Ανάπτυξη και μελέτη σε πραγματικό χρόνο υμενίων ανόργανων και οργανικών υλικών για χρήση σε οργανικές ηλεκτρονικές διατάξεις

Abstract

The subject of this dissertation is the study of nano-films of metal-organic perovskite semiconductor (MAPbI3) and blend of organic semiconductors (P3HT:PCBM) grown using wet techniques and printing processes for use in flexible printed photovoltaic (PV) devices. The study is primarily conducted using the technique of Spectroscopic Ellipsometry (SE), as well as other spectroscopic and non-spectroscopic techniques. The experiments focus on spectroscopic real-time measurements (in-situ & real-time, in-line & real-time) during the growth or printing of materials, from laboratory scale to roll-to-roll printing processes (R2R). Additionally, optical models have been developed for the physical interpretation and quantification of the measured spectra. By applying the above methodologies, the growth mechanisms of perovskite were interpreted, and optimal parameters (temperature, use of N2, etc.) for the growth of smooth films without degraded phases of PbI2 were found. Furthermore, long-length multilayer perovskite film structures for the fabrication of perovskite PV were studied and optimized. Printing parameters and film properties (printing flow, solvent dilution ratio, layer thickness, thickness dispersion, printability, surface planarization, etc.) were correlated with the functionality and performance of PV. As a result, flexible printed perovskite PV with a power conversion efficiency (PCE) of 6.5% was fabricated. Finally, real-time study with simultaneous measurements of in-line spectroscopic techniques SE, Raman, and photoluminescence (PL) during R2R printing of mixed organic semiconductor films is presented. By applying developed analysis models, the desired properties of the films such as thickness, homogeneity, crystalline phases of the organic polymer semiconductor, surface composition, as well as printing process errors were identified.

Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη νανο-υμενίων μεταλοργανικού ημιαγωγού περοβσκίτη (MAPbI3) και μειγμάτος οργανικών ημιαγωγών (P3HT:PCBM) που αναπτύχθηκαν με υγρές τεχνικές και διαδικασίες εκτύπωσης για χρήση σε εύκαμπτες εκτυπωμένες φωτοβολταϊκές διατάξεις (ΦΒ). Η μελέτη πραγματοποιείται κυρίαρχα με την χρήση της τεχνικής της φασματοσκοπικής ελλειψομετρίας (Spectroscopic Ellipsometry, SE), αλλά και άλλων φασματοσκοπικών και μη τεχνικών. Τα πειράματα εστιάζονται σε φασματοσκοπικές μετρήσεις πραγματικού χρόνου (in-situ & real-time, in-line & real-time) κατά την ανάπτυξη ή εκτύπωση υλικών, από εργαστηριακή κλίμακα μέχρι και διαδικασίες εκτύπωσης από ρολό σε ρολό (Roll-to-Roll, R2R). Παράλληλα, αναπτύχθηκαν τα κατάλληλα οπτικά μοντέλα για την φυσική ερμηνεία και ποσοτικοποίηση των μετρούμενων φασμάτων. Με εφαρμογή των παραπάνω μεθοδολογιών, ερμηνευτήκαν οι μηχανισμοί ανάπτυξης περοβσκίτη και βρέθηκαν οι βέλτιστες παράμετροι (θερμοκρασία, χρήση Ν2 κ.α ) για την ανάπτυξη λείων υμενίων χωρίς εκφυλισμένες φάσεις PbI2. Επίσης, μελετήθηκαν και βελτιστοποιήθηκαν πολυστρωματικές δομές υμενίων μεγάλου μήκους για την κατασκευή ΦΒ περοβσκίτη. Οι παράμετροι εκτύπωσης και ιδιότητες των υμενίων (ροή εκτύπωσης, αναλογία αραίωσης διαλύματος, πάχος στρωμάτων, διασπορά πάχους, εκτυπωσιμότητα, επιπεδοποίηση επιφανειών κ.α), συνδέθηκαν με την λειτουργικότητα και απόδοση των ΦΒ. Τα παραπάνω είχαν ως αποτέλεσμα την κατασκευή ευκάμπτων εκτυπωμένων ΦΒ περοβσκίτη με απόδοση μετατροπής ηλιακής ισχύος (PCE) 6.5%. Τέλος, παρουσιάζεται η μελέτη σε πραγματικό χρόνο με ταυτόχρονες μετρήσεις των in-line φασματοσκοπικών τεχνικών SE, Raman και φωτοφωτάυγειας (PL) κατά την R2R εκτύπωση οργανικών υμενίων μείγματος ημιαγωγών. Με εφαρμογή μοντέλων ανάλυσης που αναπτύχθηκαν, βρέθηκαν οι ζητούμενες ιδιότητες των υμενίων όπως το πάχος, η ομοιογένεια, οι κρυσταλλικές φάσεις του οργανικού πολυμερικού ημιαγωγού, η επιφανειακή σύσταση, καθώς αναγνωρίστηκαν και τα σφάλματα και αστοχίες διαδικασιών εκτύπωσης.