Άμεση εκτύπωση οργανικών υλικών με laser για την ανάπτυξη φωτοβολταϊκών στοιχείων

Abstract

Τα τελευταία χρόνια έχει υπάρξει έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον για την ανάπτυξη φωτοβολταϊκών συσκευών βασισμένων σε οργανικούς ημιαγωγούς. Οι οργανικοί ημιαγωγοί έχουν ήδη χρησιμοποιηθεί με επιτυχία για την κατασκευή τρανζίστορ και οργανικών διόδων εκπομπής φωτός (LED). Ειδικά τα οργανικά LED (OLED) έχουν δείξει να κυριαρχούν σε συγκεκριμένους τομείς της αγοράς καθώς έχουν αρκετά πλεονεκτήματα σε σχέση με την υπάρχουσα τεχνολογία, η οποία βασίζεται στους κλασσικούς ημιαγωγούς. Η ανάπτυξη των τεχνολογιών επεξεργασίας των οργανικών ημιαγωγών, λόγω της εκτεταμένης χρήσης τους στην τεχνολογία, έχει δημιουργήσει τις προϋποθέσεις για έρευνα σε νέους τομείς που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν οι οργανικοί ημιαγωγοί και ένας από τους σημαντικότερους τομείς της έρευνας αυτής είναι η παραγωγή ενέργειας. Τα φωτοβολταϊκά οργανικών ημιαγωγών προτείνονται ως μια εναλλακτική για τις χρήσεις όπου η παραδοσιακή τεχνολογία πυριτίου δεν μπορεί να δώσει λύσεις. Οι επιδόσεις των οργανικών φωτοβολταϊκών(OPVs) δείχνουν πως δε μπορούν να φανούν ανταγωνιστικά προς τις ήδη υπάρχουσες τεχνολογίες, όμως οι δυνατότητες που παρουσιάζουν όπως εύκολη κάλυψη μεγάλης επιφάνειας, επεξεργασία σε χαμηλές θερμοκρασίες, εναπόθεση σε εύκαμπτα υποστρώματα αλλά και το χαμηλό κόστος έχουν κεντρίσει το ενδιαφέρον τόσο της ερευνητικής κοινότητας όσο και της βιομηχανίας. Οι μέθοδοι που έχουν αναπτυχθεί για την επεξεργασία των οργανικών ημιαγωγών διαφέρουν από αυτές της συμβατικής μικροηλεκτρονικής. Σε ερευνητικό επίπεδο οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για τη κατασκευή οργανικών ΦΒ είναι οι εκτύπωση επί της οθόνης (screen-printing), εκτύπωση ψεκασμού μελάνης (ink-jet printing), εκτύπωση μικροεπαφών (micro-contact printing), εναπόθεση με από περιστροφή (spin-coating) και εκτύπωση με LIFT (Laser-Induced Forward Transfer). Το ημιαγώγιμο πολυμερές regioregular poly (3-hexylthiophene)P3HT είναι ένας οργανικός ημιαγωγός επεξεργάσιμος σε μορφή διαλύματος (solution-processable) και είναι από τους πρώτους ημιαγωγούς τέτοιου τύπου που χρησιμοποιήθηκαν σε τρανζίστορ επίδρασης πεδίου, παρουσιάζοντας τις υψηλότερες τιμές ευκινησίας σε σχέση με τα άλλα πολυμερή. Συνδυαζόμενο με το PCBM, το οποίο αναλαμβάνει το ρόλο του δέκτη ηλεκτρονίων, αποτελεί μία από τις καλύτερες επιλογές κατασκευής φωτοβολταϊκών διατάξεων αρχιτεκτονικής ομογενοποιημένης ετεροεπαφής. Σκοπός της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας είναι η μελέτη της χρήσης laser στην εκτύπωση οργανικών ημιαγωγών, με απώτερο στόχο την κατασκευή ολοκληρωμένης φωτοβολταϊκής συσκευής. Στο πρώτο κεφάλαιο επιχειρείται μία γενική επισκόπηση της θεωρίας των φωτοβολταϊκών. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά των οργανικών ημιαγωγών και ο τρόπος λειτουργίας των διατάξεων οργανικών φωτοβολταϊκών (ΦΒ). Στο τρίτο κεφάλαιο αναφέρονται κάποιες τεχνικές παρασκευής των οργανικών φωτοβολταϊκών (OPVs), στο τέταρτο δίνεται η περιγραφή της τεχνικής LIFT (Laser-Induced forward transfer) με τη χρήση της οποίας έγινε η εκτύπωση του P3HT:PCBM και η περιγραφή της διάταξης που χρησιμοποιήθηκε. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρατίθενται τα αποτελέσματα κάποιων διερευνητικών πειραμάτων που διεξήχθησαν για τη μελέτη της εναπόθεσης του P3HT:PCBM και μελανιού νανοσωματιδίων αργύρου (silver nanoparticle ink) με laser και ο χαρακτηρισμός των δειγμάτων. Στο έκτο η διαδικασία παρασκευής των ηλιακών κελιών καθώς και τα αποτελέσματα από τις ηλεκτρικές μετρήσεις των διατάξεων που κατασκευάστηκαν. Τέλος στο έβδομο κεφάλαιο γίνεται μια σύνοψή των αποτελεσμάτων.

In recent years there has been a surge in scientific research for the development of organic or plastic photovoltaics. Organic semiconductors have been successfully implemented in the fabrication of transistors and LEDs. Especially OLED screens are already being mass produced and occupy a significant part of the market share. This surge in interest for organic semiconductors has pushed researchers to investigate new ways to utilize them and one of the most prominent fields of research today is energy production. Solar cells utilizing organic semiconductors seem to be a promising alternative to the already well-established silicon technologies. At the moment organic photovoltaics (OPVs) cannot compete in power conversion with the traditional inorganic photovoltaics but offer lower manufacturing cost, simpler, faster and environmental friendly production technics and because of the fact that they don't require any high temperature treatment they are ideal for use on flexible substrates. The methods that have been developed for processing organic semiconductors for research purposes are screen-printing, ink-jet printing, micro-contact printing ,spin-coating and some laser deposition techniques like MAPLE (matrix-assisted pulsed laser evaporation)or LIFT (Laser-Induced Forward Transfer). The semiconducting polymer regioregularpoly(3-hexylthiophene) P3HT is a solution-processable organic semiconductor and is one of the first and still more commonly used on field effect transistors and shows a greater carrier mobility compared to other polymers. Combining P3HT with PCBM is the most commonly used material for developing organic photovoltaics. PCBM acts as an electron acceptor and the architecture used is that of a bulk heterojunction The purpose of this work is to investigate the use of lasers in organic semiconductors printing with the ultimate goal of developing a functioning solar cell using this method. The first part of the manuscript is the theoretical background in photovoltaics, organic semiconductors, organic photovoltaics and methods used for their fabrication. The second part consists of a description of the method used in the experiments, details about the experimental setup and the preparation procedures. After that the experimental process is explained, the results are presented and there is a summary and thoughts for future work.