Βελτίωση της απόδοσης οργανικών φωτοβολταϊκών διατάξεων ανεστραμμένης αρχιτεκτονικής αξιοποιώντας το ZnO ως στρώμα διέλευσης ηλεκτρονίων
Creators: name: Πολυζωΐδης, Χρήστος Απόστολου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2015
Subjects: Ανεστραμμένα φωτοβολταϊκά
Εκτύπωση βαθυτυπίας
Οξείδιο του Ψευδαργύρου
Inverted photovoltaics
Gravure printing
Zinc Oxide

description: Η εμπορική επιβίωση των οργανικών φωτοβολταϊκών διατάξεων (OPVs) στην αγορά απαιτεί, μεταξύ άλλων, την οικονομικά εφικτή μαζικοποίηση της παραγωγής τους, αλλά και τη βελτιστοποίηση των υλικών και των τεχνικών παρασκευής που επιστρατεύονται. Μια συμβατική αρχιτεκτονική οργανικών φωτοβολταϊκών αντενδείκνυται για μαζική παραγωγή διατάξεων λόγω των ενεργοβόρων τεχνικών κενού που απαιτούνται, ειδικά για μεταλλικό ηλεκτρόδιο. Επίσης, η χρήση υλικών με μεγάλο έργο εξόδου ως μεταλλικά ηλεκτρόδια (πχ. Αργύρου) στα οργανικά φωτοβολταϊκά ανεστραμμένης αρχιτεκτονικής αυξάνει τη σταθερότητα των διατάξεων. Η παραγωγή τέτοιων OPVs απαιτεί την πρότερη βελτιστοποίηση ορισμένων παραμέτρων των επιμέρους στρώσεων της διάταξης, όπως της επιφανειακής μορφολογίας, του πάχους, της τραχύτητας, της ελεύθερης επιφανειακής ενέργειας και της ηλεκτρικής αγωγιμότητας κάθε αναπτυσσόμενου υμενίου ενός υλικού. Η παρούσα εργασία μελετά τη βελτιστοποίηση των παραμέτρων παρασκευής πλήρως εκτυπωμένων ανεστραμμένων OPVs με την τεχνική της βαθυτυπίας (gravure) σε εργαστηριακή κλίμακα. Πιο συγκεκριμένα, η μεθοδολογία της εργαστηριακής διερεύνησης περιλαμβάνει αρχικά την εκτύπωση διαλυμάτων νανοσωματιδίων οξειδίου του ψευδαργύρου (ZnO) διαφορετικών συγκεντρώσεων χρησιμοποιώντας ως υπόστρωμα τη διστρωματική δομή Πολυεστέρα (ΡΕΤ) και οξειδίου Ινδίου-Κασσιτέρου (ΙΤΟ). Το αρχικό διάλυμα νανοσωματιδίων ZnO επιλέχθηκε για μελέτη λόγω της εμπορικής διαθεσιμότητας και του πολύ χαμηλού κόστους κατανάλωσής του. Διαπιστώνεται πως η χρήση αυξημένης συγκέντρωσης νανοσωματιδίων ZnO επιφέρει μεγαλύτερο πάχος των αντιστοίχων υμενίων, μικρότερη τραχύτητα των αντιστοίχων επιφανειών, μεγαλύτερη αντίσταση και καλύτερη υδροφιλικότητα της επιφάνειας. Στη συνέχεια διερευνάται πώς η διαφοροποίηση της συγκέντρωσης των νανοσωματιδίων ZnO επηρεάζει την τελική απόδοση των φωτοβολταϊκών διατάξεων. Η συγκέντρωση αυτή είναι και η μοναδική παράμετρος που αλλάζει κατά τα στάδια παρασκευής των διατάξεων, ώστε να απλουστευθεί η μελέτη της επίδρασής της. Με βάση τις χαρακτηριστικές καμπύλες έντασης – τάσης (J-V) εξάγονται τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά της εκάστοτε φωτοβολταϊκές διατάξεις. Με βάση την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων διαπιστώνεται πως τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά ακολουθώντας την συγκέντρωση νανοσωματιδίων, αρχικά βελτιώνονται μέχρι μια κρίσιμη τιμή συγκέντρωσης, πέραν της οποίας επιδεινώνονται πάλι. Γίνεται διερεύνηση του ρόλου του πάχους και της τραχύτητας στρώσεως ZnO στα τελικά χαρακτηριστικά της διάταξης, καθώς και σύγκριση του πάχους που αντιστοιχεί στη βέλτιστη απόδοση ως προς τη βιβλιογραφία. Ως συνέχεια, διερευνώνται τρόποι επίτευξης της βελτιστοποίησης των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών των διατάξεων με λεπτότερες στρώσεις ZnO. Δοκιμάζεται ως ιδέα η χρήση φίλτρου στο διάλυμα νανοσωματιδίων προτού αυτά εκτυπωθούν, με σκοπό την ελάττωση της τραχύτητας αλλά και του ίδιου του πάχους. Επαναλαμβάνονται αντίστοιχες εκτυπώσεις διατάξεων με φιλτραρισμένα διαλύματα ZnO μικρότερων συγκεντρώσεων με σκοπό την εύρεση της χαμηλότερης συγκέντρωσης διαλύματος που οδηγεί σε μια νέα βελτιστοποίηση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών των διατάξεων. Από τις αντίστοιχες χαρακτηριστικές ελέγχεται η νέα βελτιστοποιημένη συγκέντρωση εάν αντιστοιχεί σε πάχος στρώσεως ZnO που να ικανοποιεί τη βιβλιογραφία. Τέλος, η μελέτη του πώς επηρεάζονται οι τελικές J-V χαρακτηριστικές με τη συγκέντρωση νανοσωματιδίων ZnO οδηγούν στην τελική επιλογή του βέλτιστου συνδυασμού ως προς τα κριτήρια του πάχους υμενίου ZnO, της απόδοσης και του κόστους παρασκευής της κάθε υμενίου ZnO με την εν λόγω τεχνική.
