Εφαρμογή τεχνικών Laser για την ανάπτυξη νέων υλικών και διαγνωστικών τεχνικών με σκοπό την εφαρμογή τους σε οργανικές φωτοβολταΪκές διατάξεις

Abstract

Over the past decade, the need for low-cost and solution-processed materials, ideal for photovoltaic applications, has experienced particular attention in global scientific research. Organic semiconducting materials exhibit large potential for photovoltaic energy conversion. The major attention for organic photovoltaics (OPVs) originates from the fact that organic compounds are of much lower cost than silicon or any of the PV materials available to date, as well as that can be fabricated using low temperature solution processed techniques. In order to become more competitive, organic photovoltaic technologies must overcome two main problems: low efficiency and short lifetime. Further research effort towards increasing PCE as well as improving device lifetime is required. Working in this direction, we studied the effect of the incorporation of surfactant-free metallic nanoparticles into the active layer of OPV cells, on the efficiency and stability of the device. Such systems have demonstrated to be a very promising strategy to enhance the OPV performances , due to localized surface plasmon resonance (LSPR) or multiple LSPR effects, light scattering or multiple light scattering effects, the synergy of those, the plasmonic effects of metal NPs clusters or the utilization of multiple metal NPs, as well as the BHJ blend structure improvement. In this work, the metallic nanoparticles were laser-synthesized with the method of laser ablation of solid in liquid medium. Moreover, laser techniques were developed for the fabrication of hybrid 2D materials with metallic nanoparticles in solution in order to exploit both the contribution of NPs in the light absorption enhancement and the band gap tunability of the 2D materials in order to achieve higher exciton dissociation and charge collection for their potential application in ternary devices. The NS-NPs assemblies were formed under ambient conditions, via a facile, rapid and solution compatible laser assisted process in the presence of a metallic precursor. The resulting hybrid materials have been incorporated into the photoactive layer as the third component in a ternary OPV device along with polymer/fullerene composites.The concept of photochemical synthesis in solution was also used for the fabrication of graphene based materials for their application as electron acceptors in OPV devices. Graphene-based nanostructured materials appear to be attractive alternatives in a range of new energy devices, including organic photovoltaic cells, lithium batteries, fuel cells and supercapacitors. The resulting graphene-based materials have been incorporated into the photoactive layer of OPV devices and have been applied as electron-acceptor materials, replacing the most used fullerene derivative PC71BM. Finally, the structures of the laser synthesized materials used, as well as the optimization of the fabricated OPVs have been evaluated by utilizing various spectroscopy and microscopy analyses, alongside with complementary photovoltaic measurements.

Τα τελευταία χρόνια, η ανάγκη για χαμηλού κόστους υλικά με δυνατότητα επεξεργασίας σε διάλυμα, ιδανικά για φωτοβολταϊκές εφαρμογές, έχει γνωρίσει ιδιαίτερη προσοχή στην παγκόσμια επιστημονική έρευνα. Τα οργανικά ημιαγώγιμα υλικά παρουσιάζουν φωτοβολταικές δυνατότητες. Οι οργανικές ενώσεις έχουν πολύ χαμηλότερο κόστος παραγωγής από ότι το πυρίτιο ή οποιοδήποτε από τα διαθέσιμα μέχρι σήμερα φωτοβολταικά υλικά, ενώ οργανικές φωτοβολταικές διατάξεις μπορούν να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας τεχνικές επεξεργασίας διαλυμάτων σε χαμηλές θερμοκρασίες. Για να γίνουν πιο ανταγωνιστικές οι τεχνολογίες οργανικών φωτοβολταϊκών πρέπει να ξεπεραστούν δύο κύρια προβλήματα : η χαμηλή απόδοση και η μικρή διάρκεια ζωής. Απαιτείται περαιτέρω ερευνητική προσπάθεια για την αύξηση της απόδοσης μετατροπής ισχύος, καθώς και τη βελτίωση της διάρκειας ζωής της συσκευής. Δουλεύοντας σε αυτή την κατεύθυνση, μελετήθηκε η επίδραση της ενσωμάτωσης μεταλλικών νανοσωματιδίων στο ενεργό στρώμα των οργανικών φωτοβολταικών κυψελίδων, στην αποτελεσματικότητα και την σταθερότητα της συσκευής. Τέτοια συστήματα έχουν αποδειχθεί ότι είναι μια πολλά υποσχόμενη στρατηγική για την ενίσχυση της λειτουργίας, λόγω τοπικού συντονισμού επιφανειακών πλασμονίων (LSPR) ή σκέδασης φωτός ή συνέργεια των δύο. Στην εργασία αυτή, πραγματοποιήθηκε σύνθεση μεταλλικών νανοσωματιδίων μέσω φωτοαποδόμησης με λέιζερ στερεού στόχου σε υγρό μέσο. Επιπλέον, τεχνικές λέιζερ αναπτύχθηκαν για την κατασκευή υβριδικών διδιάστατων υλικών με μεταλλικά νανοσωματίδια σε διάλυμα προκειμένου να αξιοποιηθεί τόσο η συμβολή των νανοσωματιδίων στην ενίσχυση απορρόφησης του φωτός όσο και η ύπαρξη ενεργειακού χάσματος των υλικών, προκειμένου να επιτευχθεί ενίσχυση του διαχωρισμού εξιτονίων και συλλογή φορτίου για πιθανή εφαρμογή τους στην τριμερή συσκευές. Τα συστήματα διδιάστατων φύλλων με μεταλλικά νανοσωματίδια σχηματίστηκαν υπό συνθήκες περιβάλλοντος, μέσω μιας εύκολης και ταχείας διαδικασίας λέιζερ σε διάλυμα, υποβοηθούμενης υπό την παρουσία ενός μεταλλικού προδρόμου. Τα προκύπτοντα υβριδικά υλικά έχουν ενσωματωθεί στο ενεργό στρώμα ως το τρίτο συστατικό σε μία τριαδική οργανική φωτοβολταική συσκευή με ένα συζυγές πολυμερές και ένα φουλερένιο. Η έννοια της φωτοχημικής σύνθεσης σε διάλυμα χρησιμοποιήθηκε επίσης για την κατασκευή νέων υλικών με βάση το γραφένιο για την εφαρμογή τους ως αποδέκτες ηλεκτρονίων σε οργανικές φωτοβολταικές συσκευές. Τα νανοδομημένα υλικά με βάση το γραφένιο φαίνεται να είναι ελκυστικές εναλλακτικές λύσεις σε μια σειρά νέων ενεργειακών συσκευών, συμπεριλαμβανομένων των οργανικών φωτοβολταϊκών κυψελίδων, σε μπαταρίες λιθίου, κυψέλες καυσίμου και υπερπυκνωτές. Τα προκύπτοντα υλικά με βάση το γραφένιο έχουν ενσωματωθεί στο ενεργό στρώμα των συσκευών OPV και έχουν εφαρμοσθεί σαν αποδέκτες ηλεκτρονίων, αντικαθιστώντας το πλέον χρησιμοποιούμενο παράγωγο φουλερενίου PC71BM. Τέλος, ο χαρακτηρισμός των υλικών που προέκυψαν μετά την κατεργασία με laser καθώς και η βελτιστοποίηση των φωτοβολταικών διατάξεων που κατασκευάστηκαν, έχουν αξιολογηθεί με τεχνικές φασματοσκοπίας και μικροσκοπίας παράλληλα με φωτοβολταικές μετρήσεις