Ανάπτυξη και μελέτη ανόργανων και οργανικών λεπτών υμενίων με τεχνολογίες κενού και εκτύπωσης για εύκαμπτες ηλεκτρονικές διατάξεις

Abstract

In the current PhD thesis, the development and study of organic and inorganic thin films by printing and vacuum technologies have been conducted. These thin films are used as active or passive layers in Flexible Organic Electronic devices (OH), such as Flexible Organic Photovoltaics (OPVs). In general, the thesis is based in three thematic axes: The first axis is related to the development by printing technologies of photoactive layers such as P3HT:PCBM and the investigation of their properties. These materials are essentially the core of the OPVs absorbing sunlight and giving the charge carriers, and thus electricity. We have proceeded to the printing by Roll-to-Roll (R2R) Gravure of P3HT:PCBM thin films and we have studied the effect of process parameters (e.g. printing speed, drying conditions) on the morphology and the optical, structural etc. properties. The second axis deals with the conductive organic and inorganic thin films that are used as electrodes in OH. The material that is mainly used as electrode in OH is the transparent conductive indium tin oxide (ITO), which however, is very expensive and fragile. So, we have proceeded to the development and study of alternative conductive materials, both organic and inorganic, towards ITO layer replacement. In particular, we have printed by R2R Gravure various types of aqueous solutions of PEDOT:PSS either monolayers or multilayer structures, and we have studied the optical, structural etc. properties with respect to the printing conditions, in order to enhance the conductivity and increase the efficiency of the OPVs. As regards the inorganic conductive materials, Al-doped zinc oxide thin films (AZO) have been deposited by Magnetron Sputtering on flexible substrates and the optical, structural, electrical etc. properties, as well as the growth mechanisms, have been investigated. The third and most important pillar of the current PhD thesis includes the utilization of the results from the study of the thin films for the production of functional OPV devices. We have fabricated OPV cells and modules, that consist of interconnected cells in series, by printing processes and we have studied their properties in relation to process parameters, in order to optimize the processes and improve OPV efficiency. The ultimate goal is the development of the production technology for OPVs. Furthermore, the ability to print OPVs by using PEDOT:PSS as electrode has been investigated, while also semitransparent OPVs have been fabricated by utilizing the optical and electrical properties of Ag/AZO system. In conclusion, with the current PhD thesis, the materials and processes for the fabrication of OH such as OPVs have been investigated, aiming at increasing the devices efficiency and reducing production costs through the adoption of mass production processes such as R2R printing, and by employing alternative to ITO materials. In parallel, the fabrication of functional OPVs by printing processes has been achieved demonstrating the potential for the production of useful OH in a variety of applications such as energy, lighting, electronics, etc.

