- Experimental study of the physics of nanostructured organic photovoltaic devices.
- Radivo, Andrea
Subject
- PEDOT:PSS
- Organic Photovoltaic Cell
- Nanoimprint Lithography
- Nanotechnology
- SCUOLA DI DOTTORATO DI RICERCA IN NANOTECNOLOGIE
- FIS/03 FISICA DELLA MATERIA
Description
- 2012/2013
- Organic photovoltaic (OPV) cells based on Bulk Heterojunction (BHJ) architecture, have reached a record efficiency of 8.3% approaching the value of 10% which is considered the threshold for commercial exploitation of this technology. However, BHJ OPV cells suffer from charge collection issues, which hinder significant further increase of efficiency. A few theoretical studies have given clear indications that the most efficient nanoscale architecture consists of nano interdigitated structure of donor (D) and acceptor (A), the materials composing the active layer of OPV cells. The width of these interdigitated structures needs to be comparable to the exciton diffusion length in the two phases (10-20 nm) while their height has to be of the order of the attenuation length of the light (over 100 nm). However, obtaining this structure is challenging and in spite of the several attempts reported, the results up to date were unsuccessful. In this work an indirect approach is proposed to circumvent problems of direct top-down nanostructuring of the active layer. The idea is to nanostructure by nano imprinting lithography (NIL) an electron-blocking, hole-transporting poly(3,4-ethylenedioxythiophene): poly(4-styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) layer, a very common anode buffer layer in OPV. The reason for patterning a PEDOT:PSS layer is that it would act as: A nano interdigitated electrode with increased interface area with the donor material, for enhanced positive charges collection. A framework to guide the nanostructuring of the active layer. A diffraction grating for incident light to increase cells absorbance. However, PEDOT:PSS don't have a clear glass transition temperature and in standard lab condition the obtained structures suffer of deformation problems during stamp separation phase. For these reasons various attempts reported in literature to carry out standard thermal NIL process have led to very modest results in terms of aspect ratio and structure quality. Therefore, we investigated a modified NIL process, Water Vapour Assisted NIL (WVA-NIL), based on the accurate control of the environmental relative humidity to influence mechanical properties of PEDOT:PSS. After process optimization, we were able to fabricate sub-100 nm features in PEDOT:PSS with high aspect ratios (up to 6). WVA-NIL process resulted also to be able to modify, in a controlled and reproducible way, the electronic properties of the material, leading to a conductivity increase up to 5 orders of magnitude and a decrease in work function (Ф) up to 1.5 eV. This open new opportunities to tune PEDOT:PSS properties for specific application, and even for use as cathode instead of anode in OPV. We have investigated the possibility to fabricate nanostructured OPV cells by conformal coating and/or infiltration of PEDOT:PSS nanostructures with different organic semiconductors, either by thermal vacuum evaporation or solution processing, with the purpose of implementing two main architectures consisting of: 1. A nano interdigitated A/D structure, obtained by conformal deposition of the donor material on PEDOT:PSS structures, followed by infiltration with the acceptor material. 2. A BHJ cell with an interdigitated electrode, obtained infiltrating the PEDOT:PSS structures with a blend of the two active materials. As donor materials we tested Poly[2,7-(9,9-dioctyl-dibenzosilole)-alt-4,7-bis(thiophen-2- yl)benzo-2,1,3-thiadiazole] (PSiF-DBT), poly(3-hexylthiophene) (P3HT), pentacene, copper phthalocyanine (CuPc). As acceptor materials were tested: C60; phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM); indene-C60 bisadduct (ICBA). Nano interdigitated structures of aspect ratios up to 2 were successfully implemented according to architecture 1, using the combination of Pentacene and PCBM, while the main issues and limitations using the other materials were identified. The architecture 2 was successfully implemented with P3HT-ICBA and P3HT-PCBM BHJ on PEDOT:PSS gratings of lines. From the testing of the obtained cells, the most promising system resulted to be the architecture 2. Nanopatterned P3HT-ICBA BHJ cells have shown a 60% relative increase of efficiency compared to flat BHJ reference cells (in absolute values 1.3% vs 0.8% efficiency). Additional experiments were performed on the hybrid system PSiF-DBT/CuInS2, with a nano interdigitated structure of the two materials. This structure was implemented by NIL processing of PSiF-DBT, followed by an infiltration of the obtained structures with copper and indium xanthates, precursor materials that can be thermally converted into CuInS2. The nano interdigitated structure was successfully obtained, and a first series of cell was produced, showing a more than doubled efficiency, starting from 0.13% of a flat bi-layer cell to 0.30% of the nanostructured one, for thermal conversion performed at 160°C.
