Σχεδιασμός και Κατασκευή Νανοδομημένων Οργανικών Φωτοβολταϊκών Στοιχείων με Βελτιστοποιημένη Συμπεριφορά

Transcript

1 Σχεδιασμός και Κατασκευή Νανοδομημένων Οργανικών Φωτοβολταϊκών Στοιχείων με Βελτιστοποιημένη Συμπεριφορά Μ. Μ. Στυλιανάκης, Ε. Κουδουμάς, Ε. Κυμάκης Κέντρο Τεχνολογίας Υλικών & Φωτονικής Ερευνητική Ομάδα Νανοϋλικών & Οργανικών Ηλεκτρονικών Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα (ΤΕΙ) Κρήτης

2 ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΕΚΠΕΜΠΕΙ SOS!!!

3

4 Η Τεχνολογία των Φωτοβολταϊκών Κρυσταλλικό πυρίτιο Ο βασικός κορμός της τεχνολογίας των φωτοβολταϊκών και βασικός παράγοντας στα ΦΒ σε κτίρια. Απόδοση μονάδας: Λεπτά φιλμς: a-si, CdTe, CIGS Ανταγωνιστής στα ΦΒ σε κτίρια και στην τεχνική r2r για εύκαμπτα υποστρώματα. Απόδοση μονάδας: Ηλιακά κελιά από Οργανικά Υλικά και Περοβσκίτες Μια αγορά εξειδικευμένη, η οποία όμως μέσω των επιτευγμάτων της μπορεί να γίνει πρωτοπόρος στη μαζική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Απόδοση μονάδας: 1 ης Γενιάς 13% 20% 2 ης Γενιάς 9% 15% 5% 20+% Νέας Γενιάς Υβριδικά Διαδοχικά Ηλιακά Κελιά (Tandem Solar Cells) $0.30/kWh $0.05/kWh

5 Γιατί Οργανικά Φωτοβολταϊκά; Εύκολη κατασκευή σε μεγάλες επιφάνειες -Επίστρωση με περιστροφή -Επίστρωση με λεπίδα -Εξάχνωση -Εκτύπωση Μικρό κόστος κατασκευής Τα ΦΒ πυριτίου κοστίζουν $/m 2 Τα πλαστικά ΦΒ αναμένεται λιγότερο από 50 $/m 2 Τεχνολογία με μικρό βάρος Μηχανική ευκαμψία και διαπερατότητα Τα ενεργειακά επίπεδα των οργανικών υλικών μπορούν εύκολα να τροποποιηθούν με χημικό τρόπο με την πρόσδεση διαφόρων λειτουργικών ομάδων Η τεχνολογία των ΟΦΒ παρουσιάζει μια πολύ υποσχόμενη ανάπτυξη - αποδόσεις 10%. Η χρήση τεχνικών εκτύπωσης όπως η roll to roll εγγυόνται ορθολογική διάρθρωση του κόστους τους. Η αγορά ΦΒ απαιτεί ευέλικτες λύσεις χαμηλού κόστους

6 Τι ιδιαίτερο έχουν τα ΟΦΒ; Μικρό βάρος Ευκαμψία

7 Τι ιδιαίτερο έχουν τα ΟΦΒ; Μικρή εξάρτηση από τη γωνία πρόσπτωσης του φωτός (BIPV)

8 Τι ιδιαίτερο έχουν τα ΟΦΒ; Διαπερατότητα (BIPV) Πολυχρωμία (μικρό τίμημα στην απόδοση ) Private and confidential

9 Άλλες εφαρμογές των ΟΦΒ

10 Άλλες εφαρμογές των ΟΦΒ

11 Αρχιτεκτονική της διάταξης Ηλεκτρόδιο καθόδου Γυαλί/ΙΤΟ Φωτοενεργό στρώμα Απλού στρώματος Διπλού στρώματος Διεσπαρμένης ετεροεπαφής Απλού στρώματος Διπλού στρώματος Διεσπαρμένης ετεροεπαφής

12 Πώς δουλεύει ένα ΟΦΒ; TCE Anod e HTL eh + - IFL Metal Cathod e + _ Private and confidential

