University of Oulu

Efficiency and stability studies for organic bulk heterojunction solar cells

Saved in:
Author: Augustine, Bobins1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Information Technology and Electrical Engineering, Electrical Engineering
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 5.3 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526214436
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2016
Publish Date: 2016-11-29
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 the Wetteri auditorium (IT115), Linnanmaa, on 9 December 2016, at 12 noon
Tutor: Professor Tapio Fabritius
Professor Risto Myllylä
Reviewer: Professor Ellen Moons
Professor Thomas Kirchartz
Opponent: Professor Donald Way Lupo
Description:

Abstract

The qualitative and quantitative characteristics of each component layer constituting the structure of organic bulk heterojunction solar cells (OSC-BHJ) contribute significantly towards its overall performance. One of the prevalent issues resulting in reduced device efficiency is due to the conformational inhomogeneities in the active and buffer layers. The mechanical stress, extended thermal exposure and presence of mutually reactive component layers etc., affects negatively on the device stability. Effective methods to address these issues will be extensively benefited by the industry since the current commercialisation of the technology is hindered owing to the lower efficiency and stability of these devices.

This dissertation focuses on methods to coherently enhance the performance and longevity of the OSC-BHJ devices. The efficiency enhancements of the devices in this work were achieved through two main routes. The first route was through morphological improvement of the active layer. The second route was through boosting the electrical characteristics of hole transporting conducting polymer layer (HTL) by controlled annealing conditions. The introduction of a suitable additive in the active layer was found to reduce unfavourable phase segregation thus resulting in enhanced morphology. Further, the annealing conditions in different atmospheres (air, nitrogen and vacuum) were found to have a clear influence on the optimum functioning of the HTL in the device. Regarding the stability improvement study done in this work, a method of employing suitable interlayer was developed to effectively abate the internal degradation occurring in the device due to etching reaction on the indium tin oxide (ITO) anode by the HTL. Moreover, experimental investigations were carried out for drawing fundamental understanding of stability degenerating issues such as the influence of mechanical defects on transparent conducting metal oxide (ITO) anode on the performance of the device and heat induced degradations in the low band gap polymer-fullerene active layer.

The highlight of this research is that the discovered methods are inexpensive, efficient, and easy to adopt. The results of the study could help the technology to overcome some of its limitations and accelerate its progress towards commercialisation.

see all

Tiivistelmä

Orgaanisten heteroliitosaurinkokennojen kerrosrakenteen ominaisuudet ja laatu vaikuttavat merkittävästi aurinkokennojen toiminnallisuuteen. Erityisesti rakenteelliset epähomogeenisuudet aktiivi- ja puskurikerroksissa heikentävät kennon hyötysuhdetta. Kennojen stabiilisuutta tarkasteltaessa myös mekaanisella rasituksella, pitkittyneellä lämpöaltistuksella ja materiaalien reagoinneilla keskenään kerrosten välillä, on selkeä negatiivinen vaikutus kennojen stabiilisuuteen. Orgaanisen aurinkokennoteknologian kaupallistamisen rajoitteina ovat kennojen heikko hyötysuhde ja stabiilisuus, joten menetelmät jotka tarjoavat ratkaisuja edellä mainittuihin ongelmiin, ovat erittäin tärkeitä teknologiaa kaupallistavalle teollisuudelle.

Tämä väitöskirja keskittyy johdonmukaisesti selvittämään tapoja, joilla voidaan parantaa heteroliitosaurinkokennojen hyötysuhdetta ja elinikää. Hyötysuhteen tehostamiseksi valittiin kaksi eri lähestymistapaa, joista ensimmäisessä keskityttiin aktiivikerroksen morfologian parantamiseen ja toisessa aukkoja kuljettavan kerroksen sähköisten ominaisuuksien parantamiseen lämpökäsittelyprosessin avulla. Sopivan lisäaineen avulla aktiivikerroksen ei-toivottua kiteytymistä voidaan pienentää ja parantaa näin kerroksen morfologiaa. Lisäksi työssä todettiin, että lämpökäsittelyn aikaisella ympäristöolosuhteella (ilma, typpi, tyhjiö) on merkittävä vaikutus puskurikerroksen optimaaliseen toimintaan aurinkokennossa. Stabiilisuuden parantamiseksi kehitettiin välikerroksen hyödyntämiseen perustuva menetelmä, jolla voidaan tehokkaasti vähentää kennojen sisäisessä rakenteessa tapahtuvaa toiminnallisuuden heikkenemistä, joka aiheutuu aukkoja kuljettavan kerroksen syövyttävästä vaikutuksesta indiumtinaoksidi (ITO) pohjaiseen anodiin. Tämän lisäksi työssä tutkittiin kokeellisesti stabiilisuuteen heikentävästi vaikuttavia tekijöitä, kuten mekaanisen rasituksen aiheuttamia vaurioita metallioksidi (ITO) anodissa ja lämpöaltistuksesta aiheutuvia vikoja polymeeri-fullereeni rakenteeseen perustuvassa aktiivikerroksessa.

Tutkimuksen keskeisin tulos on, että esitellyt keinot aurinkokennojen hyötysuhteen ja stabiilisuuden parantamiseen ovat edullisia, tehokkaita ja helppoja hyödyntää. Tulokset voivat merkittävästi edistää orgaanisten aurinkokennojen teknistä kehitystä ja kiihdyttää niiden tuloa kaupallisiksi tuotteiksi.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-1443-6
ISBN Print: 978-952-62-1442-9
Issue: 596
Subjects:
Copyright information: © University of Oulu, 2016. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.