University of Oulu

Analysis of wetting and optical properties of materials developed for novel printed solar cells

Saved in:
Author: Sliz, Rafal1,2,3
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Information Technology and Electrical Engineering, Department of Electrical Engineering
3University of Oulu, Infotech Oulu
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 3 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526204888
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2014
Publish Date: 2014-06-24
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in Auditorium TS101, Linnanmaa, on 4 July 2014, at 12 noon
Tutor: Professor Risto Myllylä
Reviewer: Professor Kai Peiponen
Professor Poopathy Kathirgamanathan
Opponent: Professor Kai Peiponen
Professor Ryszard Jachowicz
Description:

Abstract

Printed electronics offer unique possibilities for the development of devices and manufacturing methods. A prime example of printed electronics where the production volume can be significantly increased are solution-processed organic solar cells. Roll-to-roll (R2R) technology has made it possible to print solar cells almost as fast as newspaper.

Unfortunately, the performance of printed devices depends strongly on film morphology, which is affected by the behaviour of the used ink on the confining surface - wetting. Key parameters that influence the wetting behaviour include surface energy, ink formulation, surface roughness, solvent properties, processing temperature and pre/post-treatments (heat, acid or plasma) and chemical heterogeneity. Importantly, a precise control of wetting and, consequently, film morphology is emphasized by many authors as an important factor for the commercialization of printed solar cells.

This research focuses on measuring and analysing the influence of substrate processing temperature as well as plasma and UV pre-treatments on the wettability of various inks and substrates used in Organic Solar Cell (OSC) fabrication. It also explores the application of interesting novel materials, such as nanocellulose, in solar cell manufacture. The main tool applied here is the contact angle measurement method, since it is commonly used to obtain quantitative data describing the behaviour of ink droplets on substrate surfaces.

Chief among the achieved results is the finding that the three factors mentioned above significantly influence ink-substrate interactions. Therefore, manipulation of plasma and UV treatments as well as substrate processing temperature, allow us to control wetting properties and, in consequence, the printing process. Another important result shows that the degree of control is strongly dependent on ink formulation and material composition and must, therefore, be taken into account in process development. These findings will contribute to a faster development of printed solar cells and their manufacturing conditions and requirements.

see all

Tiivistelmä

Painettava elektroniikka tarjoaa uusia mahdollisuuksia elektronisten laitteiden ja niiden valmistusmenetelmien kehittämiseen. Liuoskäsitellyt orgaaniset aurinkokennot ovat hyvä esimerkki painetun elektroniikan tuotteesta, jonka tuotantomäärää on voitu kasvattaa merkittävästi. Rullalta rullalle (engl. Roll-to-roll, R2R) -menetelmän avulla aurinkokennoja voidaan painaa lähes samalla nopeudella kuin sanomalehteä. Painettujen laitteiden suorituskyky riippuu suuresti tuotetun kalvon morfologiasta, johon vaikuttavat tuotantoprosessissa käytettyjen materiaalien kostumisominaisuudet. Tärkeimmät kostumiskäyttäytymiseen vaikuttavat parametrit ovat pintaenergia, pinnan karheus, musteen koostumus, liuotinominaisuudet, käsittelylämpötila, esi- ja jälkikäsittely (lämpö, happo tai plasma) sekä kemiallinen heterogeenisyys. Kostumisen, ja sitä kautta kalvon morfologian, tarkka säätely on tärkeää painettujen aurinkokennojen kaupallisen hyödyntämisen kannalta.

Tässä väitöskirjatyössä mitataan ja analysoidaan käsittelylämpötilan sekä plasma- ja UV-esikäsittelyiden vaikutuksia orgaanisten aurinkokennojen valmistuksessa käytettyjen musteiden ja alustojen kostumisominaisuuksiin sekä tarkastellaan aurinkokennoliuoksissa käytettäviä uusia, mielenkiintoisia materiaaleja, kuten nanoselluloosaa. Työssä eniten hyödynnetty menetelmä on kontaktikulman mittaus, joka on yleisesti käytetty tapa hankkia kvantitatiivista tietoa mustepisaroiden käyttäytymisestä erilaisilla pinnoilla.

Keskeisin saavutettu tutkimustulos on se, että kaikilla yllämainituilla kolmella käsittelyllä on huomattava merkitys musteen ja alustan vuorovaikutuksiin. Näin ollen plasma- ja UV-käsittelyillä sekä alustan käsittelylämpötilan säätelyllä voidaan hallita kostumisominaisuuksia ja sitä kautta koko painatusprosessia. Toinen tärkeä löydös on, että musteen koostumus ja alustan materiaali vaikuttavat siihen, kuinka voimakkaasti kostumista voidaan hallita. Näin ollen ne täytyy ottaa huomioon painatusprosessin suunnittelussa. Työssä saavutettuja tuloksia voidaan käyttää painettujen aurinkokennojen sekä niiden tuotantomenetelmien kehittämiseen.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-0488-8
ISBN Print: 978-952-62-0487-1
Issue: 492
Subjects:
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.