13 Τεχνολογία αιχμής πολυμερές-φουλερένιο

14 Ερευνητικές Δραστηριότητες της ομάδας ΝΑΝΟ Διαχείριση του φωτός Νέα Υλικά Κατασκευή ΟΦΒ Πλασμόνια Η εισαγωγή μεταλλικών νανοδομών μας επιτρέπει τη διαχείριση του φωτός σε κλίμακα νάνο (10-9 ) Υλικά από γραφένιο που μπορούν να επεξεργαστούν σε διάλυμα Ως ηλεκτρόδια, στιβάδες διεπιφανειακές στιβάδες, δέκτες ηλεκτρονίων και πρόσθετα υλικά, συμβατά με τεχνικές r2r Tandem, Υβριδικά (περοβσκίτες) κτλ Παράλληλες διατάξεις (Tandem) για την αύξηση της συλλογής φωτός. Βελτιστοποίηση της μεταφοράς οπών/ηλεκτρονίων Αυξάνουμε την απόδοση και τη σταθερότητα των ΟΦΒ μέσω της εισαγωγής καινοτόμων υλικών, διεπιφανειών και βελτιστοποίησης της μηχανικής δομής τους

15 Διαχείριση του Φωτός Μεταλλικές νανοδομές μας επιτρέπουν τη διαχείριση του φωτός σε κλίμακα νάνο (10-9 ) μέσω πλασμονικών φαινομένων για καλύτερο εγκλωβισμό του φωτός

16 Τύποι μεταλλικών ΝΣ Διαφορετικά μεγέθη και σχήματα από: Μεταλλικά ΝΣ: Au, Ag, Ni, Co, Pt, Pd, Cu, Al etc Μεταλλικά κράματα ΝΣ: Au/Ag, Au/Cu, Au/Ag/Cu, Au/Pt, Au/Pd, Au/Ag/Cu/Pd Αναγωγικά Οξειδωτικά

17 Σύνθεση μεταλλικών ΝΣ με αποδόμηση μεταλλικού στόχου με τη χρήση λέιζερ Laser beam Process time: 0s 10s 20s Liquid Substrate Μια παλλόμενη δέσμη λέιζερ εστιάζεται στο στόχο μέσα σε διαλύτη. Μετά την απορρόφηση της ενέργειας του παλμού, ο μεταλλικός στόχος αποδομείται μέσα στο διαλύτη σχηματίζοντας ΝΣ. E. Stratakis et al, Optics Express (2009), 17,

18 ΟΦΒ με απόδοση > 10% 0 Current Density (ma/cm 2 ) PTB7:PC71BM PTB7:PC71BM:Au-Al PBDTTT-EFT PBDTTT-EFT:Au-Al Voltage (V) EQE (%) PTB7:PC71BM PTB7:PC71BM:DUAL NPs PBDTTT-EFT:PC71BM PBDTTT-EFT:PC71BM:DUAL NPs Wavelength (nm) Polymer NPs J sc (ma/cm 2 ) V oc (V) FF (%) PCE (%) (max.) PTB7 No (7.75) Au-Al (8.41)

19 Υλικά από γραφένιο που μπορούν να επεξεργαστούν σε διάλυμα Ως ηλεκτρόδια, διεπιφανειακές στιβάδες, δέκτες ηλεκτρονίων και πρόσθετα υλικά, συμβατά με τεχνικές r2r

20 Υλικά από άνθρακα Fullerenes 0D Discovered in 1985 (C60) C60, C70, C84 Films n-type semiconducting Carbon Nanotubes (CNTs) 1D Discovered in 1991 Single and multi-walled Semiconducting or Metallic Graphene 2D Discovered in Nobel Prize Metallic/transparent

21 2010 Βραβείο Νομπέλ Φυσικής!!! Τα πρωτοποριακά πειράματα απαιτούν τη χρήση του δισδιάστατου γραφενίου Μοριακή δομή του γραφενίου

22 Πόσο εύκολο είναι να κερδίσεις βραβείο Νομπέλ; The Scotch Tape Method

23 Πώς φτιάχνουμε γραφένιο;

