Ανάπτυξη και Χαρακτηρισμός Πολυμερικών Νανοστρωμάτων Μεταφοράς Οπών για Εφαρμογές σε Φωτοβολταϊκά με Δομή Περοβσκίτη
Creators: name: Κωστοπούλου, Αφροδίτη Θωμά
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2024
Subjects: PEDOT:PSS
Στρώματα Μεταφοράς Οπών
Φωτοβολταϊκά με δομή περοβσκίτη
Hole Transport Layers
Perovskite Photovoltaics

description: Τα τελευταία χρόνια, τα φωτοβολταϊκά με δομή περοβσκίτη (PPVs) έχουν αναδειχθεί ως μια πολλά υποσχόμενη φωτοβολταϊκή τεχνολογία λόγω της εξαιρετικής απόδοσης μετατροπής ισχύος (PCE) και του ευρέος φάσματος απορρόφησης. Τα PPVs μπορούν να κατασκευαστούν εύκολα και οικονομικά σε ελαφριά εύκαμπτα υποστρώματα χρησιμοποιώντας τεχνικές εκτύπωσης. Για να επιτευχθεί η μέγιστη απόδοση των PPVs, πρέπει όλα τα στρώματα να είναι βελτιστοποιημένα. Το PEDOT:PSS αποτελεί μια εξαιρετική επιλογή για υλικό του στρώματος μεταφοράς οπών (HTL) σε PPVs λόγω των μοναδικών ιδιοτήτων του, όμως ενεργειακά δεν ταιριάζει καλά με το στρώμα του περοβσκίτη, προκαλώντας απώλειες ενέργειας που οδηγούν σε χαμηλότερη απόδοση. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, αναπτύχθηκαν τροποποιημένα στρώματα μεταφοράς οπών (m-PEDOT:PSS) τα οποία χρησιμοποιήθηκαν σε PPVs για τη βελτίωση της συνολικής τους απόδοσης. Πιο συγκεκριμένα, διερευνήθηκε η προσθήκη του Sodium Polystyrene Sulfonate (NaPSS) σε ένα εμπορικά διαθέσιμο διάλυμα PEDOT:PSS σε διαφορετικές συγκεντρώσεις και αναλογίες. Τα διαλύματα m-PEDOT:PSS που προέκυψαν εκτυπώθηκαν με την τεχνική slot-die coating σε εύκαμπτο υπόστρωμα και καθορίστηκαν οι βέλτιστες παράμετροι εκτύπωσης. Η επιφανειακή μορφολογία και τραχύτητα των νανοστρωμάτων m-PEDOT:PSS εξετάστηκαν με τη χρήση της συνεστιακής μικροσκοπίας σάρωσης με laser (LSCM) και της μικροσκοπίας ατομικών δυνάμεων (AFM). Με την κυκλική βολταμμετρία (CV) υπολογίστηκε το ενεργειακό επίπεδο ΗΟΜΟ των υπό μελέτη HTL υλικών, ενώ μέσω της φασματοσκοπικής απορρόφησης στο υπεριώδες – ορατό (UV-Vis Absorption) και της φασματοσκοπικής ελλειψομετρίας (SE) προσδιορίστηκαν οι οπτικές ιδιότητες αυτών των υμενίων, όπως η διαπερατότητα και το ενεργειακό τους χάσμα (Eg), καθώς και το επίπεδο LUMO. Τα υλικά m-PEDOT:PSS εμφάνισαν καλύτερες οπτικές και ηλεκτροχημικές ιδιότητες σε σύγκριση με το PEDOT:PSS, οδηγώντας σε μείωση των απωλειών ενέργειας και αύξηση της απορρόφησης φωτός από τον περοβσκίτη. Τέλος, πλήρως εκτυπωμένες εύκαμπτες διατάξεις PPV με m-PEDOT:PSS ως HTL κατασκευάστηκαν επιτυχώς με την τεχνική slot-die coating, μια τεχνική συμβατή με R2R ανάπτυξη μεγάλης κλίμακας. Οι ηλεκτρικές ιδιότητες και τα φωτοβολταϊκά χαρακτηριστικά αυτών των διατάξεων μελετήθηκαν μέσω I-V χαρακτηρισμού υπό φωτισμό 1 Ήλιου. Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν ότι τα PPVs που χρησιμοποιούν m-PEDOT:PSS ως HTL παρουσιάζουν σημαντικά υψηλότερη απόδοση και καλύτερη συνολική λειτουργία σε σύγκριση με τις διατάξεις που χρησιμοποιούν PEDOT:PSS ως HTL, καθιστώντας τα υλικά m-PEDOT:PSS ιδανική επιλογή για μελλοντικές οπτοηλεκτρονικές εφαρμογές.
description: In recent years, perovskite photovoltaics (PPVs) have emerged as a promising photovoltaic technology due to their excellent power conversion efficiency (PCE) and wide absorption range. PPVs can be easily and economically fabricated on lightweight flexible substrates using printing techniques. To achieve the maximum performance of PPV devices, all layers must be optimized. PEDOT:PSS is an excellent choice for the hole transport layer (HTL) material in inverted perovskite photovoltaics (PPVs) due to its unique properties, but it does not match well with the energy level of the perovskite, causing energy losses and low device efficiency. In this thesis, modified PEDOT:PSS (m-PEDOT:PSS) were fabricated as hole transport layers for PPVs to improve their overall performance. In more detail, the addition of Sodium Polystyrene Sulfonate (NaPSS) to a commercially available PEDOT:PSS solution at different concentrations and ratios was investigated. The resulting m-PEDOT:PSS solutions were printed using the slot-die coating technique on flexible substrates and the optimum printing parameters were determined. The surface morphology and roughness of the m-PEDOT:PSS nanolayers were investigated using laser scanning confocal microscopy (LSCM) and atomic force microscopy (AFM). Cyclic voltammetry (CV) was used to calculate the HOMO energy level of the studied HTL materials, while UV-Vis absorption and spectroscopic ellipsometry (SE) were used to determine the optical properties of these films, such as their transmittance and energy gap (Eg), as well as their LUMO energy level. The m-PEDOT:PSS materials exhibited better optical and electrochemical properties compared to PEDOT:PSS, leading to reduced energy losses and increased light absorption from the perovskite. Finally, fully printed flexible PPV devices with m-PEDOT:PSS as HTL were successfully fabricated using slot-die coating, a printing technique compatible with R2R large scale fabrication. The electrical properties and photovoltaic characteristics of these devices were determined using I-V characterization under 1 Sun illumination. The results demonstrate that PPVs using m-PEDOT:PSS as HTL exhibit significantly higher efficiency and better overall performance compared to devices using PEDOT:PSS as HTL, making m-PEDOT:PSS materials an excellent option for future optoelectronic applications.