Influence of nanostructured heterojunctions on the electrical properties of photovoltaic cells

2009/2010Le celle fotovoltaiche basate su strati sottili di materiali organici hanno raggiunto efficienze dell' 8.3% ed hanno le potenzialità per diventare un'alternativa a basso costo delle celle basate su silicio amorfo. Alcune delle problematiche legate alle proprietà intrinseche di generazione, separazione e trasporto delle cariche possono essere affrontate non solo con lo studio della chimica e dei processi per materiali organici e fullerene, ma anche con lo sviluppo di nuove architetture delle celle basate sul controllo e l'organizzazione alla scala del nanometro. Il presente lavoro di tesi è basato sulla convinzione che quest'ultimo approccio, complementare a quello basato sul miglioramento delle proprietà intrinseche dei materiali, contribuirà sostanzialmente al progresso di questo campo della ricerca applicata. L'obiettivo di questo lavoro è quello di dimostrare il principio di funzionamento di una serie di diversi e nuovi prototipi di dispositivi basati su micro- e nano-architetture. In particolare, abbiamo realizzato: un nanomodulo di 1 cm2 che mostra una tensione di circuito aperto di quasi 1 kV, una cella solare basata su un'eterogiunzione con interfaccia avente strutture di 20 nm interpenetrate, e abbiamo ottimizzato deposizione di ossido di indio stagno (ITO) per lo sviluppo di un nostro dispositivo di intrappolamento della luce basato su serie di microlenti. Tuttatavia, riteniamo che ulteriori sforzi nella stessa direzione siano necessari per dimostrare l'utilità delle nano-architetture nel fotovoltaico organico. Parte del lavoro di ricerca è stato dedicato allo sviluppo e messa in opera di strumentazione specifica per la lavorazione e caratterizzazione per il fotovoltaico come un evaporatore in vuoto ad angolo inclinato connesso ad una camera a guanti in azoto per la deposizione di metalli e di organici.Thin-film photovoltaic (PV) cells based on the bulk hetero-junction of organic materials reached a record efficiency of 8.3% and have the potential to become a lower-cost alternative to amorphous silicon. Some of the issues related to the intrinsic properties of generation, separation and transport of charges, may be addressed not just by working on the details of the chemistry and processing of the organic/fullerenes materials, but also by implementing new cell architectures organized and well controlled down to the nanoscale. The present work of thesis is based on the conviction that the latter approach, complementary to that focused on the improvement of the intrinsic properties of the materials, will substantially contribute to the progress of this field of applied research. The goal of this work is that of demonstrating the working principle of a series of different and new micro- and nano-architectures into prototypical organic solar devices. In particular, we realized: a 1 cm2 nanomodule with almost 1 kV of open circuit voltage, a solar cell with a controlled nanostructured interface heterojunction with interpenetrating features of 20 nm, and we optimized the sputtering deposition of indium tin oxide (ITO) for our light trapping device based on microlenses array. However, we believe that additional efforts in the same direction will be necessary to demonstrate the usefulness of nanoarchitectures in organic photovoltaics. Part of the research work was devoted to the development and the commission of specific instrumentation for PV processing and characterization as an oblique angle vacuum evaporator connected to a nitrogen glove-box for the deposition of metals and organics.XXIII Ciclo198