24 Τί ιδιαίτερο έχει το γραφένιο; φύλλο άνθρακα πάχους ενός ατόμου εύκαμπτο, ελαφρύ, σε αφθονία Μεγάλη ηλεκτρική κινητικότητα φορέων ιδανικό για ηλεκτρονικά υψηλής ταχύτητας Διαπερατός αγωγός Συνδυάζει οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες Το ισχυρότερο υλικό μέχρι σήμερα σύνθετα μικρού βάρους Νέο υλικό με μοναδικές ιδιότητες Το γραφένιο είναι το μόνο υλικό που μπορεί τις ιδέες από την κβαντική θεωρία να τις μεταφράσει σε καινοτόμα επιτεύγματα

25 Η δομή του GO

26 Το γραφένιο στα ΟΦΒ Αντικατάσταση του δέκτη PCBM: τροποποίηση του LPE graphene για να ελέγξουμε τις ημιαγώγιμες ιδιότητές του & Χρήση των παραγώγων γραφενίου ως πρόσθετο υλικό Τροποποιημένο GO Αντικατάσταση του ΙΤΟ με LPE graphene που ανήχθηκε χημικά ή φωτοχημικά rgo Αντικατάσταση του PEDOT: PSS για μεταφορά οπών & Αντικατάσταση της στιβάδας μτφ ηλεκτρονίων αιχμής με παράγωγα γραφενίου GO με προσμείξεις με μεταβλητά ενεργειακά επίπεδα

27 Εύκαμπτα ΟΦΒ με ηλεκτρόδια που αποτελούνται από ανηγμένο γραφένιο με τη χρήση λέιζερ 2 0 J SC (ma/cm 2 ) nm 11.3 nm 16.4 nm 20.1 nm V BIAS (V) GO thickness (nm) J SC (ma/cm 2 ) V OC (V) FF η (%) Advanced Functional Materials (2013) 23,

28 Laser induced rgomms as TCE in OPVs Ελέγχοντας την περιοδικότητα μεταβάλουμε ελεγχόμενα τη διαπερατότητα ΔΤ=19.7% with ~550 μm ΔΤ=34.6% with ~300 μm PET/rGOMM (T, R s ) J sc (ma/cm 2 ) V oc (mv) FF (%) PCE (%) 22.5%, kω/sq %, kω/sq %, kω/sq %, kω/sq Highest PCE for rgo TCE ΔΤ=48.6% with ~250 μm ΔΤ=62.1% with ~213 μm 84.6%, kω/sq PET/ITO Απόδοση 3.05 % Η υψηλότερη απόδοση που έχει καταγραφεί για εύκαμπτα ΟΦΒ που έχουν ηλεκτρόδια από γραφένιο Advanced Functional Materials (2015), 25, Private and confidential Konios et al. Adv. Funct. Mater. (2015)

29 Αντικατάσταση του PEDOT:PSS για μεταφορά των οπών ΟΦΒ με GO-Cl ως στιβάδα μεταφοράς οπών (HTL) κατασκευάστηκαν, επιτυγχάνοντας απόδοση 6.56 % >14.1 % από τα GO-based ΟΦΒ > 15.7 % από ΟΦΒ με PEDOT:PSS Nanoscale (2014), 6, 6925 E. Kymakis Private and confidential

30 GO-Li διεπιφανειακή στιβάδα για ΟΦΒ Απλή χημική τροποποίηση του GO με λίθιο αλκαλι-μέταλλο, επιτυγχάνοντας μείωση του έργου εξόδου του GO και για τη χρήση του ως συμπληρωματική στιβάδα μεταφοράς ηλεκτρονίων. ETL J sc (ma/cm 2 ) V oc (mv) FF(%) PCE(%) TiO x GO/TiO x Chemistry of Materials (2014), 26, 5988 GO-Li/TiO x Private and confidential

31 Συνδυασμός των στιβάδων μεταφοράς h + /e - από γραφένιο Ο συνδυασμός των δύο προηγούμενων εργασιών και η εισαγωγή τους ως στιβάδες μεταφοράς οπών GO-Cl και ηλεκτρονίων GO-Li αντίστοιχα απέδωσε 8.83%!!! 0 Current Density (ma/cm 2 ) Reference GO-Cl GO-Li GO-Cl / GO-Li Voltage (V) Device J sc (ma cm -2 ) V oc (V) FF (%) PCE (%) Reference GO-Cl GO-Li GO-Cl/GO-Li % PCE enhancement compared to reference devices with PEDOT:PSS as HTL and TiO x as ETL materials Private and confidential

