Ανάπτυξη και χαρακτηρισμός του υβριδικού υλικού ZnO:PVP και η εφαρμογή του σαν στρώμα μεταφοράς ηλεκτρονίων σε Gravure printed ανεστραμμένη οργανική φωτοβολταϊκή δομή
Creators: name: Ιωακειμίδης, Απόστολος Χαραλάμπους
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2014
Subjects: ανεστραμμένα οργανικά φωτοβολταϊκά
Υμένιο μεταφοράς ηλεκτρονίων
Νανοσωματίδια οξειδίου του ψευδαργύρου
Inverted organic photovoltaic
Electron transport layer
Zinc oxide nanoparticles

description: Η έρευνα στα οργανικά φωτοβολταϊκά (OPVs) είναι ταχέως αναπτυσσόμενη σε όλο τον κόσμο καθώς προσφέρει μια διαδικασία ανάπτυξής τους σε χαμηλή θερμοκρασία, με χαμηλό κόστος και σε συνδυασμό με το γεγονός ότι παράγει ελαφριές, εύκαμπτες ηλιακές κυψέλες οδηγεί στην δυνατότητα κατασκευής φτηνών φωτοβολταϊκών σε μαζική παραγωγή. Ειδικότερα, το τελευταίο μπορεί να επιτευχθεί με το συνδυασμό υλικών χαμηλού κόστους και με τεχνικές γρήγορης ανάπτυξης όπως η roll-to-roll (R2R). Ωστόσο, σε αντίθεση με το πυρίτιο ή άλλους ανόργανους ημιαγωγούς (π.χ., CdTe, CIGS) που αναπτύσσονται με τεχνικές κενού, η ανάπτυξη των OPVs περιπλέκεται από την απαίτηση που υπάρχει για πολλαπλά υλικά και στρώματα, που πρέπει να ενσωματωθούν για να μπορέσει η φωτοβολταϊκή κυψέλη να λειτουργήσει. Έτσι, σε σύγκριση με τις τεχνικές κενού, μια διαδικασία όπως η R2R δείχνει πολύ περισσότερες δυσκολίες όπως για παράδειγμα η διαβροχή των υλικών πάνω στα υποστρώματα και ο έλεγχος της αυτό-οργάνωσης των μορίων. Στη παρούσα διπλωματική εργασία παρατίθεται η ανάπτυξη και ο χαρακτηρισμός νανοσωματιδίων οξειδίου του ψευδαργύρου (ZnO NPs) που σε συνδυασμό με το πολυμερές πολυβινυλο πυρρολιδόνη (PVP) θα χρησιμοποιηθούν ως στρώμα για την μεταφορά των ηλεκτρονίων(ETL) στα ηλεκτρόδια ενός οργανικού φωτοβολταϊκού. Αρχικά γίνεται σύνθεση και χαρακτηρισμός των ZnO NPs, στη συνέχεια προστίθεται το PVP ως capping agent ώστε να έχουμε καλύτερη διασπορά των NPs και έτσι ένα πιο ομοιόμορφο και συνεχές υμένιο, εν τω μεταξύ χρησιμοποιήθηκε και διάλυμα ZnO NPs το οποίο ήταν εμπορικά διαθέσιμο. Η βελτιστοποίησή του ZnO:PVP έγινε αρχικά με spin-coating και έπειτα οι ίδιες αναλογίες χρησιμοποιήθηκαν για επίστρωση με Gravure Printing(που αποτελεί μια R2R τεχνική) πάνω σε υπόστρωμα Τερεφθαλικoύ πολυαιθυλενίου(PET) που ήταν καλυμμένο με 120nm οξειδίου Ινιδίου-κασσιτέρου(ΙΤΟ). Το τελευταίο αποτελεί την κάθοδο του οργανικού φωτοβολταϊκου. Σε επόμενο στάδιο επιστρώθηκε με Gravure printing το φωτοενεργό στρώμα που αποτελείται από μίγμα πολύ(3-έξυλο θειοφαίνιο)(P3HT) και το παράγωγο του φουλερενίου [6,6]-φαινυλ-C60- βουτανικο οξικος μεθυλεστερας(PCBM). Έπειτα έγινε προσπάθεια ανάπτυξης του PEDOT:PSS ως στρώματος μεταφοράς των οπών(HTL). Τέλος αναπτύχθηκε ο Άργυρος(Ag) πάνω στο PEDOT:PSS με θερμική εξάχνωση ώστε να σχηματιστεί και η άνοδος. Με τον τρόπο αυτό αναπτύχθηκε ένα ανεστραμμένο οργανικό φωτοβολταϊκό, το οποίο μπορεί να παρασκευαστεί εξολοκλήρου με τεχνικές R2R, καθώς και η άνοδος θα μπορούσε να εκτυπωθεί με τη χρήση μελάνης αργύρου(silver ink).
description: The research in organic photovoltaics (OPVs) is rapidly growing worldwide, as it provides a development process at low temperature, low cost and the final manifacture of lightweight, flexible solar cells in mass production. Specifically, the latter can be achieved by the combination of low cost materials and high rate fabrication techniques such as roll-to-roll (R2R). However, in contrast with silicon or other inorganic semiconductors (e.g. CdTe, CIGS) developed with vacuum techniques, the development of OPVs is complicated with the requirement for multiple materials and layers, which must be incorporated in the solar cell in order to operate. Thus, compared with vacuum techniques, a process such as R2R, has much more difficulties, e.g. the wetting of materials on substrates and controlling the self- organization of molecules. The present master thesis deals with the development and characterization of zinc oxide nanoparticles (ZnO NPs), which in combination with the polymer polyvinyl pyrrolidone (PVP) will be used as a layer for transporting electrons (ETL) to the electrodes of an organic photovoltaic. Firstly, the composition and characterization of ZnO NPs was carried out, followed with the addition of PVP as capping agent, to achieve better dispersion of NPs and thus, a more uniform and continuous film, in the meantime we used a solution of ZnO NPs that was commercially available. Optimization of ZnO:PVP solution was initially performed with the use of spin-coating and then the same proportions were used for Gravure Printing (a R2R technique) onto a Polyethylene terephthalate (PET) substrate, which was coated with 120nm Indium tin oxide (ITO). The latter is the cathode of organic photovoltaic. During the next step, the photoactive layer, comprising a mixture of Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) and the fullerene derivative of [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM), was coated with Gravure printing. Then, PEDOT:PSS layer was developed, as the hole transport layer (HTL). Finally, the process was completed with the developed of Silver (Ag) onto the PEDOT:PSS layer with thermal evaporation to form the anode. In this way, an inverted organic photovoltaic was fabricated, prepared entirely with R2R techniques and the anode could be printed using silver ink.