Organic photovoltaic technology: Development of organic solar cells based on thiophene-fullerene (α-6T/C60) heterojunctions

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως θέμα τους οργανικούς ημιαγωγούς και τις εφαρμογές τους ως χαμηλού κόστους εναλλακτική τεχνολογία για την κατασκευή οργανικών ηλιακών κυψελών. Οι οργανικοί ημιαγωγοί έχουν μεγάλο εύρος εφαρμογών, από το ταχέως και συνεχώς αναπτυσσόμενο πεδίο των φωτοβολταϊκών ως τις διόδους εκπομπής φωτός και τα τρανζίστορ πεδίου. Ηλιακές κυψέλες βασισμένες σε οργανικά μόρια διαθέτουν πολλά πλεονεκτήματα έναντι των μέχρι σήμερα χρησιμοποιούμενων κυψελών που έχουν ως βάση τους ανόργανους ημιαγωγούς. Συγκεκριμένα, είναι φθηνότερες στην κατασκευή τους καθώς τα οργανικά μόρια έχουν μικρό κόστος και απαιτείται πολύ λιγότερος χρόνος επεργασίας μέχρι το τελικό στάδιο κατασκευής τους. Επίσης, μπορούν να αναπτυχθούν επάνω σε εύκαμπτα υλικά και, ως εκ τούτου, να προσαρμοσθούν σε οποιαδήποτε επιφάνεια. Η οικονομική, μαζική παραγωγή τους σε μεγάλης έκτασης πάνελ αποτελεί και το κυριότερο κίνητρο, ώστε να γίνουν ανταγωνιστικές και εμπορεύσιμες. Στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας, κατασκευάστηκαν, στα Εργαστήρια του Ερευνητικού Κέντρου HELMHOLTZ του Βερολίνου, οργανικές ηλιακές κυψέλες σε εργαστηριακή κλίμακα και μελετήθηκαν τα ηλεκτρικά και οπτικά χαρακτηριστικά τους, καθώς και η δομή και τα οπτικά χαρακτηριστικά των στρώσεων οργανικών-ημιαγωγών στις οποίες βασίζονται.

The present diploma thesis is focused on organic semiconductors and their possible applications in organic solar cells (OSCs). In fact, the alpha-sexithiophene (a-6T) molecule has been used as active component in a-6T/C60 organic solar cells (OSCs) processed by standard vacuum thermal evaporation techniques. Atomic Force Microscopy (AFM) imaging revealed rod-like growth of a-6T films. Different samples have been produced corresponding to the specific stages during the fabrication process of an organic solar cell and the optical absorbance was measured at each stage of the layer stack. UV-VIS spectroscopic measurements were also performed on a-6T films grown on heated substrates and were indicative of lower absorbance. Electrical measurements performed on the completed OSCs and well reproducible I-V characteristics are evidence of the structural stability of the developed OSCs with conversion efficiencies up to 0.76%. Higher conversion efficiencies are targeted by appropriate orientation of the a-6T molecular chains. An experimental method of using Scanning Tunneling Microscopy (STM) in order to verify molecular orientation of molecules deposited on different inorganic semiconductor surfaces is presented.