32 Δέκτης ηλεκτρονίων από γραφένιο αντικαθιστά το PCBM Εύχρηστη φωτοχημική σύνθεση παραγώγου γραφενίου με μεταβλητό ενεργειακό χάσμα μέσω ελεγχόμενης ακτινοβόλησης με λέιζερ σε υγρή φάση Η τεχνική αυτή ευνοεί τη ρύθμιση των ενεργειακών επιπέδων των παραγώγων γραφενίου Μειώνει το χρόνο της αντίδρασης Απόδοση 2.42%, η μεγαλύτερη για δέκτη ηλεκτρονίων από γραφένιο μέχρι σήμερα Advanced Optical Materials (2015), 5, Private and confidential

33 Τριαδικά ΟΦΒ με πρόσθετα από γραφένιο (1) Τροποποίηση γραφενίου με ομάδες δέκτες ηλεκτρονίων Adv. Funct. Mater. (2015), 25, 5, 3870 Επιτυχής ρύθμιση των ενεργειακών επιπέδων της του νανοφύλλου του γραφενίου Αύξηση στην απόδοση κατά 18% σε σχέση με το δυαδικό, με μέγιστη απόδοση 6.41%. Private and confidential

34 Τριαδικά ΟΦΒ με πρόσθετα από γραφένιο (2) Τροποποίηση γραφενίου με ομάδες πορφυρίνης Μέγιστη απόδοση διάταξης 8.81% μετά την εισαγωγή του πρόσθετου σύνθετου γραφενίου πορφυρίνης Polymer GO-TPP (%) J sc (ma cm -2 ) V oc (V) FF (%) PCE (%) PTB ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ±0.19 Nanoscale, 2015, accepted Private and confidential

35 Τριαδικά ΟΦΒ με πρόσθετα από γραφένιο (3) Τροποποίηση γραφενίου με ανόργανες νανοδομές Άμεση σύνθεση και εισαγωγή νανοφύλλων rgo-sb 2 S 3 ως νέο υλικό-γέφυρα ηλεκτρονίων Τα νανοφύλλα rgo-sb 2 S 3 συντέθηκαν μέσω μιας απλής σολβοθερμικής διαδικασίας. Το μέγεθος των νανοκρυστάλλων Sb 2 S 3 ρυθμίστηκε με αλλαγή στη συγκέντρωση των προδρόμων, του χρόνου αντίδρασης και της θερμοκρασίας. ChemNanoMat (2015), 5, 346 [Back Cover] Private and confidential

36 Τριαδικά ΟΦΒ με πρόσθετα από γραφένιο (3) Τροποποίηση γραφενίου με ανόργανες νανοδομές Τα νανοφύλλα rgo-sb 2 S 3 παρουσιάζουν ιδανικά ενεργειακά επίπεδα για να λειτουργήσουν ως γέφυρα μεταξύ των υλικών δότη-δέκτη. Αύξηση στην απόδοση 23% με μέγιστη τιμή 7%! ChemNanoMat (2015), 5, Private and confidential

37 Επόμενο βήμα μας Το γραφένιο γίνεται περοβσκίτης!!! Εισαγωγή του γραφενίου σε υβριδικά ηλιακά κελιά Με βελτιστοποίηση των συνθηκών, έχουμε επιτύχει αποδόσεις > 12%, οι μετρήσεις είναι όμως ακόμα σε πρώιμο στάδιο! In progress Private and confidential

38 Αναβάθμιση της κατασκευής ΟΦΒ

39 ΟΦΒ που μπορούν να εκτυπωθούν!!! μελάνια ---- με ηλεκτρονικές ιδιότητες! Ο Στόχος μας Πλαστικό Υπόστρωμα Ηλιακά κελιά Λειτουργικό Μελάνι

