ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗ ΔΙΕΠΙΦΑΝΕΙΩΝ ΓΙΑ ΟΡΓΑΝΙΚΕΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΕΣ ΚΥΨΕΛΙΔΕΣ ΚΑΙ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΦΩΤΟΣ ΥΨΗΛΗΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ

Σουλτάτη, Αναστασία

dc.contributor.author	Σουλτάτη, Αναστασία	el
dc.date.accessioned	2016-07-22T07:35:04Z
dc.date.available	2016-07-22T07:35:04Z
dc.date.issued	2016-07-22
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/43214
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.2090
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	διεπιφανειακά υμένια, οξείδια μετάλλων μετάπτωσης, οργανικές διατάξεις	el
dc.subject	interfacial layers, transition metal oxides, organic devices	en
dc.title	ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗ ΔΙΕΠΙΦΑΝΕΙΩΝ ΓΙΑ ΟΡΓΑΝΙΚΕΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΕΣ ΚΥΨΕΛΙΔΕΣ ΚΑΙ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΦΩΤΟΣ ΥΨΗΛΗΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ	el
heal.type	doctoralThesis
heal.classification	Νανοτεχνολογία	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2016-07-07
heal.abstract	Οι οργανικές οπτοηλεκτρονικές διατάξεις, όπως είναι οι οργανικές δίοδοι εκπομπής φωτός (Organic Light Emitting Diodes, OLEDs) και τα οργανικά φωτοβολταϊκά (Organic Photovoltaics, OPVs) αποτελούνται από ένα ή περισσότερα οργανικά υμένια (πολυμερικά ή μη), τα οποία εναποτίθενται μεταξύ δύο ηλεκτροδίων, ένα διαφανές που είναι η άνοδος της διάταξης και μια μεταλλική κάθοδο. Την τελευταία δεκαετία, η τεχνολογία κατασκευής οργανικών οπτοηλεκτρονικών διατάξεων έχει κάνει τεράστια άλματα προόδου, με αποτέλεσμα να είναι εμπορικά διαθέσιμες. Οι οργανικές δίοδοι εκπομπής φωτός βρίσκουν σήμερα εφαρμογή μεταξύ άλλων, σε οθόνες κινητών τηλεφώνων και τηλεοράσεων, ενώ οργανικά φωτοβολταϊκά είναι επίσης διαθέσιμα από αρκετές εταιρίες. Ωστόσο, η απόδοση και η σταθερότητα των οργανικών ηλεκτρονικών διατάξεων εξαρτάται τόσο από τις ιδιότητες των ενεργών υλικών όσο και από τις διεπιφάνειές τους με τα ηλεκτρόδια. Παρά τη ραγδαία εξέλιξη στο σχεδιασμό οργανικών υλικών και στη κατασκευή αποδοτικών διατάξεων, δεν έχει επιτευχθεί ακόμη αντίστοιχη βελτίωση στην τροποποίηση των διεπιφανειών ηλεκτροδίου/οργανικού υμενίου, με τα κριτήρια σχεδιασμού και τροποποίησης διεπιφανειών για την κατασκευή των διατάξεων να μην είναι σαφή. Ένα από τα βασικά ζητήματα για το σχεδιασμό των ηλεκτρικών επαφών στις οργανικές οπτοηλεκτρονικές διατάξεις είναι η κατανόηση της ευθυγράμμισης των ενεργειακών επιπέδων στις διεπιφάνειες ηλεκτροδίου/οργανικού ημιαγωγού. Για την επίτευξη αποτελεσματικής και ισορροπημένης έγχυσης και εξαγωγής φορέων φορτίου είναι απαραίτητη η ευθυγράμμιση του επιπέδου Fermi του ηλεκτροδίου με τις καταστάσεις μεταφοράς φορέων φορτίου του οργανικού ημιαγωγού. Γι’ αυτό το λόγο κρίνεται αναγκαία η ενσωμάτωση ενδιάμεσων υμενίων, που τροποποιούν τη διεπιφάνεια ηλεκτροδίου/οργανικού υμενίου και επιτυγχάνουν αποτελεσματικότερη ανταλλαγή φορέων μεταξύ των ηλεκτροδίων και των οργανικών μορίων. Αντικείμενο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι η μελέτη τροποποίησης διεπιφανειών οργανικών διόδων εκπομπής φωτός και οργανικών φωτοβολταϊκών διατάξεων, με χρήση οξειδίων μετάλλων μετάπτωσης, και συγκεκριμένα οξειδίων του μολυβδαινίου (Μο) και βολφραμίου (W). Τα οξείδια των μετάλλων μετάπτωσης έχουν βρει χρήση τα τελευταία χρόνια ως υμένια έγχυσης/εξαγωγής φορέων φορτίου ανάμεσα στα ηλεκτρόδια και στους οργανικούς ημιαγωγούς. Επιπλέον, λόγω του ανόργανου χαρακτήρα τους, είναι πιο σταθερά από τα οργανικά υμένια που χρησιμοποιούνται γι’ αυτό το σκοπό, με αποτέλεσμα να βελτιώνεται η σταθερότητα των διατάξεων. Αρχικά, μελετάται η εναπόθεση των οξειδίων του μολυβδαινίου και βολφραμίου σε διάφορες συνθήκες (πχ. διαφορετικό περιβάλλον εναπόθεσης). Η εναπόθεση σε υποστοιχειομετρικό περιβάλλον επηρεάζει τόσο τη στοιχειομετρία και την ηλεκτρονική δομή τους, όσο και τις μορφολογικές και οπτοηλεκτρικές ιδιότητές τους. Πιο συγκεκριμένα, η εισαγωγή υδρογόνου στο πλέγμα των οξειδίων του Mo και W οδηγεί στην εμφάνιση νέων κατειλημμένων