description: In order to achieve the cost-efficient scalability of flexible organic photovoltaics (OPVs), the optimization of the materials and printing processes is necessary. A normal OPV architecture is undesirable for a large-scale production due to the vacuum processing steps. Also, the use of high work-function anode materials (e.g. Ag ink) in inverted architectures enhances device stability. In order to print inverted OPVs of high functionality and stability, several parameters have to be optimized such as the surface morphology, thickness, roughness, surface energy and the electrical characteristics of the printed layers. The present study aims to optimize several parameters that enhance the layer quality and electrical characteristics of a fully gravure-printed OPV on a laboratory scale. To be more specific, the experimental methodology includes, at first, the investigatory printing of ZnO nanoparticle suspensions with differentiated concentrations on top of Polyethylene-Terephthalate (PET) and Indium Tin Oxide (ITO) substrate. A very cheap and commercially available ZnO suspension was chosen to be under study. The investigation of printed ZnO layers quality results in a decrease on nanoscale surface roughness and a rise on thickness and surface wettability with nanoparticle concentration. As next step for this work, the effect of nanoparticle concentration’s variation on the electrical characteristics of an inverted OPV is studied. Diversified concentration is the only parameter that does not remain constant during the printing steps, so that its effects can be better discerned and understood. Every different nanoparticle concentration results in different J-V curves that, additionally, allow the extraction of the electrical parameters of the photovoltaic device. After assessing the respective results, it is concluded that OPV performance gets enhanced when nanoparticle concentration rises up to a certain critical percentage, above which, ZnO layer thickness get too high values to allow high performances. During this step, the impact of ZnO layer and surface properties on OPV performance gets under investigation. On top of that, the optimum concentration that maximizes OPV efficiency results in a ZnO layer thickness that needs to be compared with the according literature values. Subsequently, next goal of this study is to achieve optimum electrical OPV characteristics with lower ZnO layer thicknesses. Filtering ZnO suspensions prior to printing is a simple solution to that direction, since it successfully reduces ZnO layer roughness and slightly reduces layer thickness. Similar OPV devices were gravure-printed, yet at lower, filtered concentrations in order to track the correlation of OPV performance to modified ZnO layer thickness and roughness, as well as to find the optimum ZnO concentration. From corresponding J-V curves it is checked whether the optimized filtered concentrations yield low layer thickness and maximize OPV efficiency, hence fulfilling literature criteria. As a final step, since suitability of ZnO dispersion for Roll-to-Roll production is the long-term goal of this study, the impact of material cost and consumption with regard to gravure printing is under discussion. Thus, differences in J-V curves and the corresponding OPV characteristics per each ZnO concentration, either filtered or non-filtered are spotted and the two distinct cases that maximize OPV efficiency are selected. On the other hand, optimized ZnO concentrations with this suspension are compared with other two cases of another commercially available suspension which yields even lower thicknesses and also repeatedly high OPV performances.