το πλαίσιο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής πραγματοποιήθηκε ανάπτυξη και μελέτη οργανικών και ανόργανων λεπτών υμενίων με τεχνολογίες εκτύπωσης και κενού που χρησιμοποιούνται ως ενεργητικά (active) ή παθητικά (passive) στρώματα σε εύκαμπτες Οργανικές Ηλεκτρονικές διατάξεις (ΟΗ), όπως είναι τα εύκαμπτα Οργανικά Φωτοβολταϊκά (ΟΦ). Εν γένει, η παρούσα διατριβή κινείται σε τρεις άξονες: Τον πρώτο άξονα αποτελεί η ανάπτυξη με τεχνολογίες εκτύπωσης και η μελέτη φωτοενεργών υλικών όπως είναι το μείγμα P3HT:PCBM. Τα συγκεκριμένα υλικά αποτελούν ουσιαστικά τον πυρήνα των ΟΦ απορροφώντας την ηλιακή ακτινοβολία και αποδίδοντας τους φορείς φορτίου και κατ’ επέκταση ηλεκτρικό ρεύμα. Πραγματοποιήθηκαν εκτυπώσεις με την τεχνική Roll-to-Roll (R2R) Gravure λεπτών υμενίων P3HT:PCBM και μελετήθηκε η επίδραση των παραμέτρων της διεργασίας (π.χ. ταχύτητα εκτύπωσης, συνθήκες R2R ξήρανσης) στη μορφολογία και τις οπτικές, δομικές κ.ά. ιδιότητές τους. Ο δεύτερος άξονας αφορά τα αγώγιμα οργανικά και ανόργανα λεπτά υμένια τα οποία χρησιμοποιούνται ως ηλεκτρόδια στις ΟΗ. Το υλικό που κυρίως χρησιμοποιείται ως ηλεκτρόδιο είναι το διάφανο αγώγιμο οξείδιο ινδίου-κασσιτέρου (ITO), το οποίο όμως εκτός των άλλων, είναι ιδιαίτερα ακριβό και εύθραυστο. Προχωρήσαμε λοιπόν στην ανάπτυξη και μελέτη εναλλακτικών αγώγιμων υλικών τόσο οργανικών όσο και ανόργανων με στόχο την αντικατάσταση του υμενίου ITO. Συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκαν εκτυπώσεις με την τεχνική R2R Gravure διαφόρων τύπων υδατικών διαλυμάτων PEDOT:PSS, μονοστρωματικών και πολυστρωματικών δομών, και μελετήθηκαν οι οπτικές, δομικές κ.ά. ιδιότητές τους σε σχέση με τις συνθήκες εκτύπωσης, με στόχο την ενίσχυση της αγωγιμότητας και την αύξηση της απόδοσης των ΟΦ. Όσον αφορά τα ανόργανα αγώγιμα λεπτά υμένια, εναποτέθηκαν με Magnetron Sputtering λεπτά υμένια ντοπαρισμένου με Al οξειδίου του ψευδαργύρου (Al-doped ZnO - AZO) πάνω σε εύκαμπτα υποστρώματα και μελετήθηκαν οι οπτικές, δομικές, ηλεκτρικές κ.ά. ιδιότητές τους καθώς και οι μηχανισμοί ανάπτυξής τους. Ο τρίτος και σημαντικότερος άξονας της παρούσας Διατριβής περιλαμβάνει την ενσωμάτωση των αποτελεσμάτων από τη μελέτη των λεπτών υμενίων για την παραγωγή λειτουργικών διατάξεων, δηλαδή την κατασκευή ολοκληρωμένων ΟΦ. Κατασκευάστηκαν με την τεχνική R2R Gravure λειτουργικά ΟΦ κελιά καθώς και μονάδες διασυνδεδεμένων κελιών σε σειρά (modules) και μελετήθηκαν οι ιδιότητές τους σε σχέση με τις διεργασίες ανάπτυξης. Απώτερος στόχος είναι η ανάπτυξη της τεχνολογίας παραγωγής ΟΦ που σε συνδυασμό με άλλα συστήματα, όπως είναι οι εύκαμπτες εκτυπωμένες μπαταρίες, θα αποτελούν αποδοτικές λύσεις αξιοποίησης της ηλιακής ενέργειας και ενεργειακής αυτονομίας. Επιπλέον, διερευνήθηκε η δυνατότητα εκτύπωσης ΟΦ με χρήση του PEDOT:PSS ως ηλεκτροδίου και κατασκευάστηκαν ημιδιάφανα ΟΦ αξιοποιώντας τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του συστήματος Ag/AZO. Συμπερασματικά, με την παρούσα Διδακτορική Διατριβή πραγματοποιήθηκε μελέτη των υλικών και διεργασιών για την κατασκευή ολοκληρωμένων ΟΗ, όπως είναι τα ΟΦ, με στόχο την αύξηση της απόδοσης και τη μείωση του κόστους μέσω της υιοθέτησης διαδικασιών μαζικής παραγωγής, όπως είναι η R2R εκτύπωση, και της χρήσης εναλλακτικών του ITO υλικών. Παράλληλα κατασκευάστηκαν λειτουργικά εκτυπωμένα ΟΦ αποδεικνύοντας τις δυνατότητες που υπάρχουν για την κατασκευή χρήσιμων ΟΗ με πλήθος εφαρμογών όπως στην ενέργεια, στο φωτισμό, στην ηλεκτρονική κλπ.