- ---------------------RIASSUNTO IN ITALIANO------------------------------ Le celle fotovoltaiche organiche (OPV) basate sull’architettura “Bulk Heterojunction” (BHJ) hanno raggiunto un record di efficienza del 8,3%, avvicinandosi al 10%, considerato soglia da superare per lo sfruttamento commerciale di questa tecnologia. Tuttavia, le celle fotovoltaiche organiche BHJ soffrono di problemi di raccolta di carica, che impediscono di ottenere ulteriori significativi incrementi di efficienza. Alcuni studi teorici hanno dato chiare indicazioni sul fatto che, la più efficiente nano architettura per le celle fotovoltaiche organiche, consiste in una struttura interdigitata di donore (D) ed accettore (A), i due materiali che compongono lo strato attivo delle celle fotovoltaiche organiche. La larghezza di queste strutture interdigitate deve essere comparabile alla distanza di diffusione degli eccitoni nelle due fasi (10-20 nm), mentre la loro altezza deve essere dell’ordine della lunghezza di attenuazione della luce nel materiale (più di 100 nm). Tuttavia ottenere queste strutture è complesso e nonostante diversi tentativi riportati in letteratura, fino ad ora non si sono ottenuti risultati soddisfacenti. In questo lavoro viene proposto un approccio indiretto che aggira i problemi della nano strutturazione “top-down” dello strato attivo. L’idea è di nano strutturare mediante ”nano imprinting lithography“ (NIL) un film di poly(3,4- ethylenedioxythiophene): poly(4-styrenesulfonate) (PEDOT:PSS), comune strato intermedio anodico delle celle fotovoltaiche organiche. La nano struttura di PEDOT:PSS così ottenuta agirà da: Elettrodo nano interdigitato ad elevata interfaccia di contatto con il materiale donore, per facilitare la raccolta di cariche positive. Da ossatura per guidare la nano strutturazione dello strato attivo. Da reticolo di diffrazione per la luce in modo da incrementare l’assorbimento della cella. Tuttavia il PEDOT:PSS non ha una chiara temperatura di transizione vetrosa, ed in condizioni di laboratorio standard, le strutture soffrono di problemi di deformazione durante la fase di separazione dello stampo. Per questo motivo vari tentativi riportati in letteratura di utilizzare il processo NIL termico standard, hanno portato a risultati modesti in termini di rapporto di forma e qualità delle strutture. Abbiamo quindi studiato un processo NIL modificato, Water Vapour Assisted NIL (WVA-NIL), basato su un'accurato controllo dell’umidità relativa ambientale al fine di influire sulle proprietà meccaniche del PEDOT:PPS. A seguito dell’ottimizzazione del processo siamo stati in grado di fabbricare strutture con dettagli sub-100 nm e con elevato rapporto di forma (fino a 6). Il processo WVA-NIL è inoltre risultato in grado di modificare in modo controllato e riproducibile le proprietà elettroniche del materiale, portando ad un incremento di conducibilità fino a 5 ordini di grandezza ed una riduzione di funzione lavoro (Ф) fino a 1.5 eV. Questo apre la possibilità di regolare le proprietà elettroniche del PEDOT:PSS per applicazioni specifiche, ed addirittura usarlo come catodo anziché come anodo nelle celle OPV. Abbiamo studiato la possibilità di ottenere celle OPV nano strutturate con una deposizione conformale ed/o infiltrazione delle strutture di PEDOT:SS con diversi semiconduttori organici, depositati per evaporazione termica a vuoto o per deposizione da soluzione. Lo scopo di ciò è di ottenere due principali architetture: 1. Una struttura nano interdigitata A/D ottenuta per deposizione conformale del materiale donore sulle strutture di PEDOT:PSS, seguita da infiltrazione con materiale accettore. 2. Una cella BHJ, con un elettrodo interdigitato, ottenuta infiltrando le strutture in PEDOT:PSS con una mistura dei due materiali attivi. Come materiali donori abbiamo testato: Poly[2,7-(9,9-dioctyl-dibenzosilole)-alt-4,7- bis(thiophen-2-yl)benzo-2,1,3-thiadiazole] (PSiF-DBT); poly(3-hexylthiophene) (P3HT); pentacene; ftalocianine di rame (CuPc). Come materiali accettori: C60; phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM); indene-C60 bisadduct (ICBA). Strutture nano interdigitate con aspetto di forma fino a 2 sono state ottenute con successo, secondo l’architettura 1, usando la combinazione di materiali Pentacene-PCBM mentre i principali problemi e limitazioni nell’utilizzo degli altri materiali sono stati identificati. La seconda architettura è stata implementata con successo con celle BHJ in P3HT-ICBA e P3HT PCBM, usando reticoli di linee di PEDOT:PSS. Dai test di caratterizzazione delle celle è emerso che il sistema più promettente è costituito dalla architettura 2. Celle BHJ P3HT-ICBA nano strutturate hanno mostrato un aumento relativo di efficienza del 60% confrontate ad una cella BHJ di riferimento planare (in valore assoluto 1,3% contro 0.8%). Sono stati eseguiti anche esperimenti su celle nano interdigitate ibride in PSiF- DBT/CuInS 2 . Questa struttura è stata ottenuta mediate processo NIL del PSiF-DBT, seguito da infiltrazione con xantati di indio e rame, precursori che possono essere convertiti termicamente in CuInS 2 . La struttura nano interdigitata è stata ottenuta con successo e dalla prima serie di celle prodotta, ha mostrato un raddoppio dell’efficienza, passando da 0,13%
- XXVI Ciclo
- 1980
Date
- 2014-06-16T11:11:01Z
- 2015-03-25T05:01:34Z
- 2014-03-25
Type
- Doctoral Thesis
Format
- application/pdf
Identifier
urn:nbn:it:units-12257