καταστάσεων μέσα στο ενεργειακό τους χάσμα κοντά στο επίπεδο Fermi και στη μείωση του έργου εξόδου τους. Επιπλέον, παρατηρείται μείωση της αντίστασης και της τραχύτητας των υδρογονωμένων υμενίων. Κατόπιν, κατασκευάστηκαν διατάξεις OLEDs και OPVs, χρησιμοποιώντας τα υμένια στοιχειομετρικών και υποστοιχειομετρικών οξειδίων του μολυβδαινίου και βολφραμίου ως στρώματα έγχυσης και εξαγωγής οπών, αντίστοιχα. Η ενσωμάτωση υποστοιχειομετρικών οξειδίων του Μο και W στις διατάξεις OLEDs και OPVs οδηγεί σε αύξηση της απόδοσής τους, σε σύγκριση με αυτήν των διατάξεων με τα στοιχειομετρικά οξείδια. Η αύξηση αυτή οφείλεται στην ευνοϊκή ευθυγράμμιση των ενεργειακών επιπέδων στη διεπιφάνεια μεταξύ της ανόδου και του οργανικού υμενίου, λόγω των καταστάσεων μέσα στο ενεργειακό χάσμα των οξειδίων, μειώνοντας το φραγμό έγχυσης/εξαγωγής των οπών. Τέλος, υμένια υποστοιχειομετρικών οξειδίων του μολυβδαινίου και βολφραμίου χρησιμοποιούνται ως στρώματα εξαγωγής οπών σε οργανικές φωτοβολταϊκές διατάξεις, αφού πρώτα έχουν υποβληθεί σε ανόπτηση με μικροκύματα. Η έκθεση των οξειδίων σε μικροκύματα μετατοπίζει περαιτέρω το έργο εξόδου τους σε υψηλότερες ενέργειες, με αποτέλεσμα την ευνοϊκότερη εξαγωγή των οπών και την αύξηση της απόδοσης των διατάξεων. Επίσης, η ανόπτηση των οξειδίων του Μο και W με μικροκύματα επηρεάζει τη νανομορφολογία και την κρυσταλλικότητα του οργανικού υμενίου, το οποίο επιστρώνεται πάνω σε αυτά, ενισχύοντας τη μεταφορά των οπών προς την άνοδο και ενισχύοντας τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των διατάξεων OPVs. Τα αποτελέσματα αυτά αποδεικνύουν τις τεράστιες δυνατότητες των υποστοιχειομετρικών οξειδίων του μολυβδαινίου και βολφραμίου για χρήση ως υμένια διεπιφανειακής τροποποίησης ενεργού υμενίου/ανόδου σε οργανικές οπτοηλεκτρονικές διατάξεις. Η παρούσα μελέτη δημιουργεί μια νέα κατηγορία υλικών που βασίζονται στο οξείδια μετάλλων μετάπτωσης με ελεγχόμενες ηλεκτρονικές και φυσικές ιδιότητες, ανοίγοντας το δρόμο για τη σύνθεση νέων οξειδίων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν όχι μόνο ως αποτελεσματικά διεπιφανειακά υμένια σε οργανικές οπτοηλεκτρονικές διατάξεις, αλλά και σε ποικίλες εφαρμογές, όπως είναι η φωτοκατάλυση.	el
heal.abstract	Organic Optoelectronic devices, such as Organic Light Emitting Diodes (OLEDs) and Organic Photovoltaic (OPVs), consist of one or more conjugated organic films (polymers or small-molecules), which are sandwiched between two electrodes, a transparent that is the anode of the device and a metallic cathode. In the last decade, dramatic progress has been achieved in organic optoelectronic devices manufacturing, which are currently in product. Organic Light Emitting Diodes have been already applied among other things in displays for cell phones and television sets and organic photovoltaic cells are also available from a number of companies. In organic electronic, however, device performance and lifetime depend critically on the properties of both the active materials and their interfaces. It is an unfortunate fact that the dramatic progress that has been recently achieved in materials design and manufacturing has not been matched by the equal improvement in the interface engineering and no reliable interface-design criteria are available to device manufacturers. One of the key issues for the design of the electrical contacts of organic optoelectronic devices is the understanding of the energy-level alignment at metal contacts/organic semiconductors interfaces. Proper matching of the electrode Fermi level to the energy level of charge-transport states of the organic semiconductors is necessary to obtain efficient and balanced charge injection/extraction in organic electronic devices. This is why in highly efficient devices anode/cathode interfacial layers are necessary to enhance charge exchange between metal contacts and organic molecules. The objective of this thesis is the investigation of interface engineering of Organic Light Emitting Diodes and Organic Photovoltaic Cells using Transition Metal Oxide films, in particular Molybdenum (Mo) and Tungsten (W) oxide films. Transition metal