εκτυπωμένα οργανικά φωτοβολταϊκά
Φουλερενικός αποδέκτης
Μη φουλερενικός αποδέκτης
Fully printed organic photovoltaics
Fullerene acceptor
Non fullerene acceptor

description: Η διαρκής αύξηση των ενεργειακών απαιτήσεων σε συνδυασμό με την μεταστροφή από την εξάρτηση στα ορυκτά καύσιμα έχει προσανατολίσει το παγκόσμιο ενδιαφέρον στις εναλλακτικές πηγές ενέργειας με ιδιαίτερο βάρος στην ηλιακή. Στην κατεύθυνση αυτή, οι οργανικές φωτοβολταϊκές διατάξεις (OPVs) αποτελούν τα τελευταία χρόνια πεδίο εκτεταμένης έρευνας μιας και η δυνατότητα τους να κατασκευάζονται μαζικά με απλές και χαμηλού κόστους μεθόδους και να αναπτύσσονται σε εύκαμπτες, ελαφριές και ημιδιάφανες διατάξεις τα καθιστά ιδανικά για πολλές εφαρμογές. Ένα σύστημα που μπορεί να συμβάλει δραστικά στην αντιμετώπιση του ενεργειακού προβλήματος, είναι οι φωτοβολταϊκές διατάξεις στις οποίες το φωτοενεργό στρώμα αποτελείται από τρία υλικά. Στην εργασία αυτή αναπτύχθηκαν πλήρως εκτυπωμένες διατάξεις OPVs με τριαδικά φωτοενεργά στρώματα με βάση το σύστημα PPDT2FBT:PC70BM:ΒΤΡ-12. Συγκεκριμένα, έγινε μελέτη της επιφανειακής νανοτοπογραφίας του ενεργού στρώματος και των οπτοηλεκτρονικών χαρακτηριστικών των διατάξεων OPVs, ρυθμίζοντας την αναλογία μεταξύ των τριών υλικών του συστήματος, εστιάζοντας στους δυο αποδέκτες PC70BM και BTP-12, με στόχο την ταυτοποίηση της βέλτιστης αναλογίας μεταξύ τους. Αρχικά, έγινε μια πειραματική διάταξη με δυαδικό (binary) ενεργό στρώμα που λειτούργησε σαν διάταξη ελέγχου (control) αλλά και διατάξεις τριαδικού ενεργού στρώματος με διαφορετικές αναλογίες υλικών. Συγκεκριμένα, για τον εντοπισμό των αλλαγών στην επιφανειακή νανοτοπογραφία τους οι διατάξεις OPVs μελετήθηκαν με μικροσκοπία AFM, για την εύρεση του πάχους των εκτυπωμένων υμενίων με Φασματοσκοπική Ελλειψομετρία και συνεστιακή μικροσκοπία (confocal), για την εξέταση των κορυφών απορρόφησης με φασματομε-τρία UV-Vis και για τον καθορισμό των φωτοβολταϊκών τους παραμέτρων με μια σειρά ηλεκτρικών μετρήσεων. Τέλος, έγιναν μετρήσεις φωτοσταθερότητας όπου με-λετήθηκε η μεταβολή της παραγόμενης απόδοσης κάτω από συνεχή ακτινοβόληση. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μία εισαγωγή στα φωτοβολταϊκά και αναφέρονται τα κύρια χαρακτηριστικά τους. Συνεχίζοντας, στο δεύτερο κεφάλαιο, αναλύονται οι ορ-γανικοί ημιαγωγοί και τα πολυμερή, ενώ ταυτόχρονα παρουσιάζονται πληροφορίες για τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά και ανάλυση των αρχών λειτουργίας των τεχνικών ανάπτυξης και χαρακτηρισμού της εργασίας. Το τέταρτο κεφάλαιο σχετίζεται με την αρχιτεκτονική και τον τρόπο δημιουργίας των πειραματικών διατάξεων. Το πέμπτο κεφάλαιο αποτελεί την ανάλυση των πειραματι-κών αποτελεσμάτων. Τέλος, η εργασία κλείνει με μία σύντομη ανασκόπηση των πα-ραγόντων που εξετάστηκαν παρουσιάζοντας εν συντομία τα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα που προέκυψαν προτείνοντας παράλληλα μελλοντικά βήματα για την περαιτέρω βελτίωση του μελετώμενου συστήματος.
description: The continuous growth of the global energy demand, combined with the route of change towards greener energy supplies, and away from fossil fuels, has pivoted the global interest to green energy sources, focusing on solar energy. During the last years organic photovoltaics (OPVs) are subject to broad scientific interest due to their potential for cost effective mass production and because of their attractive properties such as low weight, semitransparency and flexibility. One of the configurations that could contribute to the solution of the energy crisis, is the use of photovoltaic devices in which the photoactive layer consists of three materials. This thesis focuses on the study of fully printed OPV devices with ternary photoactive layer based on the system of PPDT2FBT:PC70BM:BTP-12. Specifically, the study involves the systematic study of the surface nanotopography of the photoactive layer and the optoelectronic characteristics of the OPV devices, tuning the ratio among the three materials of the system with emphasis on the ratio between the two acceptors, namely PC70BM and BTP-12, in order to find the optimum ratio. Initially, a device with a binary photoactive layer was employed, functioning as a control device for the devices with a ternary photoactive layer that were made next. Specifically, every OPV device was characterized by Atomic Force Microscopy (AFM), in order to spot changes in the layer’s surface nanotopography, by Spectroscopic Ellipsometry and Confocal Microscopy in order to measure the layer’s thickness and calculate the dielectric functions, by UV-Vis spectroscopy in order to obtain information on absorbance peaks of the materials’ consisting the active layer and a series of electric measurements to determine all photovoltaic parameters. Finally, photostability measurements were carried to test the variation of the efficiency under continuous illumination. In the first chapter there’s an introduction on photovoltaics and their basic characteristics. In the second chapter, there’s an analysis on organic semiconductors and polymers while there is also some information on the materials used on this thesis. The third chapter, refers to the basic principles of the techniques and methods used for the fabrication and the characterization of the produced systems. The forth chapter focuses on the architecture and the route followed in order to fabricate the experimental configurations studied. The fifth chapter is the analysis of the experimental data and involves the basic remarks and conclusions of this thesis, closing with suggestions for future work.