Exploration of graphene addition and boron doped nanocrystalline diamond transparent electrodes for charge transport enhancement in polymer-based solar cells and light emitting diodes

Abstract

Organische zonnecellen vormen een opkomende technologie in het domein van fotovoltaïsche energie-conversie en onderscheiden zich van klassieke Siliciumzonnecellen door o.a. volgende kenmerken: mechanische flexibiliteit (‘plooibare’ zonnecellen), esthetische mogelijkheden (vrijheid van vormgeving en kleur), betere respons bij indoor verlichting en diffuus licht (interessant voor indoor energievoorziening voor mobiele elektronische applicaties) en eenvoudige, lowcost verwerkingsmogelijkheden (e.g. printbare zonnecellen). Deze unieke eigenschappen maken organische zonnecellen interessant voor bepaalde nicheapplicaties (vb. BIPV-Building Integrated Photovoltaics). Tot nog toe zijn er slechts enkele commerciële toepassingen verschenen en is een commerciële doorbraak van specifieke niche-applicaties nog niet aan de orde omwille van de relatief lage efficiëntie en stabiliteit. Wereldwijd wordt er dan ook veel onderzoek verricht naar het verhogen van de efficiëntie en levensduur en de ontwikkeling van groene en robuuste productieprocessen. Bij organische zonnecellen bestaat de actieve laag doorgaans uit twee type organische materialen en wordt voor de transparante elektrode gebruik gemaakt van het relatief dure en schaarse Indium Tin Oxide (ITO). De innovatieve routes die in dit werk geëxploreerd worden zijn : (I) het gebruik van grafeen als 3de component in de foto-actieve laag en (II) het gebruik van diamant als elektrode-materiaal ter vervanging van ITO. De bijhorende onderzoeksvragen zijn: a) Wat zijn de effecten van grafeen in dunne polymer:fullereen zonnecellen wanneer grafeen gebruikt is als ternaire component in de actieve laag bij dichtheden onder de percolatiedichtheid? b) Is het mogelijk om een transparante elektrode te maken gebaseerd op diamant om Indium tin oxide (ITO) te vervangen en wat zijn de fysische karakteristieken van deze diamant elektrode? Is het mogelijk om deze diamant gebaseerde elektrodes te gebruiken in Polymeer Licht Emitterende Dioden (PLED) en Organische Fotovoltaïsche (OPV) cellen?

Organic solar cells are an upcoming technology in the area of photovoltaic energy conversion. It distinguishes itself from classical silicon based solar cells according to the following characteristics: Mechanical flexibility (‘flexible’ solar cells), esthetic possibilities (freedom in design and color), improved response for indoor and diffuse light (interesting for indoor energy supply for mobile applications) and simple low cost processing possibilities (e.g. printable solar cells). These unique properties make organic solar cells interesting for certain niche applications (such as building integrated photovoltaics (BIPV)). Due to low efficiency and stability, currently only a few commercial applications are available and a major breakthrough is waiting. Research is performed all over the world for increasing the device efficiency and lifetime. Also environmentally green and robust production processes are being developed. In organic solar cells, a combination of two components is normally used in the photo-active layer and the rare and expensive material Indium Tin Oxide (ITO) is used as transparent electrodes. The innovative routes explored in this work are: (I) the use of graphene as a 3rd component in the active layer and (II) the use of diamond as an electrode material in order to replace ITO. The following research questions were investigated in this work: 1. What effect will graphene have on thin polymer:fullerene solar cell devices when the graphene is used as a ternary component in the active layer at densities below percolation densities? 2. Is it possible to replace Indium Tin oxide (ITO) by constructing transparent electrodes based on diamond and what are the physical characteristics of diamond electrodes? Is it possible to use these diamond based electrodes for Polymer Light Emitting Diodes (PLED) and Organic Photovoltaic (OPV) devices?