oxides have been recognized as one of the most promising class of materials for use as efficient charge injection/extraction interlayers in organic optoelectronic devices. Moreover, due to their inorganic character, these films are more stable than the organic ones used for this purpose thus improving the device stability in ambient air. At first, the deposition of molybdenum and tungsten oxides in various conditions is investigated. It was found that not only does the reduction of metal oxides alter their stoichiometry and electronic structures, but it also influences their morphological, optical and electrical properties. Specifically, the introduction of under-stoichiometry in the lattice of the Mo and W oxides results in the appearance of new occupied gap states near the Fermi level, which act as favorable paths for charge transport. A significant reduced sheet resistance and surface roughness of the sub-stoichiometric oxide films are also observed. Furthermore, OLEDs and OPVs have been fabricated using both stoichiometric and sub-stoichiometric molybdenum and tungsten oxide films as hole injection and extraction layers, respectively. The implementation of sub-stoichiometric Mo and W oxides as anode interfacial layers in OLEDs and OPVs leads to the improvement of the device performance, compared to devices with their stoichiometric counterparts. This increase may be attributed to a favorable energy-level alignment at the interface between the anode and the organic film, due to the formation of occupied gap states near the Fermi level, resulting in the reduction of the hole injection/extraction barrier. Finally, under-stoichiometric molybdenum and tungsten oxide films are used as anode interfacial layers in OPVs after being subjected to microwave post-deposition annealing. It is demonstrated that a short exposure of under-stoichiometric Mo and W oxides leads to a shift of the work function towards higher values resulting in the enhancement of hole extraction and the improvement of the device performance. The microwave annealing of the oxide layer can also benefit the nanomorphology and crystallization of the photoactive layer, deposited on top of them, leading to enhanced hole transport properties, and thus increasing the electrical characteristics of the OPVs. These findings demonstrate the tremendous potential of under-stoichiometric Mo and W oxides with well controlled stoichiometry, which creates an advanced class of transition metal oxide-based functional materials with tailored electronic and physical properties. In addition, they may pave the way for finding new oxide formulations that can be used not only as highly efficient charge exchange/electrode modification layers in a wide range of optoelectronic devices, but also in other diverse applications, such as in photocatalysis.	en
heal.sponsor	Η διδακτορική διατριβή γίνεται στο πλαίσιο του προγράμματος «ΘΑΛΗΣ- Πανεπιστήμιο Πατρών –Φωτονικά πολυμερικά συστήματα για εφαρμογές τεχνολογιών της πληροφορίας (ΦΩΤΟΠΟΛΥΣ)» με Φ.Κ.: D.532 και MIS:377358 που συγχρηματοδοτείται από την Ε.Ε. & Εθν. Πόρους, στο πλαίσιο του προγράμματος «Implementing Advanced Interfacial Engineering Strategies for Highly Efficient Hybrid Solar Cells – Προηγμένες Στρατηγικές Τροποποίησης Διεπιφανειών για Υβριδικές Ηλιακές Κυψελίδες Υψηλής Απόδοσης – IMAGINE-HYSOL» με Φ.Κ.: D.964 και MIS:4979 που συγχρηματοδοτείται από την Ε.Ε. & Εθν. Πόρους/ΓΓΕΤ και στο πλαίσιο του προγράμματος «Τεχνολογία Μοριακών Υλικών Μικροηλεκτρονικής» του Ινστιτούτου Νανοεπιστήμης και Νανοτεχνολογίας του ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος».	el
heal.advisorName	Δημοτίκαλη, Δήμητρα	el
heal.committeeMemberName	Κόλλια, Κωνσταντίνα	el
heal.committeeMemberName	Μοροπούλου, Αντωνία	el
heal.committeeMemberName	Θεοδώρου, Θεόδωρος	el
heal.committeeMemberName	Τσουκαλάς, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Πολυμένης, Στυλιανός	el
heal.committeeMemberName	Δημοτίκαλη, Δήμητρα	el
heal.committeeMemberName	Αργείτης, Παναγιώτης	el
heal.academicPublisher	Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.fullTextAvailability	true