University of Oulu

Roll-to-roll printing of organic photovoltaic cells and modules

Saved in:
Author: Apilo, Pälvi
Organizations: University of Oulu, Faculty of Information Technology and Electrical Engineering, Department of Electrical Engineering
Format: eBook
Online Access: PDF Full Text (PDF, 15.7 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789513883294
Language: English
Published: Espoo : VTT Technical Research Centre of Finland, 2015
Publish Date: 2015-08-24
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Thesis for the degree of Doctor of Science in Technology to be presented with due permission for public examination and criticism in Auditorium L10, at the University of Oulu, on the 4th of September, at 12 o'clock noon.
Tutor: Professor Risto Myllylä
Professor Jukka Hast
Reviewer: Professor Reinhard R. Baumann
Professor Ronald Österbacka
Opponent: Professor Reinhard R. Baumann
Professor Donald Lupo
Description:

Abstract

Organic photovoltaics (OPV), one of the emerging thin-film photovoltaic technologies, has gained considerable interest being flexible, light weight and transparent. OPVs can be processed by using roll-to-roll (R2R) printing and coating methods which can lead to significant manufacturing cost reduction. Gravure printing brings the advantage of layer patterning directly in the printing process. This differentiates gravure printing from coating technologies. Importantly, this increases product design freedom by enabling large-area arbitrary shape and size structures. This opens up possibility to use OPVs also as decorative elements on the surfaces of interior and exterior building spaces. Secondly, gravure printing enables high repeatability and accuracy in thin-film deposition.

In this Thesis, the applicability of gravure printing was demonstrated firstly in the laboratory by using a standard OPV device configuration. The layer properties (layer thickness, uniformity) of the gravure-printed hole transport layer and photoactive layer were optimized by engineering the printability using printing master parameters, ink formulations and printing parameters. The electrical functionality of these printed layers was studied in organic solar cells using a standard measurement method. The cells were further connected to modules. After this, the outlined processing conditions for OPV modules (active area 15 cm2) were transferred to R2R pilot production environment. Small pinholes were found to form readily in the photoactive layer in R2R gravure printing with a standard cell configuration. However, by using an ultrathin evaporated insulating interlayer electrical short-circuit could be inhibited, leading to considerably improved performance with a maximum efficiency of 1.9%. In addition, a R2R printing process for inverted OPV configuration modules was developed and demonstrated. The device structure consisted of five layers, which were either gravure or screen printed. Few hundred fully R2R printed modules with the active area ranging from 14–97 cm2 were fabricated with excellent yield. With the 97 cm2 sized modules an average output power of 0.17W was generated (power conversion efficiency of 1.8±0.1 %).

The main achievements of this thesis are i) gravure printing based R2R thin-film deposition technology for OPV, ii) printed standard and inverted device structures, iii) R2R manufactured large-area flexible solar modules, iv) OPV process upscaling to R2R pilot level and v) investigation of characterization methods for OPV modules.


Tiivistelmä

Orgaaninen aurinkokennoteknologia on herättänyt suurta mielenkiintoa tulevaisuuden energiantuottomenetelmänä erityisesti taipuisuutta, keveyttä ja läpinäkyvyyttä vaativissa sovelluksissa. Orgaanisia aurinkokennoja voidaan valmistaa kustannustehokkaasti rullalta rullalle paino- tai päällystysmenetelmillä. Syväpainomenetelmän merkittävimpänä etuna päällystysteknologioihin verrattuna voidaan pitää kerroksen kuviointia samanaikaisesti jo painoprosessissa ilman erillistä kuviointiprosessivaihetta. Kuviointi avaa mahdollisuuksia moduulien muodon ja koon vapaalle suunnittelulle ja toteutukselle. Tämä lisää moduulien käyttömahdollisuuksia myös dekoratiivisina elementteinä rakennusten sisä- ja ulkotiloissa. Lisäksi syväpainolla on mahdollista saavuttaa erinomainen toistettavuus ja tarkkuus ohutkalvon muodostamisessa.

Tässä väitöskirjassa on kehitetty perinteiselle aurinkokennorakenteelle syväpainoon perustuva ohutkalvoprosessi sekä aukonkuljettaja- että fotoaktiiviselle kerrokselle. Optimoimalla painotelan parametreja, painovärin koostumusta ja painoparametreja voidaan ohutkalvokerroksen ominaisuuksia, kuten kerrospaksuutta ja pinnan laatua, säätää halutunlaiseksi. Painettujen kerrosten sähköinen toiminnallisuus aurinkokennoilla on karakterisoitu käyttäen standardoitua mittausmenetelmää. Edelleen kennoja sarjaankytkemällä on toteutettu moduulirakenteita. Syväpainoon perustuva rullalta rullalle valmistusprosessi perinteisen rakenteen moduuleille on siirretty laboratoriosta pilot-valmistusympäristöön. Perinteisellä rakenteella rullalta rullalle valmistetuissa moduuleissa (15 cm2) havaittiin aktiivikerroksessa pieniä reikiä. Valmistusongelma saatiin ratkaistua käyttämällä erittäin ohutta höyrystettyä välikerrosta. Moduulien hyötysuhteeksi mitattiin maksimissaan 1,9 %. Lisäksi tässä työssä demonstroitiin ja kehitettiin rullalta rullalle prosessi käänteiselle aurinkokennorakenteelle, joka koostui kahdesta rullalta rullalle syväpainetusta ja kolmesta silkkipainetusta kerroksesta. Kyseessä olevalla prosessilla valmistettiin satoja täysin painettuja aurinkokennomoduuleja erinomaisella saannolla. Moduulien aktiivipinta-alana oli 14–97 cm2. Suurimman pinta-alan moduuleilla pystyttiin keskimäärin tuottamaan 0,17 W teho auringonvalossa (hyötysuhde 1,8±0,1 %).

Tämän väitöskirjatyön pääsaavutukset ovat i) syväpainoon perustuva orgaanisen aurinkokennon ohutkalvovalmistusteknologia, ii) painetut aurinkokennot sekä perinteisellä että käänteisellä rakenteella, iii) taipuisalle substraatille valmistetut rullalta rullalle painetut, suuren pinta-alan aurinkokennomoduulit, iv) valmistusteknologian siirto laboratoriosta pilot-valmistusympäristöön ja v) aurinkokennomoduulien rakenteiden tutkimus kuvantamismenetelmillä.


Series: VTT Science
ISSN: 2242-119X
ISSN-E: 2242-1203
ISSN-L: 2242-119X
ISBN: 978-951-38-8329-4
ISBN Print: 978-951-38-8328-7
Issue: 101
Subjects:
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.