Νανοδομημένες οργανικές φωτοβολταϊκές διατάξεις με χρήση διεργασιών πλάσματος

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως στόχο την επίτευξη νανοδόμησης του οργανικού ημιαγωγού πολυθειοφαινείου (P3HT) μέσω διεργασιών πλάσματος, για χρήση σε οργανικές φωτοβολταϊκές διατάξεις. Για τον σκοπό αυτό εναποτέθηκαν υμένια P3HT, πάνω σε υποστρώματα Si/SiO2 και glass/ITO, τα οποία ακολούθως εγχαράχθηκαν σε διαφορετικές συνθήκες πλάσματος (χρόνος, δυναμικό αυτοπόλωσης (bias), θερμοκρασία) και έπειτα έγινε χαρακτηρισμός της τοπογραφίας, της κρυσταλλικότητας, της φωτοφωταύγειας και της απορρόφησής τους, ενώ εξήχθησαν και οι ρυθμοί εγχάραξης. Κατόπιν δημιουργήθηκαν οργανικές διπλοστρωματικές φωτοβολταϊκές διατάξεις και έγινε ηλεκτρικός χαρακτηρισμός τους.

Η διπλωματική αυτή εργασία χωρίζεται σε δύο μέρη, το θεωρητικό και το πειραματικό. Το θεωρητικό μέρος περιλαμβάνει 4 κεφάλαια. Αρχικά, στο Kεφάλαιο 1 γίνεται αναφορά στην τεχνολογία των φωτοβολταϊκών, περιγράφεται το φωτοβολταϊκό φαινόμενο, παρουσιάζονται τα είδη των οργανικών φωτοβολταϊκών καθώς και οι παράμετροι χαρακτηρισμού τους και αναφέρονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα που τα χαρακτηρίζουν. Στη συνέχεια, στο Kεφάλαιο 2 παρουσιάζονται τα αγώγιμα πολυμερή, τα είδη, οι ιδιότητες και οι εφαρμογές τους και αναλύονται οι μέθοδοι ανάπτυξης υμενίων ημιαγώγιμων πολυμερών. Έπειτα, στο Kεφάλαιο 3 ορίζεται το πλάσμα, αναλύονται οι κατεργασίες πλάσματος και αναφέρονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους και τέλος στο Kεφάλαιο 4 γίνεται βιβλιογραφική επισκόπηση για τις εφαρμογές του πλάσματος σε οργανικές φωτοβολταϊκές διατάξεις.

Το πειραματικό μέρος περιλαμβάνει 4 κεφάλαια. Στο Kεφάλαιο 5 παρουσιάζονται οι πειραματικές συσκευές και οι τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα διπλωματική εργασία. Στη συνέχεια, στο Kεφάλαιο 6 αναλύεται η πειραματική διαδικασία για την παρασκευή και την νανοδόμηση δειγμάτων P3HT και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της μελέτης της τοπογραφίας τους. Έπειτα, στο Kεφάλαιο 7 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των μετρήσεων που προκύπτουν κατά τον χαρακτηρισμό του P3HT, ενώ τέλος στο Kεφάλαιο 8 παρουσιάζεται η δημιουργία και ο χαρακτηρισμός οργανικών διπλοστρωματικών φωτοβολταϊκών διατάξεων.

The aim of this master thesis is to achieve a nanostructured surface of the organic semiconductor Polythiophene (P3HT), through plasma processing, for use in organic photovoltaic devices. For this purpose thin P3HT films are coated onto Si/SiO2 and glass/ITO substrates, which are etched in different plasma conditions (time, bias, temperature) and then their topography, crystallinity, photoluminescence and absorption are measured and characterized. Also, the etching rates are exported. Finally, bilayer organic photovoltaic devices are created and their electrical properties are characterized.

This thesis is divided into two parts, the theoretical and the experimental. The theoretical part contains 3 chapters. Firstly, Chapter 1 refers to photovoltaic technology. Τhe photovoltaic effect, the types of fabricated organic photovoltaics, the parameters that characterize them and their advantages and disadvantages are presented. Then, Chapter 2 deals with conductive polymers, their types, their properties and their applications and the development methods of semiconducting polymer films are analyzed. Moreover, in Chapter 3 plasma is described, plasma treatments are analyzed and their advantages and disadvantages are listed and finally in Chapter 4 is presented a literature review on the applications of plasma in organic photovoltaic devices.

The experimental part includes four chapters. Chapter 5 presents the fabrication and characterization techniques used in this thesis. Then, in Chapter 6 the experimental procedure for the preparation of the P3HT samples and the plasma etching process are analyzed and the results of the study of the topography are presented. Chapter 7 presents the results of the characterization of P3HT films and finally Chapter 8 presents the creation and characterization of bilayer organic photovoltaic devices.