40 ΟΦΒ που μπορούν να εκτυπωθούν!!! Επίστρωση Roll-to-roll Επίστρωση με ψεκασμό

41 Ερευνητική Ομάδα νανοϋλικών και Οργανικών Ηλεκτρονικών Κέντρο Προηγμένων Υλικών & Φωτονικής TEIC TEIC

42 Ερευνητική Ομάδα Νανοϋλικών και Οργανικών Ηλεκτρονικών Καθ. Εμμανουήλ Κυμάκης Δρ. Κων/νος Πετρίδης Δρ. Μηνάς Στυλιανάκης Δρ. Ναούμ Βαενάς Δημήτρης Κωνιός Γιώργος Βισκαδούρος Γιώργος Κακαβελάκης Μύρων Κρασσάς Άννα Ορφανουδάκη Βαλίνα Φουστανάκη Παύλος Τζουρμπάκης Τιμούρ Μαξούντοφ Κέντρο Προηγμένων Υλικών & Φωτονικής Συνεργάτες Καθ. Εμμανουήλ Κουδουμάς Τμ. Ηλεκτρολόγων Μηχανικών ΤΕΙ Κρήτης Δρ. Εμμ. Στρατάκης Ινστιτούτο Ηλεκτρονικής Δομής & Λέιζερ Ίδρυμα Τεχνολογίας & Έρευνας (ΙΤΕ)

43 Σύνοψη Ερευνητικών Δραστηριοτήτων Άμεση φωτοχημική αναγωγή του οξειδίου του γραφενίου για τη χρήση του ως διαπερατό ηλεκτρόδιο σε εύκαμπτες οργανικές φωτοβολταϊκές διατάξεις Χημική τροποποίηση του οξειδίου του γραφενίου για τη χρήση του ως δέκτης ηλεκτρονίων ή ως πρόσθετο υλικό σε οργανικές φωτοβολταϊκές διατάξεις Συνδυασμός του οξειδίου του γραφενίου με μεταλλικά νανοσωματίδια για τη χρήση τους ως στοιβάδες μεταφοράς φορέων σε οργανικές φωτοβολταϊκές διατάξεις Δημοσιεύσεις (2013) Advanced Functional Materials, 23, 2742 (2013) Applied Physics Letters, 102, (2013) Nanoscale, 5, 4144 (2013) Phys Chem Chem Phys, 15, 8237 (2013) Materials Today, 16, 133 (2013) RSC Advances, 3, (2013) Advanced Materials, 25, 4760 (2014) IEEE J of Sel Topics in Q Electronics, 20, (2014) ACS Applied Materials & Interfaces, 6, 388 (2014) Small, 10, (2014) Chem Comm, 50, 5285 [2014 Emerging Investigators Issue] (2014) Nanoscale, 6, 6925 (2014) J. Materials Chemistry C, 2, 5931 (2014) Journal of Colloid And Interface Science, 430, 108 (2014) Chemistry of Materials, 26, 5988 (2014) Applied Physics Letters, 105, (2015) Adv. Funct. Mater. 25, 2213 [Inside cover] (2015) Adv. Opt. Mater. 5, 658 [Inside cover ] (2015) Adv. Funct. Mater. 25, 5, 3870 (2015) ACS Photonics, 2, 714 (2015) RSC Advances, 5, (2015) Advanced Science, 2, (2015) ChemNanoMat, 5, 346 [Back Cover] (2015) ACS Appl Mater & Interfaces, 7, (2015) 2D Materials, 2, (2015) J Mater Chem C, 3, 9379 (2015) RSC Adv, 5, (2015) Nanoscale, Accepted

44 Εγκαταστάσεις

45 Εγκαταστάσεις Research line for the fabrication and characterization of OPVs Double Glove box with integrated a) spin coater b) ozone cleaner c) thermal evaporator d) solar simulator

46 Ευχαριστίες Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος "Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση", Πράξη Αρχιμήδης ΙΙΙ, και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους (Εθνικό Στρατηγικό Πλαίσιο Αναφοράς )". Center of Advanced Materials & Photonics Institute of Electronic Structure & Laser

47 ΔΙΚΤΥΟ ΣΥΝΕΡΓΑΤΩΝ Design and Construction of the curriculum of a two year MSc joined degree in the modern field of organic semiconductors

48 Thank you for you attention!!!